1、物联网系统设计综合实践项目名称 无线环境监测装置模拟 专业班级 物联网 112班 学生学号 2011133056 学生姓名 王海超 指导教师 惠鹏飞 2014 年 11 月 23 日题目：无线环境监测装置模拟姓名：王海超 班级：物联网 112指导老师：惠鹏飞本设计用 18D02 温度传感器在探测端采集周围环境的温度数据，经过单片机处理，由 NRF24L01无线模块发射传输至监测端，实时显示到液晶屏上。同时，在监测端连接一个蜂鸣器，当俩无线模块连接出现问题时，蜂鸣器提示报警。这样确保了对环境的实时监测。物联网工程 112班，姓名 王海超（综合实践课程设计）摘 要在科技飞速发展的今天，环境监测已经
2、逐渐向现代化、自动化、科技化、科学化等发展，在农业、工作环境方面就显得尤为重要，特别是环境监测方面，怎样才能提高作物的产量、怎样的环境才是作物适应的，作物生长需要的什么样的温度、湿度，需要的光照度是多少；怎样才能在危险的区域施工而不用担心事故发生和减少因为外界环境变化而引起的事故。这些信息我们怎样来获得，这就需要我们用科学的力量来解决这个问题，也正因如此，本课题就应运而生了。本系统采用单片机为主控制器。设计的主要思路是通过传感器监测环境温度、湿度的变化和光照的有无，并将采集的数据传输给单片机 AT89S52进行初步处理，再通过带有自定义无线传输协议的电路传送给控制终端，并在控制终端上显示采集到
3、的环境信息。本课题主要由 AT89S52单片机和 NRF24L01无线传输模块制作一个监测探测，基于DS18B20、HS1101 传感器及光敏电阻的温湿度和光强的自动检测系统，监测探测可以分别于各探测节点直接监测，并能传输当前探测到的环境温度、湿度和光照信息给终端节点，配合终端硬件设计完成整个终端部分的软件设计，目的是利用毕业设计的这段时间学习一种利用 AT89S52型单片机对环境进行控制的方法。关键词：单片机，NRF24L01，DS18B20，HS1101； AbstractIn technology rapid development today, environment monitori
4、ng has gradually to modernization and automation, technology and scientific development, such as in agriculture, 物联网工程 112班，姓名 王海超（综合实践课程设计）Iworking environment is particularly important, especially environment monitoring, how to increase crop yield, how to adapt to the environment is the crop, crop
5、 growth need what kind of temperature, humidity, need what is the light; How to in dangerous area construction and dont worry accidents and less because of external environment change and cause accidents. The information we can get, this needs we use the power of science to solve this problem, also
6、because of this, this topic is made.This system mainly adopts single-chip microcomputer controller. Design of the main ideas is through the sensor to monitor the environment temperature, humidity changes and illumination, and will have collected data transmission give monolithic integrated circuit A
7、T89S52 preliminary treatment and then through wireless transmission agreement with custom send control circuits, and in control terminals terminal display on environmental information collected.This thesis mainly by NRF24L01 AT89S52 SCM and wireless transmission module making a monitoring based on D
8、S18B20, HS1101 detection, the temperature and humidity sensor and photoconductive resistance of light intensity, automatic test system for the difference in the monitoring detection can detect nodes directly, monitor, and detects to transmit the current environmental temperature, humidity and light
9、information to the terminal node, with terminal hardware design to complete the whole terminal part of the software design, the purpose is to use of graduation design this time learning a use of AT89S52 SCM control type of environment method.Keywords: Microcontroller, NRF24L01, DS18B20, HS1101, phot
10、oconductive resistance 摘要和目录统一编页码：为，物联网工程 112班，姓名 王海超（综合实践课程设计）0目录摘 要 .IAbstract.II第 1 章 绪论 .11.1 概述 .11.2 无线环境监测技术的研究现状 .11.2.1 温度传感器的概况 .11.2.2 无线传输模块 NRF24L01 的概况 .21.3 本文研究的意义 .2第 2 章 方案设计 .42.1 方案介绍 .42.2 传感器模块 .42.3 主机控制模块 .52.4 显示模块 .52.5 无线收发模块 .5第三章 系统软件设计 .631 系统通信软件设计主机 CPU 程序框图 .632 系统通信
11、软件设计从机 CPU 程序框图 .733温度模块的设计 .8第四章 无线模块设计 .114.1 发射模块 .114.2 接收模块 .13第五章 硬件设计 .17结论 .18参考文献 .19物联网工程 112班，姓名 王海超（综合实践课程设计）1第 1 章 绪论1.1 概述环境监测是一项复杂而又十分细致的工作，温度、湿度、光强、风速、风向监测的工作量很大，一般不允许出错，如果实行手工操作，须人手进行大量复杂的工作，这就会耗费工作人员大量的时间和精力，计算机进行监测控制时，不仅能够保证温湿度等准确无误、而且快速及时，便于工作人员进行随时的监督与控制。1.2 无线环境监测技术的研究现状进入 21 世
12、纪后，无线环境监测系统网络迎来了新一轮的大规模研究和开发，出现了众多的用于军事的研究项目。例如美国陆军的“灵巧传感器网络通信”项目、 “无人值守地面传感器群”项目、 “战场环境侦察与监视系统”项目，还有美国海军的“传感器组网系统”项目、 “网状传感器系统”项目等。这些项目的研究使得美国陆军和海军提高了作战能力，极其显著的是，军队的情报侦察和获取水平产生了质的飞跃。我们可以看到无线环境监测系统网络是新一代的传感器网络，具有非常广泛的应用前景，其发展和应用将会给人类的生活和生产的各个领域带来深远影响。1.2.1 温度传感器的概况最早的温度计是近代科学之父伽利略于 1597年提出的，它是利用空气热膨
13、胀原理的温度计。然而这种温度计使用不便，因此开发了利用酒精和水银热膨胀的热体温度计，这就是最初机械温度计。随着测量技术的发展，出现了温度传感器，例如热电偶，它是基于塞贝克发现热电势效应而制成的。还有热敏电阻，它是根据金属和半导体的电阻随温度的变化而变化的原理而制成的传感器。这些都属于基于物理原理的传感器。而后，又出现了基于模拟电子技术的 PN结传感器，晶体温度传感器等等嘲。当今，由于用于感温的敏感材料越来越多，温度传感器的种类也越来越多。特别是随着计算机技术和电子技术的发展，各种集成式、电子式的温度传感器相继出现，使温度传感技术已经相当成熟。我们用的 DS18B20就是数字温度的一个传感器，D
14、S18B20 数字温度计是 DALLAS公司生产的 1Wire，即单总线器件，具有线路简单，体积小的特点。因此用它来组成一个测温系统，具有线路简单，在一根通信线，可以挂很多这样的数字温度计，十分方便。物联网工程 112班，姓名 王海超（综合实践课程设计）21.2.2 无线传输模块 NRF24L01 的概况近年来， 随着无线通信技术的发展， 无线通讯设备的集成化越来越高。本文介绍了一种选用高性能、低功耗的传输模块。nRF24L01建立一个完整的系统所需的外部元件是晶振、电阻、电容和低成本的MCU,MCU和 nRF24L01通过异步串行口或同步串行口连接。nRF24L01 内嵌了 ANT协议,可以
15、方便地组建无线网络。ANT 是一个无线个人局域网（PAN）通讯技术,可以确保连接数据完整性,并是一个低成本、低功耗无线网络协议。该协议调制方式是采用 GFSK调制,支持星型和端对端等多种组网形式,支持的节点是 2到数千个以上所以,它不但威胁到蓝牙应用还威胁到 Zigbee 应用。NRF24L01 是 NORDIC 公司最近生产的一款无线通信通信芯片，采用 FSK 调制，内部集成 NORDIC 自己 Enhanced Short Burst 协议。可以实现点对点或是 1 对 6 的无线通信。无线通信速度可以达到 2M（bps） 。NORDIC 公司提供通信模块的 GERBER 文件，可以直接加工
16、生产。嵌入式工程师或是单片机爱好者只需要为单片机系统预留 5 个GPIO，1 个中断输入引脚，就可以很容易实现无线通信的功能，非常适合用来为 MCU 系统构建无线通信功能。1.3 本文研究的意义无线环境监测系统网络有着巨大的应用前景，被认为是将对21 世纪产生巨大影响力的技术之一。已有和潜在的传感器应用领域包括：军事侦察、环境监测、医疗、建筑物监测等等。随着传感器技术、无线通信技术、计算技术的不断发展和完善，各种传感器网络将遍布我们生活环境，从而真正实现“无处不在的计算”。以下简要介绍传感器网络的一些应用。在农业生产方面也有重要的应用，最新的农作物环境监测系统，可以对农作物长势、农业灾害和土壤
17、墒情、气候变化等进行监测，从而确保农作物正常生长。在农作物环境监测系统中，每个无线农作物环境监测节点有单片机构成，在每个节点上配置了不同的传感器，包括温度、湿度、光照、盐碱度等。节点间的距离可以达到百米以上，几百个这样的无线节点组成的无线网络，可覆盖百亩以上的土地。每个节点既实时监视该点附近的温度、湿度等情况，同时也无线双向中转信息，将信息传输到天线范围内的其他节点上，这样即使某节点故障，附近的节点也可以建立新的通信链路，确保通信畅通。这样的一套智能无线网络系统，不仅可以自动监视农作物环境，而且能在环境气候发生灾害性变化时及时发出警报。另外，如果加装相应功能的传感器，还可以为高价值农业产品提供
18、防盗功能。物联网工程 112班，姓名 王海超（综合实践课程设计）3在工业方面，由于现场生产环境恶劣，工作人员不能长时间停留在现场观察设备是否运行正常，就需要采集数据并传输数据到一个环境相对好的操控室内，工作人员可以在这里将控制指令传输给现场执行模块进行各种操作。这样就会产生数据传输问题，由于厂房大、需要传输数据多，使用传统的有线数据传输方式就需要铺设很多很长的通讯线，浪费资源，占用空间，可操作性差，出现错误换线困难。而且，当数据采集点处于运动状态、所处的环境不允许或无法铺设电缆时，数据甚至无法传输，此时便需要利用无线传输的方式进行数据采集。物联网工程 112班，姓名 王海超（综合实践课程设计）
19、4第 2 章 方案设计当将单片机用作测控系统时，系统总要有被测信号懂得输入通道，由计算机拾取必要的输入信息。对于测量系统而言，如何准确获得被测信号是其核心任务；而对测控系统来讲，对被控对象状态的测试和对控制条件的监察也是不可缺少的环节。传感器是实现测量与控制的首要环节，是测控系统的关键部件，如果没有传感器对原始被测信号进行准确可靠的捕捉和转换，一切准确的测量和控制都将无法实现。工业生产过程的自动化测量和控制，几乎主要依靠各种传感器来检测和控制生产过程中的各种参量，使设备和系统正常运行在最佳状态，从而保证生产的高效率和高质量。2.1 方案介绍根据题目要求本作品可以分为以下几部分：显示模块、主机控
20、制模块、无线收发模块和环境温度光照检测模块，如图 2.1所示。2.2 传感器模块在多点测温系统中，传统的测温方法是将模拟信号远距离采样，然后进行 AD转换，而为了获得较高的测温精度，就必须采用措施解决由长线传输、多点测量切 换及放大电路零点漂移等造成的误差问题。采用数字温度芯片 DS18B20测量温度， 输出信号全数字化，便于控制，省去传统的测温方法的很多外围电路，且该芯片的 物理化学性很稳定，它能用做工业测温元件。DS18B20 的最大特点之一采用了单总 线的数据传输，测温系统的电路就比较简单，体积也不大，TMS320LF2407 DSP 评估 板只需要一个 I/O就可以带驱动多个 DS18
21、B20，容易实现多点测量，轻松的组建传 感器网络。物联网工程 112班，姓名 王海超（综合实践课程设计）52.3 主机控制模块方案一：采用 51单片机控制系统。单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且有功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点，能满足题目要求。方案二：采用 FPGA（现场可编程逻辑门阵列）作为系统的控制核心。由于 FPGA具有强大的资源，使用方便灵活，易于进行功能扩展，并且可应用 EDA软件仿真、调试，易于进行功能扩展。但其成本偏高，引脚较多，硬件电路布线复杂。根据以上具体分析选择方案一。2.4 显示模块方案一：采用液晶显示屏。液晶显
22、示屏（LCD）具有功耗小、轻薄短小无辐射危险，平面直角显示以及影象稳定不闪烁，可视面积大，画面效果好，抗干扰能力强等特点。方案二：采用四位七段数码显示管分别显示光照的有无、温度的百、十、个位。数码管具有：低能耗、低损耗、低压、寿命长、耐老化，对外界环境要求较低。同时数码管采用 BCD 编码显示数字，程序编译容易，资源占用较少。因此原则方案一2.5 无线收发模块NRF24L01 是 NORDIC 公司最近生产的一款无线通信通信芯片，采用 FSK 调制，内部集成 NORDIC 自己 Enhanced Short Burst 协议。可以实现点对点或是 1 对 6 的无线通信。无线通信速度可以达到 2M（bps） 。NORDIC 公司提供通信模块的 GERBER 文件，可以直接加工生产。嵌入式工程师或是单片机爱好者只需要为单片机系统预 留 5 个GPIO，1 个中断输入引脚，就可以很容易实现无线通信的功能，非常适合 用来为MCU 系统构建无线通信功能。
