无线温湿度传感器监测节点设计论文..pdf

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1、第 1 页共 34 页 1 绪论 1.1 课题的研究背景及研究意义 温室的环境温湿度控制与管理是影响生产过程的重要因素。在工业生产领域 的现场，温湿度的准确测试有着广泛的意义 12 。此系统设计的目的在于对温室 的温湿度监测实现自动化， 科学化，通过分析监测数据， 结合农作物生长发育的 规律，控制环境条件， 使农作物在不适宜生长发育的反季节中获得比自然条件下 室外生长更优良的环境，实现对农作物的优质，高产，季节的控制 34 。 目前，基于现场总线技术的监测系统、信号的传输方式为有线传输，由于布 线复杂，温室的湿度高， 空气具有一定的腐蚀性， 对系统的可靠性和抗干扰性提 出了更高的要求， 增加了

2、维护难度， 采用无线数据传输方式能很好的解决这一问 题 567 。因此，在现代化大型温室中，实现测控系统的无线化和网络化是目前 该领域的重要研究课题之一。 为了解决温室测控系统中存在的有线布网、人工测 量等问题，将无线传感器网络技术应用到温室温湿度监控系统中，对实现现代化 温室的网络信息化管理和提升温室生产水平具有重要意义 89 。 由于从国外引进的自动温湿度测控系统的侧重点与我国的气候特征不相匹 配，而且引进投资高，运行维护费用高，很难在我国推广应用。目前，我国大棚 种植的温湿度测量和设施的操作大多仍然由人工来完成。当温室较大时， 操作人 员的劳动强度增加 10 。因此，设计适应我国气候条件

3、的低成本高效益的温湿度无 线监测系统，对提高我国温室产业的经济效益有重要意义 11 。 温、湿度作为工业生产中常见的被控参数，温度和湿度不再是独立的量，而 应在系统集成中综合考虑。 利用单片机对温湿度进行控制， 具有控温、湿精度高， 功能强，体积小，价格低，简单灵活等优点 12 。 第 2 页共 34 页 1.2 国内外研究现状 无线传感网络技术是典型的具有交叉学科性质的军民两用战略高技术，可以 广泛应用于 GF军事、国家安全、环境科学、交通管理、灾害预测、医疗卫生、 制造业、城市信息化建设等领域 13 。无线传感器网络 (WSNs) 是由许多功能相同或 不同（各异）的无线传感器节点组成， 每

4、个传感器节点由数据采集模块( 传感器、 A/D 转换器 )、数据处理和控制模块 ( 微处理器、存储器 ) 、通信模块 (无线收发器 ) 和供电模块 ( 电池、DC/AC能量转换器 )等组成 14 。近期微电子机械加工 (MEMS) 技 术的发展为传感器的微型化提供了可能, 微处理技术的发展促进了传感器的智能 化, 通过 MEMS 技术和射频 (RF)通信技术的融合促进了无线传感器及其网络的诞 生。传统的传感器正逐步实现微型化、智能化、信息化、网络化正经历着一个从 传统传感器 (Dumb Sensor)智能传感器 (Smart Sensor) 嵌入式 Web传感器 (Embedded Web S

5、ensor)的内涵不断丰富的发展过程。 国际上比较有代表性和影响力的无线传感网络实用和研发项目有遥控战场 传感器系统 REMBASS (Remote Battlefield Sensor System)、网络中心战 (NCW) 及灵巧传感器网络 (SSW)、智能尘 (smart dust) 、Inte Mote、Smart -Its项目、 SensIT、SeaWeb 、行为习性监控 (Habitat Monitoring)项目、英国国家网格等。 尤其是今年（ 2012年）最新试制成功的低成本美军“狼群”地面无线传感器网 络标志着电子战领域技战术的最新突破。美国俄亥俄州正在开发 “沙地直线” (

6、A LineintheSand)无线传感器网络系统，这个系统能够散射电子绊网(tripwires) 到任何地方 , 以侦测运动的高金属含量目标。美日等发达国家对该技术在民用领 域进行了应用。 我国现代意义的无线传感网及其应用研究几乎与发达国家同步启动。1999 年首次正式出现于中国科学院 知识创新工程试点领域方向研究的信息与自动 化领域研究报告中， 作为该领域提出的五个重大项目之一。随着知识创新工程试 点工作的深入， 2001 年中科院依托上海微系统所成立微系统研究与发展中心, 引 领院内的相关工作， 并通过该中心在无线传感网的方向上陆续部署了若干重大研 究项目和方向性项目，参加单位包括上海微

7、系统所、声学所、微电子所、半导体 所、电子所、软件所、中科大等十余个校所, 初步建立传感网络系统研究平台, 在无线智能传感网络通信技术、微型传感器、 传感器节点、 簇点和应用系统等方 第 3 页共 34 页 面取得很大的进展。 2004 年 9 月相关成果在北京进行了大规模外场演示, 部分成 果已在实际工程系统中使用。 国内的许多高校也掀起了无线传感器网络的研究热潮, 清华大学、中国科技 大学、浙江大学、华中科技大学、天津大学、南开大学、北京邮电大学、东北大 学、西北工业大学、 西南交通大学、 沈阳理工大学和上海交通大学等单位纷纷开 展了有关无线传感器网络方面的基础研究工作。一些企业如中兴通讯

8、公司等单位 也加入无线传感器网络研究的行列。 传感网在民用方面涉及城市公共安全、公共卫生、安全生产、智能交通、智 能家居、环境监控等领域。 国内从事传感网应用的大企业目前为数不多，小企业 呈现蓬勃发展的势头。 北京鼎天软件有限公司， 主要从事城市公共安全应急指挥 系统建设，已经承担扬州电子政务和扬州应急指挥系统。上海电器科学研究院主 要从事智能交通方面的工程， 已经承担上海市内、 外环智能交通工程。 嘉兴中科 无线传感网科技有限公司在数字航道、城市应急系统、 机场监控等方面有较好的 技术背景 , 相关项目工程正在进行中。沈阳东软、北大青鸟、亿阳信通等企业也 传感网应用方面有所涉足, 目前主要在

9、电子政务方面, 正在向公共安全应急指挥 系统进发。目前在我国国内的农业领域还没有应用到ZigBee 技术。传统农业主 要使用孤立的、没有通信能力的机械设备和传感设备, 主要依靠人力监测作物的 生长状况。采用了传感器和 ZigBee 网络以后 , 农业将可以逐渐地转向以信息和软 件为中心的生产模式 , 使用更多的自动化、网络化、智能化和远程控制的设备来 耕种。传感器可能收集包括土壤湿度、氮浓度、pH值、降水量、温度、空气湿 度和气压等信息。这些信息和采集信息的地理位置经由ZigBee 网络传送到中央 控制设备供农民决策和参考， 这样农民能够及早而且准确地发现问题，从而有助 于保持并提高农作物的产

10、量 15 。 第 4 页共 34 页 1.3 设计思路及预期结果 1.3.1 设计思路 以单片机为核心的控制系统， 多点温湿度数据采集， 组成多点温湿度测量的 巡回检测系统， 使用实际的温湿度控制形式实现对温湿度的控制，并且可以通过 键盘实现对于不同农作物培养所需温湿度的上下限控制，并且同步显示于显示部 分，显示内容为当前温湿度， 以及温湿度上下限。 并通过无线模块实现较远距离 的传输，免去了布线的难度， 同时可以进行多个温湿度检测节点向同一个网关节 点传输数据， 减少了工作人员的工作量， 有效缩减人员的雇佣成本， 提高整体效 率。 1.3.2 预期结果 根据设计方案，预期完成两套系统。 第一

11、套系统包括温湿度模块、单片机芯片、LCD显示屏、无线模块，主要的 功能是将温湿度模块采集到的数据通过单片机芯片处理后能够显示到LCD显示 屏上，并能通过无线模块发送。 第二套系统包括单片机芯片、LCD显示屏、无线模块、 UART0 串口，主要功 能是将第一套系统发送过来的数据经过单片机芯片的处理后能够显示在LCD显 示屏上，并能通过UART0 串口传输到 PC上位机上通过软件显示。 第 5 页共 34 页 2 系统设计方案 无线传感器网络在生活中应用有很多，本章以温室环境为背景， 介绍了无线 温湿度传感器节点设计的整体设计思想与设计方案。 2.1 系统设计目标及技术指标 2.1.1 系统设计目

12、标 无线温湿度传感器节点设计的应用目的是实现温室的温湿度自动采集，使 工作人员能够更好、 更快地对温室的温湿度进行检测，以确保温室的温湿度适合 农作物生长。因此，系统应具有以下基本功能： （1） 准确、实时的数据采集 （2） 系统能够适应温室的温湿度环境，能够长期稳定的工作 （3） 适用性要好，适用范围要能适用大多数的农用温室 （4） 具有报警功能，当温湿度超过或低于所需温湿度时要能及时报警 2.1.2 技术指标 从技术层面上，该网络应达到以下要求： （1） 通信频段： 2.42.4835GHz （2） 通信协议标准： IEEE 802.1 5.4/ZigBee协议标准 （3） 节点通信范围：

13、 50-100m （4） 传感器精度：温度：1 （0-50） ， 湿度：4%RH（25） 、 5%RH（0-50） 2.2 系统体系结构 无线温室监控系统主要包括监控中心、网关节点和传感器节点三部分， 将监 控系统部署于温室内， 每个温室部署一定数量的传感器类型的节点，所有节点将 自组织建立无线网络， 并实时将环境信息上传到监控中心，从而实现监测温室农 作物生长环境的目的。 系统的网络体系结构见图2.1 。 第 6 页共 34 页 图 2.1 无线传感器网络体系结构 监控中心包括一台计算机系统和一套上位机软件，实现温室环境因素的实时 数据显示、存储、分析以及监视，具有人机交互功能。 网关节点在

14、对数据进行分析、 融合等处理后通过以太网与监控中心相连，将 数据送入监控中心。 网关节点的处理能力、 存储能力和通信能力相对较强，它连 接传感器网络与外界网络， 实现两种协议之间的通信协议转换，同时发布管理节 点的监测任务， 并把收集的数据转发到外部网络上。网关节点既可以是一个具有 增强功能的传感器节点， 也可以是没有检测功能仅带有无线通线接口的特殊通信 设备。 传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，它的处理能力、 存储能力和通信 能力相对较弱， 通过携带能量有限的电池供电。从网络功能上看， 传感器节点相 当于传统网络的前端设备， 进行本地信息收集和数据处理。 传感器节点随即布置 在温室内，执

15、行数据采集、预处理和传输等工作，如温度、湿度、二氧化碳浓度 和光照度等信息，采用电池供电，通信距离有限。 无线传感器节点各模块组成如图2.2 所示。采集模块准确地采集环境参数， 并进行初步处理；处理器模块用来控制节点设备、任务调度、能量计算、功能协 调等；通信模块用于节点间数据的收发，解决无线通信中载波频段选择、信号调 制方式、数据传输速率， 编码方式等问题； 电源管理模块是节点正常工作的保证。 20,21 第 7 页共 34 页 图 2.2 （上） 无线传感器节点发射模块设计 图 2.2 （下） 无线传感器节点接收模块设计 温湿度显示 CPU模块 温湿度 采集模块 无 线 发 射 模 块 无

16、线 接收模块 CPU模块 温湿度显示 串 口 通 信 模 块 PC上位机 显示设备 第 8 页共 34 页 2.3 方案描述 在温室环境中， 单个温室可以作为无线传感器网络一个测量控制区，网络中 通过采用经过多个节点转发来实现信息的传递。网络中采用不同的传感器测量节 点和具有简单执行控制的节点构成无线传感检测网络。其中节点可用来测量土壤 湿度、温度、空气湿度、 PH值、气压、光照强度和CO2浓度等数据，以便知道温 室中的环境状况。最终实现提高作物产量、改善品质、调节生长周期、提高经济 效益的目的。 第 9 页共 34 页 3 系统硬件设计 3.1 单片机的确定 单片机的全称是单片微型计算机（S

17、ingle Chip Microcomputer ） 。为了使用 方便，它把组成计算机的主要功能部件：中央处理器 （CPU ） 、数据存储器（RAM ） 、 程序存储器（ ROM 、EPROM、E2PROM 或 FLASH ） 、定时 / 计数器和各种输入 / 输出接 口电路等都集成在一块半导体芯片上，构成了一个完整的计算机系统。 与通用的 计算机不同， 单片机的指令功能是按照工业控制的要求设计，因此它又被称为微 控制器（ Microcontroller） 19 。 C8051F 系列单片机是完全集成的混合信号片上系统MCU 。具有片内上电复 位、VDD监视器、电压调整器、看门狗定时器和时钟振

18、荡器的C8051F系列单片 机是真正能独立工作的片上系统。FLASH 存储器还具有在系统重新编程能力，可 用于非易失性数据存储，并允许现场更新8051 固件。用户软件对所与外设具有 完全控制，可以关断任意一个或所有外设以节省功耗。 并且相对于传统 8051 单片机， C8051F系列单片机具有更多的优势。首先， C8051F340/1/2/3/4/5/6/7系列器件使用 Silicon Labs 的专利 CIP-51 微控制器 内核。 CIP-51 与 MCS-51 TM 指令集完全兼容，可以使用标准803x/805x 的汇编器 和编译器进行软件开发。 CIP-51 内核具有标准 8052 的

19、所有外设部件，包括4 个 16 位计数器 / 定时器、两个具有扩展波特率配置的全双工UART 、一个增强型 SPI 端口、多达 4352 字节的内部 RAM 、128 字节特殊功能寄存器（ SFR ）地址空间及 多达 40 个 I/O 引脚。 在运行速度上， CIP-51 采用流水线结构，与标准的8051 结构相比指令执行 速度有很大的提高。在一个标准的8051 中，除 MUL 和 DIV 以外所有指令都需要 12 或 24个系统时钟周期， 最大系统时钟频率为12-24MHz 。而对于 CIP-51 内核， 70% 的指令的执行时间为1 或 2 个系统时钟周期，只有4 条指令的执行时间大于 4

20、 个系统时钟周期。 C8051F SoC 系列 MCU 在CIP-51内核和外设方面有几项关键性的改进，提高了 整体性能，更易于在最终应用中使用。 扩展的中断系统向 CIP-51提供16个中断源（标准 8051只有 7个中断源），允 第 10 页共 34 页 许大量的模拟和数字外设中断微控制器。一个中断驱动的系统需要较少的MCU 干 预，因而有更高的执行效率。 在设计一个多任务实时系统时，这些增加的中断源 是非常有用的。 C8051F 系列单片机有多达 9个复位源：上电复位电路（POR ）、片内 VDD 监视 器（当电源电压低于 V RST 时强制复位）、 USB 控制器（ USB 总线复位或

21、 VBUS 状态变 化）、看门狗定时器、时钟丢失检测器、由比较器0提供的电压检测器、软件强 制复位、外部复位输入引脚和FLASH 读/ 写错误保护电路复位。除了POR 、复位输 入引脚及 FLASH 操作错误这三个复位源之外，其他复位源都可以被软件禁止。在 一次上电复位之后的 MCU 初始化期间， WDT 可以被永久性使能。 高速内部振荡器在出厂时已经被校准为12MHz 1.5%。时钟恢复电路允许 内部振荡器与 4 倍时钟乘法器配合， 提供全速方式 USB 时钟源。内部振荡器还被 用作低速方式下的USB时钟源。外部振荡器也可以与4 倍时钟乘法器配合使用。 器件内集成了一个低频振荡器， 可以在功

22、耗关键的应用中使用。 器件内还集成了 外部振荡器驱动电路，允许使用晶体、陶瓷谐振器、电容、RC或外部 CMOS 时钟 源产生系统时钟。 系统时钟可以被配置为使用内部振荡器、外部振荡器或时钟乘 法器输出二分频。 如果需要， 可以在 CPU运行时切换系统时钟振荡源。 低频内部 振荡器或外部振荡器在低功耗系统中是非常有用的，它允许MCU从一个低频率 （节电）的时钟源运行，当需要时再周期性地切换到高速时钟源。 片内 Silicon Labs二线（ C2 ）开发接口允许使用安装在最终应用系统上的 产品 MCU 进行非侵入式（不占用片内资源） 、全速、在系统调试。调试逻辑支持 观察和修改存储器和寄存器，支

23、持断点、单步、运行和停机命令。在使用C2进 行调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。两个C2接口引脚可以与用 户功能共享，使在系统调试功能不占用封装引脚。 每种器件都可在工业温度范围（-45到+85）内用 2.7V-5.25V 的电压工 作。电源电压大于3.6V 时，必须使用内部稳压器。对于USB通信，电源电压最 小 值 为3.0V 。 端 口I/O和 /RST 引 脚 都 容 许5V 的 输 入 信 号 电 压 。 C8051F340/1/2/3/4/5/6/7采用 48脚 TQFP 封装或 32 脚 LQFP 封装。 本次设计我采用的是C8051F340单片机芯片作为主控芯片， 主要

24、原因是因为 第 11 页共 34 页 C8051F340的性能。在 C8051F系列单片机中，它的功能是最全面的。并且我刚 好有这个芯片，这为芯片的获得减少了很大的麻烦。 C8051F340原理框图如图 3.1 所示。 图 3.1 C8051F340 原理框图 C8051F340引脚分布如图 3.2 所示。 第 12 页共 34 页 图 3.2 C8051F340引脚分布图 表 3.1 C8051f340 引脚定义 引脚名称引脚号说明 VDD 10 2.7V-3.6V电源电压输入 GND 7 地 C2CK/RST 13 器件复位。 C2调试接口的时钟信号 C2D 14 C2调试接口的双向数据信

25、号 REGIN 11 稳压器的5V 输入 VBUS 12 VBUS 检测输入 D+ 8 USB的 D+ D- 9 USB的 D- P0.0 6 端口 P0.0 P0.1 5 端口 P0.1 P0.2 4 端口 P0.2 P0.3 3 端口 P0.3 P0.4 2 端口 P0.4 P0.5 1 端口 P0.5 P0.6 48 端口 P0.6 P0.7 47 端口 P0.7 P1.0 46 端口 P1.0 P1.1 45 端口 P1.1 P1.2 44 端口 P1.2 P1.3 43 端口 P1.3 P1.4 42 端口 P1.4 P1.5 41 端口 P1.5 第 13 页共 34 页 引脚名称

26、引脚号说明 P1.6 40 端口 P1.6 P1.7 39 端口 P1.7 P2.0 38 端口 P2.0 P2.1 37 端口 P2.1 P2.2 36 端口 P2.2 P2.3 35 端口 P2.3 P2.4 34 端口 P2.4 P2.5 33 端口 P2.5 P2.6 32 端口 P2.6 P2.7 31 端口 P2.7 P3.0 30 端口 P3.0 P3.1 29 端口 P3.1 P3.2 28 端口 P3.2 P3.3 27 端口 P3.3 P3.4 26 端口 P3.4 P3.5 25 端口 P3.5 P3.6 24 端口 P3.6 P3.7 23 端口 P3.7 P4.0 2

27、2 端口 P4.0 P4.1 21 端口 P4.1 P4.2 20 端口 P4.2 P4.3 19 端口 P4.3 P4.4 18 端口 P4.4 P4.5 17 端口 P4.5 P4.6 16 端口 P4.6 P4.7 15 端口 P4.7 3.2 温湿度传感器的确定 3.2.1 温湿度传感器简介 DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传 感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的 可靠性与卓越的长期稳定性。 传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元 件，并与一个高性能8 位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、 抗干扰

28、能力强、 性价比极高等优点。 每个 DHT11 传感器都在极为精确的湿度校验 室中进行校准。 校准系数以程序的形式储存在OTP 内存中，传感器内部在检测信 号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口， 使系统集成变得简易快 捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20 米以上，使其成为各类应 第 14 页共 34 页 用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。产品为4 针单排引脚封装。连接方便， 特殊封装形式可根据用户需求而提供。DHT11 实物图如图 3.3 所示 图 3.3 DHT11 实物图 DHT11 工作原理： 用户 MCU 发送一次开始信号后 ,DHT11从低功耗模式转换到高速

29、模式, 等待主 机开始信号结束后 ,DHT11发送响应信号 , 送出 40bit的数据 , 并触发一次信号采 集, 用户可选择读取部分数据. 从模式下 ,DHT11 接收到开始信号触发一次温湿度 采集, 如果没有接收到主机发送开始信号,DHT11 不会主动进行温湿度采集 . 采集 数据后转换到低速模式。 通讯过程：总线空闲状态为高电平 , 主机把总线拉低等待DHT11 响应, 主机把 总线拉低必须大于18 毫秒, 保证 DHT11能检测到起始信号。 DHT11接收到主机的 开始信号后 , 等待主机开始信号结束 , 然后发送80us 低电平响应信号 . 主机发送 开始信号结束后 , 延时等待 2

30、0-40us 后, 读取 DHT11 的响应信号 , 主机发送开始信 号后, 可以切换到输入模式 , 或者输出高电平均可 , 总线由上拉电阻拉高。 3.2.2 采集电路的设计 DHT11 的供电电压为 3-5.5V 。 传感器上点以后要等待1S以越过不稳定状态， 在此期间无需发送任何命令。电源引脚（VDD ，GND ）之间可增加一个 100nf 的电 容，用以去耦滤波。温湿度采集电路如图3.4 所示，图中 P2.0 口作为 DHT11 的 数据总线。 第 15 页共 34 页 图 3.4 DHT11 温湿度采集电路 表 3.2 DHT11 引脚定义 引脚名称引脚号说明 VDD 1 供电 3V-

31、5.5V DATA 2 串行数据，单总线 NC 3 空脚，悬空 GND 4 接地，电源负极 3.3 ADC 模数转换器 C8051F340内部有一个 10 位 SAR ADC 和一个差分输入多路选择器。该ADC 工作在 200ksps 的最大采样速率时可提供真正10 位的线性度， INL 为1LSB 。 ADC 系统包含一个可编程的模拟多路选择器，用于选择ADC 的正输入和负输入。 端口 I/O 引脚中的 20 个（48 脚封装）引脚可用作ADC 的输入；另外，片内温度 传感器的输出和电源电压（VDD ）也可以作为 ADC的输入。用户固件可以将ADC 置于关断状态以节省功耗。 A/D转换可以有

32、 6 种启动方式：软件命令、定时器0 溢出、定时器 1 溢出、 定时器 2 溢出、 定时器 3 溢出或外部转换启动信号。 这种灵活性允许用软件事件、 周期性信号 （定时器溢出） 或外部硬件信号触发转换。 一个状态位用于指示转换 完成，或产生中断（如果被允许） 。转换结束后10 位结果数据字被锁存到ADC 数据寄存器中。 第 16 页共 34 页 3.4 无线传感器的确定 3.4.1 无线传感器模块简介 本系统的无线传感器我选用的是nRF24L01无线收发芯片。 nRF24L01 是一款工作在 2.42.5GHz 世界通用 ISM 频段的单片无线收发器芯 片。无线收发器包括 : 频率发生器、增强

33、型 SchockBurstTM 模式控制器、功率放 大器、晶体振荡器、调制器、解调器。输出功率、频道选择和协议的设置可以通 过SPI 接口进行设置。拥有极低的电流消耗：当工作在发射模式下发射功率为 -6dBm 时电流消耗为 9mA ，接收模式时为 12.3mA。掉电模式和待机模式下电流消 耗更低。 nRF24L01 实物图如图 3.5 所示，原理框图如图 3.6 所示。 图3.5 nRH24L01实物图 第 17 页共 34 页 图3.6 nRF24L01原理框图 nRF24L01 的电路原理图如图 3.7 所示 图3.7 nRF24L01原理图 第 18 页共 34 页 3.4.2 无线传感

34、器模块的电路设计 无线模块与单片机连接时的电路图如图3.8 所示。 图3.8 无线模块与 CPU 连接电路图 nRF24L01 无线收发模块的各管脚功能如表3.3 所示。 表3.3 nRF24L01模块引脚功能 引脚名称引脚号说明 VDD 1 电源 1.9V-3.6V 输入 CE 2 工作模式选择，RX 或TX模式 选择 CSN 3 SPI片选使能，低电平使能 SCK 4 SPI时钟 MOSI 5 SPI输入 MISO 6 SPI输出 IRQ 7 中断输出 GND 8 电源地 第 19 页共 34 页 3.5 显示屏的确定 图 3.9 LCD 显示屏电路原理图 3.6 单片机与 PC机的连接

35、UART0 是一个异步、全双工串口，它提供标准 8051 串行口的方式 1 和方式 3。 UART0 具有增强的波特率发生器电路，有多个时钟源可用于产生标准波特率。接 收数据缓冲机制允许UART0在软件尚未读取前一个数据字节的情况下开始接收 第二个输入数据字节。 UART0有两个相关的特殊功能寄存器：串行控制寄存器（SCON0 ）和串行数 据缓冲器（SBUF0 ） 。用同一个 SBUF0 地址可以访问发送寄存器和接收寄存器。写 SBUF0 时自动访问发送寄存器；读SBUF0 时自动访问接收寄存器，不可能从发送 数据寄存器中读数据。 3.7 能源供应模块 电源是整个系统的基础，设计合理的电源电路

36、时不仅要考虑输入、输出电 压，而且要综合考虑体积、 成本及抗干扰问题。 本系统中的无线传感网络在温室 第 20 页共 34 页 大棚环境中有时不方便采用普通有线电缆供电，只能依靠自身携带和存储的能 源，所以综合考虑本系统选择5V锂电池供应能量，电池供电具有工作电压高、 能量密度大、 而且任意面积化和形状化的特点，能够大大提高电池造型设计的灵 活性。 本系统选用 AMS1117 芯片作为电源稳压芯片，其具有最高输出电流达1A、 输出电压精度高达2% 、稳定工作电压范围高达12V、具有限流功能和过热切断等 优点。在本次的设计中能够提供稳定的3.3V 电压。 电源电路如图 3.10 所示。 图 3.

37、10 节点电源电路 第 21 页共 34 页 3.8 系统硬件电路图 图 3.11 硬件电路图 第 22 页共 34 页 4 系统软件设计 4.1 模块软件设计 4.1.1 温湿度采集模块设计 系统上电后，用户 MCU 先发送一次开始信号， DHT11从低功耗转换到高速模 式，等待主机开始信号后，DHT11发送响应信号，触发一次温湿度信号采集, 如 果没有接收到主机发送开始信号，DHT11 不会主动进行温湿度采集。 总线空闲状态为高电平 , 主机把总线拉低等待DHT11响应, 主机把总线拉低 必须大于 18 毫秒, 保证 DHT11 能检测到起始信号。 DHT11接收到主机的开始信号 后, 等

38、待主机开始信号结束 , 然后发送80us 低电平响应信号 . 主机发送开始信号 结束后 , 延时等待 20-40us 后, 读取 DHT11 的响应信号 , 主机发送开始信号后 , 可以 切换到输入模式 , 或者输出高电平均可 , 总线由上拉电阻拉高。 N Y 图 4.1 温湿度模块程序流程图 主机发送 开始信号 总线拉低 大于 18ms DHT11发送 80us 响应信 号 DHT11进行 温湿度采集 主机读取 DHT11 响应 信号 第 23 页共 34 页 4.1.2 无线模块设计 发送模式： 1、 配置寄存器位 PRIM_RX 为低 2、 当MCU 有数据要发送时，接收节点地址（TX_

39、ADDR）和有效数据 (TX_PLD)通过 SPI接口写入 nRF24L01 。 发送数据的长度以字节计数从MCU 写入TX FIFO。 当CSN 为 低时数据被不断的写入。发送端发送完数据后，将通道0设置为接收模式来接收 应答信号，其接收地址 (RX_ADDR_P0) 与接收端地址 (TX_ADDR) 相同。 3、 设置CE 为高，启动发射。 CE 高电平持续时间最小为 10us。 4、 nRF24L01 ShockBurstTM 模式： 无线系统上电 启动内部 16MHz 时钟 无线发送数据打包（见数据包描述） 高速发送数据（由 MCU 设定为 1Mbps 或2Mbps ） 5、 如果启动

40、了自动应答模式（自动重发计数器不等于0，ENAA_P0=1），无线芯 片立即进入接收模式。 如果在有效应答时间范围内收到应答信号，则认为数据成 功发送到了接收端，此时状态寄存器的TX_DS 位置高并把数据从 TX FIFO中清除 掉。如果在设定时间范围内没有接收到应答信号，则重新发送数据。 如果自动重 发计数器（ ARC_CNT）溢出（超过了编程设定的值），则状态寄存器的MAX_RT 位 置高。不清除 TX FIFO 中的数据。当MAX_RT或TX_DS 为高电平时 IRQ引脚产生中断。 IRQ中断通过写状态寄存器来复位（见中断章节）。如果重发次数在达到设定的 最大重发次数时还没有收到应答信号

41、的话，在MAX_RX中断清除之前不会重发数据 包。数据包丢失计数器 (PLOS_CNT) 在每次产生 MAX_RT中断后加一。 也就是说： 重 发计数器 ARC_CNT计算重发数据包次数， PLOS_CNT 计算在达到最大允许重发次数 时仍没有发送成功的数据包个数。 6、 如果CE 置低，则系统进入待机模式I 。如果不设置 CE 为低，则系统会发送 TX FIFO寄存器中下一包数据。如果TX FIFO寄存器为空并且 CE 为高则系统进入待机 模式II. 7、 如果系统在待机模式II ，当 CE置低后系统立即进入待机模式I. 第 24 页共 34 页 N Y 图 4.2 无线模块发送模式程序流程

42、图 接收模式： 1、 ShockBurstTM 接收模式是通过设置寄存器中PRIM_RX 位为高来选择的。准 备接收数据的通道必须被使能（EN_RXADDR 寄存器），所有工作在增强型 ShockBurstTM 模式下的数据通道的自动应答功能是由(EN_AA 寄存器 )来使能 的，有效数据宽度是由 RX_PW_Px 寄存器来设置的。地址的建立过程见增强型 ShockBurstTM 发送章节。 2、 接收模式由设置 CE 为高来启动。 3、 130us 后nRF24L01 开始检测空中信息。 4、接收到有效的数据包后 （地址匹配、CRC 检验正确）， 数据存储在 RX_FIFO 中， 同时RX_

43、DR 位置高，并产生中断。状态寄存器中RX_P_NO 位显示数据是由哪个通 道接收到的。 5、 如果使能自动确认信号，则发送确认信号。 6、 MCU 设置CE 脚为低，进入待机模式 I （低功耗模式）。 配置寄存器 PRIM-RX位 为低 接收节点地 址和有效数 据写入 nRF24L01 设置 CE为高 启动发射 设置 CE为低 进入待机模 式 收到应答信号 第 25 页共 34 页 7、 MCU 将数据以合适的速率通过 SPI 口将数据读出。 8、 芯片准备好进入发送模式、接收模式或掉电模式。 N Y 图 4.3 无线模块接收模式程序流程图 4.2 节点软件设计 4.2.1 发送节点软件设计

44、 发送节点程序流程图如图4.4 所示。 发送节点上电复位后， 首先进行时钟、 SPI 总线、外部存储器接口、 定时器、 LCD显示器、 nRF24L01 、温湿度传感器等的初始化，之后配置nRF24L01无线模 块的工作模式，然后主机向DHT11 温湿度传感器发送开始信号，DHT11 回复一个 响应信号，主机接收到响应信号以后判断开始采集温湿度信号，收到温湿度信号 以后将采集到的信息通过LCD显示器显示出来，把温湿度信息装入发射寄存器， 启动发射，如果发射成功则可以进行下一次数据采集，如果不成功则重新发送。 配置寄存器 PRIM-RX位 为高 使能接收数 据的通道 设置 CE为高 启动接收 接

45、收到数据包， 发送确认信号 设置 CE为低 进入待机模 式 第 26 页共 34 页 Y N 图 4.4 发射结点程序流程图 4.2.2 接收节点软件设计 接收节点程序流程图如图4.5. 接收节点上电复位后，首先进行时钟、SPI 总线、 GPIO通用输入输出接口、 外部存储器接口、 nRF24L01 、LCD显示器、串口等的初始化，之后配置nRF24L01 的工作模式，启动接收，检测是否有新数据，如果有新的数据传过来，则接收新 数据，读取新数据并显示，将数据装入串口缓冲器等待发送给PC上位机，发送 不成功则继续发送，发送成功则再次检测是否有新数据，准备开始下一次接收。 初始化时钟、 SPI 总

46、线、 外部存储器接口、LCD 显示器、 nRF24L01无线 模块、温湿度传感器 nRF24L01 配置模式 数据采集 和显示 将采集到的 数据装入发 射寄存器 开始 发射成功？ 启动发射 第 27 页共 34 页 YN 图 4.5 接收节点程序流程图 初始化时钟、 SPI 总线、定时 器、GPIO通用输入输出接口、 外部存储器接口、nRF24L01 、 LCD显示器、串口 nRF24L01 配置模式 启动接收 判断是否有 新的数据传 送过来 读取接收到的数据 并显示 将数据装入 串口缓冲器 等待发送 开始 判断发送是否 结束 第 28 页共 34 页 5 系统调试 本文的研究重点是温室环境参

47、数无线传感网络监测系统，系统程序采用C 语言编写，使用 Keil uVision软件进行了软件的仿真。 图 5.1 Keil uVision程序编写界面 图 5.2 Keil uVision软件仿真界面 软件仿真成功，之后将程序烧到单片机中，在硬件上调试。 第 29 页共 34 页 图 5.3 温湿度采集及无线传输模块 图 5.4 YH14-SF340X 开发板 第 30 页共 34 页 图 5.5 成功显示温度与湿度 图 5.6 成功实现数据的无线接收和显示 第 31 页共 34 页 6 总结与展望 6.1 工作总结 我国的温室大棚现正处于初级阶段，虽然摆脱了温度的限制， 但是从管理等 方面

48、仍然处于一种原始形态， 温度的监测和控制更多的还是需要人力完成，这是 一种人力资源的浪费。 本课题从理论和实际， 针对我国在温室大棚人力资源的分 配和温室大棚布线困难的问题， 设计出给予无线传感器网络的温室大棚环境监测 系统，实现温室环境参数采集和无线传输。如此一来，以往几个人负责的工作， 现在只需要一个人坐在监控室里就可以轻松完成，真正体现了现代化的优势。 本论文介绍了系统总体设计， 选择了 C8051f340 芯片作为整个系统的硬件核心模 块，进行了发送、接收节点的硬件连接、数据采集外围电路设计，实现温湿度采 集，数据存储，无线传输的功能。 在 Windows xp 操作系统下，使用 Ke

49、il uVision 软件对硬件进行了调试，实现了 硬件的温湿度采集和无线传输功能， 之后使用 CossAssistant软件通过串口实现 数据的上传，能够在PC上位机上显示采集到的数据。 6.2 系统不足与改进方向 因为本学期时间较为仓促， 有很多单片机方面的应用知识没有学会，所以没 有能够完成最开始的设想。以下是一些本系统的不足之处和需要改进的地方： 1. 加入键盘功能， 实现对温湿度上下限的设置， 并能够在温湿度超过上下限时使 用键盘完成对系统的控制。 2. 加入蜂鸣器，使系统能够在温室的温湿度超过上下限时能够报警，提醒工作人 员及时应对。 3. 本次设计仅仅实现了系统的单一对应， 接收节点现在只能接收到一个发送节点 发送的数据， 之后可以制作另外的发送节点并加入到本系统中，使得一个接收节 点可以接收到多个发送节点， 并对其实现温湿度控制， 大大提高工作人员的效率， 减少了资源浪费。 第 32 页共 34 页 参 考 文 献 1 刘丙友，凌有铸 . 基于单片机 AT89C52的多路温、湿度测试系统.1001-9944 （2007）. 2 缪瑾. 西山水泥厂 MCS51 单片机多点温度控制应用系统. 中国水运报，2008,6 （1） ：12. 3