無線溫濕度傳感器監(jiān)測節(jié)點設計論文

1、1 緒論1.1 課題的研究背景及研究意義溫室的環(huán)境溫濕度控制與管理是影響生產(chǎn)過程的重要因素。在工業(yè)生產(chǎn)領域的現(xiàn)場，溫濕度的準確測試有著廣泛的意義12。此系統(tǒng)設計的目的在于對溫室的溫濕度監(jiān)測實現(xiàn)自動化，科學化，通過分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，結合農作物生長發(fā)育的規(guī)律，控制環(huán)境條件，使農作物在不適宜生長發(fā)育的反季節(jié)中獲得比自然條件下室外生長更優(yōu)良的環(huán)境，實現(xiàn)對農作物的優(yōu)質，高產(chǎn)，季節(jié)的控制34。目前，基于現(xiàn)場總線技術的監(jiān)測系統(tǒng)、信號的傳輸方式為有線傳輸，由于布線復雜，溫室的濕度高，空氣具有一定的腐蝕性，對系統(tǒng)的可靠性和抗干擾性提出了更高的要求，增加了維護難度，采用無線數(shù)據(jù)傳輸方式能很好的解決這一問題567。因此

2、，在現(xiàn)代化大型溫室中，實現(xiàn)測控系統(tǒng)的無線化和網(wǎng)絡化是目前該領域的重要研究課題之一。為了解決溫室測控系統(tǒng)中存在的有線布網(wǎng)、人工測量等問題，將無線傳感器網(wǎng)絡技術應用到溫室溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)中，對實現(xiàn)現(xiàn)代化溫室的網(wǎng)絡信息化管理和提升溫室生產(chǎn)水平具有重要意義89。由于從國外引進的自動溫濕度測控系統(tǒng)的側重點與我國的氣候特征不相匹配，而且引進投資高，運行維護費用高，很難在我國推廣應用。目前，我國大棚種植的溫濕度測量和設施的操作大多仍然由人工來完成。當溫室較大時，操作人員的勞動強度增加10。因此，設計適應我國氣候條件的低成本高效益的溫濕度無線監(jiān)測系統(tǒng)，對提高我國溫室產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟效益有重要意義11。溫、濕度作為工業(yè)

3、生產(chǎn)中常見的被控參數(shù)，溫度和濕度不再是獨立的量，而應在系統(tǒng)集成中綜合考慮。利用單片機對溫濕度進行控制，具有控溫、濕精度高，功能強，體積小，價格低，簡單靈活等優(yōu)點12。1.2 國內外研究現(xiàn)狀 無線傳感網(wǎng)絡技術是典型的具有交叉學科性質的軍民兩用戰(zhàn)略高技術，可以廣泛應用于GF軍事、國家安全、環(huán)境科學、交通管理、災害預測、醫(yī)療衛(wèi)生、制造業(yè)、城市信息化建設等領域13。無線傳感器網(wǎng)絡(WSNs)是由許多功能相同或不同（各異）的無線傳感器節(jié)點組成，每個傳感器節(jié)點由數(shù)據(jù)采集模塊(傳感器、A/D轉換器)、數(shù)據(jù)處理和控制模塊(微處理器、存儲器)、通信模塊(無線收發(fā)器)和供電模塊(電池、DC/AC能量轉換器)等組成

4、14。近期微電子機械加工(MEMS)技術的發(fā)展為傳感器的微型化提供了可能,微處理技術的發(fā)展促進了傳感器的智能化,通過MEMS技術和射頻(RF)通信技術的融合促進了無線傳感器及其網(wǎng)絡的誕生。傳統(tǒng)的傳感器正逐步實現(xiàn)微型化、智能化、信息化、網(wǎng)絡化正經(jīng)歷著一個從傳統(tǒng)傳感器(Dumb Sensor)智能傳感器(Smart Sensor)嵌入式Web傳感器(Embedded Web Sensor)的內涵不斷豐富的發(fā)展過程。國際上比較有代表性和影響力的無線傳感網(wǎng)絡實用和研發(fā)項目有遙控戰(zhàn)場傳感器系統(tǒng)REMBASS (Remote Battlefield Sensor System)、網(wǎng)絡中心戰(zhàn)(NCW)及靈巧

5、傳感器網(wǎng)絡(SSW)、智能塵(smart dust)、Inte Mote、Smart -Its項目、SensIT、SeaWeb、行為習性監(jiān)控(Habitat Monitoring)項目、英國國家網(wǎng)格等。尤其是今年（2012年）最新試制成功的低成本美軍“狼群”地面無線傳感器網(wǎng)絡標志著電子戰(zhàn)領域技戰(zhàn)術的最新突破。美國俄亥俄州正在開發(fā)“沙地直線”(A LineintheSand)無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)，這個系統(tǒng)能夠散射電子絆網(wǎng)(tripwires)到任何地方,以偵測運動的高金屬含量目標。美日等發(fā)達國家對該技術在民用領域進行了應用。我國現(xiàn)代意義的無線傳感網(wǎng)及其應用研究幾乎與發(fā)達國家同步啟動。1999年首次

6、正式出現(xiàn)于中國科學院知識創(chuàng)新工程試點領域方向研究的信息與自動化領域研究報告中，作為該領域提出的五個重大項目之一。隨著知識創(chuàng)新工程試點工作的深入，2001年中科院依托上海微系統(tǒng)所成立微系統(tǒng)研究與發(fā)展中心,引領院內的相關工作，并通過該中心在無線傳感網(wǎng)的方向上陸續(xù)部署了若干重大研究項目和方向性項目，參加單位包括上海微系統(tǒng)所、聲學所、微電子所、半導體所、電子所、軟件所、中科大等十余個校所,初步建立傳感網(wǎng)絡系統(tǒng)研究平臺,在無線智能傳感網(wǎng)絡通信技術、微型傳感器、傳感器節(jié)點、簇點和應用系統(tǒng)等方面取得很大的進展。2004年9月相關成果在北京進行了大規(guī)模外場演示,部分成果已在實際工程系統(tǒng)中使用。國內的許多高校也

7、掀起了無線傳感器網(wǎng)絡的研究熱潮, 清華大學、中國科技大學、浙江大學、華中科技大學、天津大學、南開大學、北京郵電大學、東北大學、西北工業(yè)大學、西南交通大學、沈陽理工大學和上海交通大學等單位紛紛開展了有關無線傳感器網(wǎng)絡方面的基礎研究工作。一些企業(yè)如中興通訊公司等單位也加入無線傳感器網(wǎng)絡研究的行列。 傳感網(wǎng)在民用方面涉及城市公共安全、公共衛(wèi)生、安全生產(chǎn)、智能交通、智能家居、環(huán)境監(jiān)控等領域。國內從事傳感網(wǎng)應用的大企業(yè)目前為數(shù)不多，小企業(yè)呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展的勢頭。北京鼎天軟件有限公司，主要從事城市公共安全應急指揮系統(tǒng)建設，已經(jīng)承擔揚州電子政務和揚州應急指揮系統(tǒng)。上海電器科學研究院主要從事智能交通方面的工程，已

8、經(jīng)承擔上海市內、外環(huán)智能交通工程。嘉興中科無線傳感網(wǎng)科技有限公司在數(shù)字航道、城市應急系統(tǒng)、機場監(jiān)控等方面有較好的技術背景,相關項目工程正在進行中。沈陽東軟、北大青鳥、億陽信通等企業(yè)也傳感網(wǎng)應用方面有所涉足,目前主要在電子政務方面,正在向公共安全應急指揮系統(tǒng)進發(fā)。目前在我國國內的農業(yè)領域還沒有應用到ZigBee技術。傳統(tǒng)農業(yè)主要使用孤立的、沒有通信能力的機械設備和傳感設備,主要依靠人力監(jiān)測作物的生長狀況。采用了傳感器和ZigBee網(wǎng)絡以后,農業(yè)將可以逐漸地轉向以信息和軟件為中心的生產(chǎn)模式,使用更多的自動化、網(wǎng)絡化、智能化和遠程控制的設備來耕種。傳感器可能收集包括土壤濕度、氮濃度、pH值、降水量、

9、溫度、空氣濕度和氣壓等信息。這些信息和采集信息的地理位置經(jīng)由ZigBee網(wǎng)絡傳送到中央控制設備供農民決策和參考，這樣農民能夠及早而且準確地發(fā)現(xiàn)問題，從而有助于保持并提高農作物的產(chǎn)量15。1.3 設計思路及預期結果1.3.1 設計思路以單片機為核心的控制系統(tǒng)，多點溫濕度數(shù)據(jù)采集，組成多點溫濕度測量的巡回檢測系統(tǒng)，使用實際的溫濕度控制形式實現(xiàn)對溫濕度的控制，并且可以通過鍵盤實現(xiàn)對于不同農作物培養(yǎng)所需溫濕度的上下限控制，并且同步顯示于顯示部分，顯示內容為當前溫濕度，以及溫濕度上下限。并通過無線模塊實現(xiàn)較遠距離的傳輸，免去了布線的難度，同時可以進行多個溫濕度檢測節(jié)點向同一個網(wǎng)關節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)，減少了工作

10、人員的工作量，有效縮減人員的雇傭成本，提高整體效率。1.3.2 預期結果根據(jù)設計方案，預期完成兩套系統(tǒng)。第一套系統(tǒng)包括溫濕度模塊、單片機芯片、LCD顯示屏、無線模塊，主要的功能是將溫濕度模塊采集到的數(shù)據(jù)通過單片機芯片處理后能夠顯示到LCD顯示屏上，并能通過無線模塊發(fā)送。第二套系統(tǒng)包括單片機芯片、LCD顯示屏、無線模塊、UART0串口，主要功能是將第一套系統(tǒng)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)經(jīng)過單片機芯片的處理后能夠顯示在LCD顯示屏上，并能通過UART0串口傳輸?shù)絇C上位機上通過軟件顯示。2 系統(tǒng)設計方案無線傳感器網(wǎng)絡在生活中應用有很多，本章以溫室環(huán)境為背景，介紹了無線溫濕度傳感器節(jié)點設計的整體設計思想與設計方案

11、。2.1 系統(tǒng)設計目標及技術指標2.1.1 系統(tǒng)設計目標無線溫濕度傳感器節(jié)點設計的應用目的是實現(xiàn)溫室的溫濕度自動采集，使工作人員能夠更好、更快地對溫室的溫濕度進行檢測，以確保溫室的溫濕度適合農作物生長。因此，系統(tǒng)應具有以下基本功能：（1） 準確、實時的數(shù)據(jù)采集（2） 系統(tǒng)能夠適應溫室的溫濕度環(huán)境，能夠長期穩(wěn)定的工作（3） 適用性要好，適用范圍要能適用大多數(shù)的農用溫室（4） 具有報警功能，當溫濕度超過或低于所需溫濕度時要能及時報警2.1.2 技術指標從技術層面上，該網(wǎng)絡應達到以下要求：（1） 通信頻段：2.42.4835GHz（2） 通信協(xié)議標準：IEEE 802.1 5.4/ZigBee協(xié)議標

12、準（3） 節(jié)點通信范圍：50-100m（4） 傳感器精度：溫度：1（0-50），濕度：4%RH（25）、5%RH（0-50）2.2 系統(tǒng)體系結構無線溫室監(jiān)控系統(tǒng)主要包括監(jiān)控中心、網(wǎng)關節(jié)點和傳感器節(jié)點三部分，將監(jiān)控系統(tǒng)部署于溫室內，每個溫室部署一定數(shù)量的傳感器類型的節(jié)點，所有節(jié)點將自組織建立無線網(wǎng)絡，并實時將環(huán)境信息上傳到監(jiān)控中心，從而實現(xiàn)監(jiān)測溫室農作物生長環(huán)境的目的。系統(tǒng)的網(wǎng)絡體系結構見圖2.1。圖2.1 無線傳感器網(wǎng)絡體系結構監(jiān)控中心包括一臺計算機系統(tǒng)和一套上位機軟件，實現(xiàn)溫室環(huán)境因素的實時數(shù)據(jù)顯示、存儲、分析以及監(jiān)視，具有人機交互功能。網(wǎng)關節(jié)點在對數(shù)據(jù)進行分析、融合等處理后通過以太網(wǎng)與監(jiān)控

13、中心相連，將數(shù)據(jù)送入監(jiān)控中心。網(wǎng)關節(jié)點的處理能力、存儲能力和通信能力相對較強，它連接傳感器網(wǎng)絡與外界網(wǎng)絡，實現(xiàn)兩種協(xié)議之間的通信協(xié)議轉換，同時發(fā)布管理節(jié)點的監(jiān)測任務，并把收集的數(shù)據(jù)轉發(fā)到外部網(wǎng)絡上。網(wǎng)關節(jié)點既可以是一個具有增強功能的傳感器節(jié)點，也可以是沒有檢測功能僅帶有無線通線接口的特殊通信設備。傳感器節(jié)點通常是一個微型的嵌入式系統(tǒng)，它的處理能力、存儲能力和通信能力相對較弱，通過攜帶能量有限的電池供電。從網(wǎng)絡功能上看，傳感器節(jié)點相當于傳統(tǒng)網(wǎng)絡的前端設備，進行本地信息收集和數(shù)據(jù)處理。傳感器節(jié)點隨即布置在溫室內，執(zhí)行數(shù)據(jù)采集、預處理和傳輸?shù)裙ぷ?，如溫度、濕度、二氧化碳濃度和光照度等信息，采用電池?/p>

14、電，通信距離有限。無線傳感器節(jié)點各模塊組成如圖2.2所示。采集模塊準確地采集環(huán)境參數(shù)，并進行初步處理；處理器模塊用來控制節(jié)點設備、任務調度、能量計算、功能協(xié)調等；通信模塊用于節(jié)點間數(shù)據(jù)的收發(fā)，解決無線通信中載波頻段選擇、信號調制方式、數(shù)據(jù)傳輸速率，編碼方式等問題；電源管理模塊是節(jié)點正常工作的保證。20,21溫濕度顯示無線發(fā)射模塊CPU模塊溫濕度采集模塊圖2.2（上） 無線傳感器節(jié)點發(fā)射模塊設計顯示設備串口通信模塊溫濕度顯示無線接收模塊PC上位機CPU模塊圖2.2（下） 無線傳感器節(jié)點接收模塊設計2.3 方案描述在溫室環(huán)境中，單個溫室可以作為無線傳感器網(wǎng)絡一個測量控制區(qū)，網(wǎng)絡中通過采用經(jīng)過多個節(jié)

15、點轉發(fā)來實現(xiàn)信息的傳遞。網(wǎng)絡中采用不同的傳感器測量節(jié)點和具有簡單執(zhí)行控制的節(jié)點構成無線傳感檢測網(wǎng)絡。其中節(jié)點可用來測量土壤濕度、溫度、空氣濕度、PH值、氣壓、光照強度和CO2濃度等數(shù)據(jù)，以便知道溫室中的環(huán)境狀況。最終實現(xiàn)提高作物產(chǎn)量、改善品質、調節(jié)生長周期、提高經(jīng)濟效益的目的。3 系統(tǒng)硬件設計3.1 單片機的確定單片機的全稱是單片微型計算機（Single Chip Microcomputer）。為了使用方便，它把組成計算機的主要功能部件：中央處理器（CPU）、數(shù)據(jù)存儲器（RAM）、程序存儲器（ROM、EPROM、E2PROM或FLASH）、定時/計數(shù)器和各種輸入/輸出接口電路等都集成在一塊半導

16、體芯片上，構成了一個完整的計算機系統(tǒng)。與通用的計算機不同，單片機的指令功能是按照工業(yè)控制的要求設計，因此它又被稱為微控制器（Microcontroller）19。 C8051F系列單片機是完全集成的混合信號片上系統(tǒng)MCU。具有片內上電復位、VDD監(jiān)視器、電壓調整器、看門狗定時器和時鐘振蕩器的C8051F系列單片機是真正能獨立工作的片上系統(tǒng)。FLASH存儲器還具有在系統(tǒng)重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲，并允許現(xiàn)場更新8051固件。用戶軟件對所與外設具有完全控制，可以關斷任意一個或所有外設以節(jié)省功耗。并且相對于傳統(tǒng)8051單片機，C8051F系列單片機具有更多的優(yōu)勢。首先，C8051F340/

17、1/2/3/4/5/6/7系列器件使用Silicon Labs的專利CIP-51微控制器內核。CIP-51與MCS-51TM指令集完全兼容，可以使用標準803x/805x的匯編器和編譯器進行軟件開發(fā)。CIP-51內核具有標準8052的所有外設部件，包括4個16位計數(shù)器/定時器、兩個具有擴展波特率配置的全雙工UART、一個增強型SPI端口、多達4352字節(jié)的內部RAM、128字節(jié)特殊功能寄存器（SFR）地址空間及多達40個I/O引腳。在運行速度上，CIP-51采用流水線結構，與標準的8051結構相比指令執(zhí)行速度有很大的提高。在一個標準的8051中，除MUL和DIV以外所有指令都需要12或24個系

18、統(tǒng)時鐘周期，最大系統(tǒng)時鐘頻率為12-24MHz。而對于CIP-51內核，70%的指令的執(zhí)行時間為1或2個系統(tǒng)時鐘周期，只有4條指令的執(zhí)行時間大于4個系統(tǒng)時鐘周期。C8051F SoC系列MCU在CIP-51內核和外設方面有幾項關鍵性的改進，提高了整體性能，更易于在最終應用中使用。 擴展的中斷系統(tǒng)向CIP-51提供16個中斷源（標準8051只有7個中斷源），允許大量的模擬和數(shù)字外設中斷微控制器。一個中斷驅動的系統(tǒng)需要較少的MCU干預，因而有更高的執(zhí)行效率。在設計一個多任務實時系統(tǒng)時，這些增加的中斷源是非常有用的。 C8051F系列單片機有多達9個復位源：上電復位電路（POR）、片內VDD監(jiān)視器（

19、當電源電壓低于VRST時強制復位）、USB控制器（USB總線復位或VBUS狀態(tài)變化）、看門狗定時器、時鐘丟失檢測器、由比較器0提供的電壓檢測器、軟件強制復位、外部復位輸入引腳和FLASH讀/寫錯誤保護電路復位。除了POR、復位輸入引腳及FLASH操作錯誤這三個復位源之外，其他復位源都可以被軟件禁止。在一次上電復位之后的MCU初始化期間，WDT可以被永久性使能。 高速內部振蕩器在出廠時已經(jīng)被校準為12MHz ±1.5%。時鐘恢復電路允許內部振蕩器與4倍時鐘乘法器配合，提供全速方式USB時鐘源。內部振蕩器還被用作低速方式下的USB時鐘源。外部振蕩器也可以與4倍時鐘乘法器配合使用。器件內集

20、成了一個低頻振蕩器，可以在功耗關鍵的應用中使用。器件內還集成了外部振蕩器驅動電路，允許使用晶體、陶瓷諧振器、電容、RC或外部CMOS時鐘源產(chǎn)生系統(tǒng)時鐘。系統(tǒng)時鐘可以被配置為使用內部振蕩器、外部振蕩器或時鐘乘法器輸出二分頻。如果需要，可以在CPU運行時切換系統(tǒng)時鐘振蕩源。低頻內部振蕩器或外部振蕩器在低功耗系統(tǒng)中是非常有用的，它允許MCU從一個低頻率（節(jié)電）的時鐘源運行，當需要時再周期性地切換到高速時鐘源。片內Silicon Labs二線（C2）開發(fā)接口允許使用安裝在最終應用系統(tǒng)上的產(chǎn)品MCU進行非侵入式（不占用片內資源）、全速、在系統(tǒng)調試。調試邏輯支持觀察和修改存儲器和寄存器，支持斷點、單步、運

21、行和停機命令。在使用C2進行調試時，所有的模擬和數(shù)字外設都可全功能運行。兩個C2接口引腳可以與用戶功能共享，使在系統(tǒng)調試功能不占用封裝引腳。每種器件都可在工業(yè)溫度范圍（-45到+85）內用2.7V-5.25V的電壓工作。電源電壓大于3.6V時，必須使用內部穩(wěn)壓器。對于USB通信，電源電壓最小值為3.0V。端口I/O和/RST引腳都容許5V的輸入信號電壓。C8051F340/1/2/3/4/5/6/7采用48腳TQFP封裝或32腳LQFP封裝。本次設計我采用的是C8051F340單片機芯片作為主控芯片，主要原因是因為C8051F340的性能。在C8051F系列單片機中，它的功能是最全面的。并且我

22、剛好有這個芯片，這為芯片的獲得減少了很大的麻煩。C8051F340原理框圖如圖3.1所示。圖3.1 C8051F340原理框圖C8051F340引腳分布如圖3.2所示。圖3.2 C8051F340引腳分布圖表3.1 C8051f340 引腳定義引腳名稱引腳號說明VDD102.7V-3.6V電源電壓輸入GND7地C2CK/RST13器件復位。C2調試接口的時鐘信號C2D14C2調試接口的雙向數(shù)據(jù)信號REGIN11穩(wěn)壓器的5V輸入VBUS12VBUS檢測輸入D+8USB的D+D-9USB的D-P0.06端口P0.0P0.15端口P0.1P0.24端口P0.2P0.33端口P0.3P0.42端口P0

23、.4P0.51端口P0.5P0.648端口P0.6P0.747端口P0.7P1.046端口P1.0P1.145端口P1.1P1.244端口P1.2P1.343端口P1.3P1.442端口P1.4P1.541端口P1.5引腳名稱引腳號說明P1.640端口P1.6P1.739端口P1.7P2.038端口P2.0P2.137端口P2.1P2.236端口P2.2P2.335端口P2.3P2.434端口P2.4P2.533端口P2.5P2.632端口P2.6P2.731端口P2.7P3.030端口P3.0P3.129端口P3.1P3.228端口P3.2P3.327端口P3.3P3.426端口P3.4P3

24、.525端口P3.5P3.624端口P3.6P3.723端口P3.7P4.022端口P4.0P4.121端口P4.1P4.220端口P4.2P4.319端口P4.3P4.418端口P4.4P4.517端口P4.5P4.616端口P4.6P4.715端口P4.73.2 溫濕度傳感器的確定3.2.1 溫濕度傳感器簡介DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器。它應用專用的數(shù)字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接。因此該產(chǎn)品具有品質卓越、超快響應、抗干擾

25、能力強、性價比極高等優(yōu)點。每個DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進行校準。校準系數(shù)以程序的形式儲存在OTP內存中，傳感器內部在檢測信號的處理過程中要調用這些校準系數(shù)。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達20米以上，使其成為各類應用甚至最為苛刻的應用場合的最佳選則。產(chǎn)品為4針單排引腳封裝。連接方便，特殊封裝形式可根據(jù)用戶需求而提供。DHT11實物圖如圖3.3所示圖3.3 DHT11實物圖DHT11工作原理： 用戶MCU發(fā)送一次開始信號后,DHT11從低功耗模式轉換到高速模式,等待主機開始信號結束后,DHT11發(fā)送響應信號,送出40bit的數(shù)據(jù),

26、并觸發(fā)一次信號采集,用戶可選擇讀取部分數(shù)據(jù).從模式下,DHT11接收到開始信號觸發(fā)一次溫濕度采集,如果沒有接收到主機發(fā)送開始信號,DHT11不會主動進行溫濕度采集.采集數(shù)據(jù)后轉換到低速模式。 通訊過程：總線空閑狀態(tài)為高電平,主機把總線拉低等待DHT11響應,主機把總線拉低必須大于18毫秒,保證DHT11能檢測到起始信號。DHT11接收到主機的開始信號后,等待主機開始信號結束,然后發(fā)送80us低電平響應信號.主機發(fā)送開始信號結束后,延時等待20-40us后, 讀取DHT11的響應信號,主機發(fā)送開始信號后,可以切換到輸入模式,或者輸出高電平均可, 總線由上拉電阻拉高。 3.2.2 采集電路的設計D

27、HT11的供電電壓為3-5.5V。傳感器上點以后要等待1S以越過不穩(wěn)定狀態(tài)，在此期間無需發(fā)送任何命令。電源引腳（VDD，GND）之間可增加一個100nf的電容，用以去耦濾波。溫濕度采集電路如圖3.4所示，圖中P2.0口作為DHT11的數(shù)據(jù)總線。圖3.4 DHT11溫濕度采集電路表3.2 DHT11引腳定義引腳名稱引腳號說明VDD1供電3V-5.5VDATA2串行數(shù)據(jù)，單總線NC3空腳，懸空GND4接地，電源負極3.3 ADC模數(shù)轉換器C8051F340內部有一個10位SAR ADC和一個差分輸入多路選擇器。該ADC工作在200ksps的最大采樣速率時可提供真正10位的線性度，INL為±

28、;1LSB。ADC系統(tǒng)包含一個可編程的模擬多路選擇器，用于選擇ADC的正輸入和負輸入。端口I/O引腳中的20個（48腳封裝）引腳可用作ADC的輸入；另外，片內溫度傳感器的輸出和電源電壓（VDD）也可以作為ADC的輸入。用戶固件可以將ADC置于關斷狀態(tài)以節(jié)省功耗。A/D轉換可以有6種啟動方式：軟件命令、定時器0溢出、定時器1溢出、定時器2溢出、定時器3溢出或外部轉換啟動信號。這種靈活性允許用軟件事件、周期性信號（定時器溢出）或外部硬件信號觸發(fā)轉換。一個狀態(tài)位用于指示轉換完成，或產(chǎn)生中斷（如果被允許）。轉換結束后10位結果數(shù)據(jù)字被鎖存到ADC數(shù)據(jù)寄存器中。3.4 無線傳感器的確定3.4.1 無線傳

29、感器模塊簡介本系統(tǒng)的無線傳感器我選用的是nRF24L01無線收發(fā)芯片。nRF24L01是一款工作在2.42.5GHz 世界通用ISM 頻段的單片無線收發(fā)器芯片。無線收發(fā)器包括:頻率發(fā)生器、增強型SchockBurstTM 模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器、解調器。輸出功率、頻道選擇和協(xié)議的設置可以通過SPI 接口進行設置。擁有極低的電流消耗：當工作在發(fā)射模式下發(fā)射功率為-6dBm 時電流消耗為9mA，接收模式時為12.3mA。掉電模式和待機模式下電流消耗更低。nRF24L01實物圖如圖3.5所示，原理框圖如圖3.6所示。圖3.5 nRH24L01實物圖圖3.6 nRF24L01原理框

30、圖nRF24L01的電路原理圖如圖3.7所示圖3.7 nRF24L01原理圖3.4.2 無線傳感器模塊的電路設計無線模塊與單片機連接時的電路圖如圖3.8所示。圖3.8 無線模塊與CPU連接電路圖nRF24L01無線收發(fā)模塊的各管腳功能如表3.3所示。表3.3 nRF24L01模塊引腳功能引腳名稱引腳號說明VDD1電源1.9V-3.6V輸入CE2工作模式選擇，RX或TX模式選擇CSN3 SPI片選使能，低電平使能SCK4SPI時鐘MOSI5SPI輸入MISO6SPI輸出IRQ7中斷輸出GND8電源地3.5 顯示屏的確定圖3.9 LCD顯示屏電路原理圖3.6 單片機與PC機的連接UART0是一個異

31、步、全雙工串口，它提供標準8051串行口的方式1和方式3。UART0具有增強的波特率發(fā)生器電路，有多個時鐘源可用于產(chǎn)生標準波特率。接收數(shù)據(jù)緩沖機制允許UART0在軟件尚未讀取前一個數(shù)據(jù)字節(jié)的情況下開始接收第二個輸入數(shù)據(jù)字節(jié)。UART0有兩個相關的特殊功能寄存器：串行控制寄存器（SCON0）和串行數(shù)據(jù)緩沖器（SBUF0）。用同一個SBUF0地址可以訪問發(fā)送寄存器和接收寄存器。寫SBUF0時自動訪問發(fā)送寄存器；讀SBUF0時自動訪問接收寄存器，不可能從發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器中讀數(shù)據(jù)。3.7 能源供應模塊電源是整個系統(tǒng)的基礎，設計合理的電源電路時不僅要考慮輸入、輸出電壓，而且要綜合考慮體積、成本及抗干擾問題

32、。本系統(tǒng)中的無線傳感網(wǎng)絡在溫室大棚環(huán)境中有時不方便采用普通有線電纜供電，只能依靠自身攜帶和存儲的能源，所以綜合考慮本系統(tǒng)選擇5V鋰電池供應能量，電池供電具有工作電壓高、能量密度大、而且任意面積化和形狀化的特點，能夠大大提高電池造型設計的靈活性。本系統(tǒng)選用AMS1117芯片作為電源穩(wěn)壓芯片，其具有最高輸出電流達1A、輸出電壓精度高達2%、穩(wěn)定工作電壓范圍高達12V、具有限流功能和過熱切斷等優(yōu)點。在本次的設計中能夠提供穩(wěn)定的3.3V電壓。電源電路如圖3.10所示。圖3.10 節(jié)點電源電路3.8 系統(tǒng)硬件電路圖圖3.11 硬件電路圖4 系統(tǒng)軟件設計4.1 模塊軟件設計4.1.1 溫濕度采集模塊設計系

33、統(tǒng)上電后，用戶MCU先發(fā)送一次開始信號，DHT11從低功耗轉換到高速模式，等待主機開始信號后，DHT11發(fā)送響應信號，觸發(fā)一次溫濕度信號采集,如果沒有接收到主機發(fā)送開始信號，DHT11不會主動進行溫濕度采集。總線空閑狀態(tài)為高電平,主機把總線拉低等待DHT11響應,主機把總線拉低必須大于18毫秒,保證DHT11能檢測到起始信號。DHT11接收到主機的開始信號后,等待主機開始信號結束,然后發(fā)送80us低電平響應信號.主機發(fā)送開始信號結束后,延時等待20-40us后,讀取DHT11的響應信號,主機發(fā)送開始信號后,可以切換到輸入模式,或者輸出高電平均可, 總線由上拉電阻拉高。主機發(fā)送開始信號總線拉低大

34、于18msDHT11發(fā)送80us響應信號主機讀取DHT11響應信號 NDHT11進行溫濕度采集 Y圖4.1 溫濕度模塊程序流程圖4.1.2 無線模塊設計發(fā)送模式：1、 配置寄存器位PRIM_RX 為低2、 當MCU有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，接收節(jié)點地址（TX_ADDR）和有效數(shù)據(jù)(TX_PLD)通過SPI接口寫入nRF24L01。發(fā)送數(shù)據(jù)的長度以字節(jié)計數(shù)從MCU寫入TX FIFO。當CSN 為低時數(shù)據(jù)被不斷的寫入。發(fā)送端發(fā)送完數(shù)據(jù)后，將通道0設置為接收模式來接收應答信號，其接收地址(RX_ADDR_P0)與接收端地址(TX_ADDR)相同。3、 設置CE為高，啟動發(fā)射。CE高電平持續(xù)時間最小為10us。

35、4、 nRF24L01 ShockBurstTM 模式： 無線系統(tǒng)上電 啟動內部16MHz 時鐘 無線發(fā)送數(shù)據(jù)打包（見數(shù)據(jù)包描述） 高速發(fā)送數(shù)據(jù)（由MCU 設定為1Mbps 或2Mbps）5、 如果啟動了自動應答模式（自動重發(fā)計數(shù)器不等于0，ENAA_P0=1），無線芯片立即進入接收模式。如果在有效應答時間范圍內收到應答信號，則認為數(shù)據(jù)成功發(fā)送到了接收端，此時狀態(tài)寄存器的TX_DS 位置高并把數(shù)據(jù)從TX FIFO中清除掉。如果在設定時間范圍內沒有接收到應答信號，則重新發(fā)送數(shù)據(jù)。如果自動重發(fā)計數(shù)器（ARC_CNT）溢出（超過了編程設定的值），則狀態(tài)寄存器的MAX_RT 位置高。不清除TX FIF

36、O 中的數(shù)據(jù)。當MAX_RT或TX_DS為高電平時IRQ引腳產(chǎn)生中斷。IRQ中斷通過寫狀態(tài)寄存器來復位（見中斷章節(jié)）。如果重發(fā)次數(shù)在達到設定的最大重發(fā)次數(shù)時還沒有收到應答信號的話，在MAX_RX中斷清除之前不會重發(fā)數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)包丟失計數(shù)器(PLOS_CNT)在每次產(chǎn)生MAX_RT中斷后加一。也就是說：重發(fā)計數(shù)器ARC_CNT計算重發(fā)數(shù)據(jù)包次數(shù)，PLOS_CNT 計算在達到最大允許重發(fā)次數(shù)時仍沒有發(fā)送成功的數(shù)據(jù)包個數(shù)。6、 如果CE置低，則系統(tǒng)進入待機模式I。如果不設置CE為低，則系統(tǒng)會發(fā)送TX FIFO寄存器中下一包數(shù)據(jù)。如果TX FIFO寄存器為空并且CE為高則系統(tǒng)進入待機模式II.7、 如

37、果系統(tǒng)在待機模式II，當CE置低后系統(tǒng)立即進入待機模式I.配置寄存器PRIM-RX位為低接收節(jié)點地址和有效數(shù)據(jù)寫入nRF24L01設置CE為高啟動發(fā)射收到應答信號 N設置CE為低進入待機模式 Y圖4.2 無線模塊發(fā)送模式程序流程圖接收模式：1、 ShockBurstTM 接收模式是通過設置寄存器中PRIM_RX 位為高來選擇的。準備接收數(shù)據(jù)的通道必須被使能（EN_RXADDR 寄存器），所有工作在增強型ShockBurstTM 模式下的數(shù)據(jù)通道的自動應答功能是由(EN_AA 寄存器)來使能的，有效數(shù)據(jù)寬度是由RX_PW_Px 寄存器來設置的。地址的建立過程見增強型ShockBurstTM 發(fā)送

38、章節(jié)。2、 接收模式由設置CE為高來啟動。3、 130us后nRF24L01開始檢測空中信息。4、 接收到有效的數(shù)據(jù)包后（地址匹配、CRC 檢驗正確），數(shù)據(jù)存儲在RX_FIFO 中，同時RX_DR位置高，并產(chǎn)生中斷。狀態(tài)寄存器中RX_P_NO 位顯示數(shù)據(jù)是由哪個通道接收到的。5、 如果使能自動確認信號，則發(fā)送確認信號。6、 MCU 設置CE 腳為低，進入待機模式I（低功耗模式）。7、 MCU 將數(shù)據(jù)以合適的速率通過SPI 口將數(shù)據(jù)讀出。8、 芯片準備好進入發(fā)送模式、接收模式或掉電模式。配置寄存器PRIM-RX位為高使能接收數(shù)據(jù)的通道設置CE為高啟動接收接收到數(shù)據(jù)包，發(fā)送確認信號 N設置CE為低

39、進入待機模式 Y圖4.3 無線模塊接收模式程序流程圖4.2 節(jié)點軟件設計4.2.1 發(fā)送節(jié)點軟件設計發(fā)送節(jié)點程序流程圖如圖4.4所示。發(fā)送節(jié)點上電復位后，首先進行時鐘、SPI總線、外部存儲器接口、定時器、LCD顯示器、nRF24L01、溫濕度傳感器等的初始化，之后配置nRF24L01無線模塊的工作模式，然后主機向DHT11溫濕度傳感器發(fā)送開始信號，DHT11回復一個響應信號，主機接收到響應信號以后判斷開始采集溫濕度信號，收到溫濕度信號以后將采集到的信息通過LCD顯示器顯示出來，把溫濕度信息裝入發(fā)射寄存器，啟動發(fā)射，如果發(fā)射成功則可以進行下一次數(shù)據(jù)采集，如果不成功則重新發(fā)送。開始將采集到的數(shù)據(jù)裝

40、入發(fā)射寄存器數(shù)據(jù)采集和顯示nRF24L01配置模式初始化時鐘、SPI總線、外部存儲器接口、LCD顯示器、nRF24L01無線模塊、溫濕度傳感器啟動發(fā)射發(fā)射成功？ Y N圖4.4 發(fā)射結點程序流程圖4.2.2 接收節(jié)點軟件設計接收節(jié)點程序流程圖如圖4.5.接收節(jié)點上電復位后，首先進行時鐘、SPI總線、GPIO通用輸入輸出接口、外部存儲器接口、nRF24L01、LCD顯示器、串口等的初始化，之后配置nRF24L01的工作模式，啟動接收，檢測是否有新數(shù)據(jù)，如果有新的數(shù)據(jù)傳過來，則接收新數(shù)據(jù)，讀取新數(shù)據(jù)并顯示，將數(shù)據(jù)裝入串口緩沖器等待發(fā)送給PC上位機，發(fā)送不成功則繼續(xù)發(fā)送，發(fā)送成功則再次檢測是否有新數(shù)

41、據(jù)，準備開始下一次接收。開始初始化時鐘、SPI總線、定時器、GPIO通用輸入輸出接口、外部存儲器接口、nRF24L01、LCD顯示器、串口nRF24L01配置模式啟動接收判斷是否有新的數(shù)據(jù)傳送過來讀取接收到的數(shù)據(jù)并顯示將數(shù)據(jù)裝入串口緩沖器等待發(fā)送判斷發(fā)送是否結束YN圖4.5 接收節(jié)點程序流程圖5 系統(tǒng)調試 本文的研究重點是溫室環(huán)境參數(shù)無線傳感網(wǎng)絡監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)程序采用C語言編寫，使用Keil uVision軟件進行了軟件的仿真。圖5.1 Keil uVision程序編寫界面圖5.2 Keil uVision軟件仿真界面軟件仿真成功，之后將程序燒到單片機中，在硬件上調試。圖5.3 溫濕度采集及無

42、線傳輸模塊圖5.4 YH14-SF340X開發(fā)板圖5.5 成功顯示溫度與濕度圖5.6 成功實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線接收和顯示6 總結與展望6.1 工作總結我國的溫室大棚現(xiàn)正處于初級階段，雖然擺脫了溫度的限制，但是從管理等方面仍然處于一種原始形態(tài)，溫度的監(jiān)測和控制更多的還是需要人力完成，這是一種人力資源的浪費。本課題從理論和實際，針對我國在溫室大棚人力資源的分配和溫室大棚布線困難的問題，設計出給予無線傳感器網(wǎng)絡的溫室大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)溫室環(huán)境參數(shù)采集和無線傳輸。如此一來，以往幾個人負責的工作，現(xiàn)在只需要一個人坐在監(jiān)控室里就可以輕松完成，真正體現(xiàn)了現(xiàn)代化的優(yōu)勢。本論文介紹了系統(tǒng)總體設計，選擇了C8051

43、f340芯片作為整個系統(tǒng)的硬件核心模塊，進行了發(fā)送、接收節(jié)點的硬件連接、數(shù)據(jù)采集外圍電路設計，實現(xiàn)溫濕度采集，數(shù)據(jù)存儲，無線傳輸?shù)墓δ?。在Windows xp操作系統(tǒng)下，使用Keil uVision軟件對硬件進行了調試，實現(xiàn)了硬件的溫濕度采集和無線傳輸功能，之后使用CossAssistant軟件通過串口實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳，能夠在PC上位機上顯示采集到的數(shù)據(jù)。6.2 系統(tǒng)不足與改進方向因為本學期時間較為倉促，有很多單片機方面的應用知識沒有學會，所以沒有能夠完成最開始的設想。以下是一些本系統(tǒng)的不足之處和需要改進的地方：1.加入鍵盤功能，實現(xiàn)對溫濕度上下限的設置，并能夠在溫濕度超過上下限時使用鍵盤完成對

44、系統(tǒng)的控制。2.加入蜂鳴器，使系統(tǒng)能夠在溫室的溫濕度超過上下限時能夠報警，提醒工作人員及時應對。3.本次設計僅僅實現(xiàn)了系統(tǒng)的單一對應，接收節(jié)點現(xiàn)在只能接收到一個發(fā)送節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，之后可以制作另外的發(fā)送節(jié)點并加入到本系統(tǒng)中，使得一個接收節(jié)點可以接收到多個發(fā)送節(jié)點，并對其實現(xiàn)溫濕度控制，大大提高工作人員的效率，減少了資源浪費。參 考 文 獻1 劉丙友，凌有鑄.基于單片機AT89C52的多路溫、濕度測試系統(tǒng).1001-9944（2007）.2 繆瑾.西山水泥廠MCS51單片機多點溫度控制應用系統(tǒng).中國水運報，2008,6（1）：12.3 郭艷玲,陳利軍.基于AT89C52單片機的溫濕度控制采集系統(tǒng).1001-4462（2007）.4 李麗敏，張玲玉，玄子玉等.單片機溫度測控系統(tǒng)設計.佳木斯大學學報，2008,26（1）：13.5 劉鳳鹍，陳玲玲.基于zigbee的養(yǎng)殖場無線溫濕度監(jiān)測系統(tǒng).吉林化工學院學報，2009,26（3）：13.6 龔怡恒.基于ZigBee技術的無線溫濕度采集系統(tǒng)設計.南京郵電大學學報，2011,6:13.7 龐娜，程德福.基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡的溫室監(jiān)測系統(tǒng)設計.吉林大學學報，2010,28（1）：12.8 曹俊琴，馮家鵬，張愛寶.基于單片機的多通道溫度精確采集系統(tǒng)設計.太