遠程無線傳感網(wǎng)絡的設計

1、1分類號： 學號： U D C ： 密級： 碩碩 士士 學學 位位 論論 文文XXXXXX指指 導導 教教 師師： 申申請請學學位位級級別別 ： 碩 士 專專 業(yè)業(yè) 名名 稱稱： 論文提交日期論文提交日期： 論文答辯日期論文答辯日期 ： 學位授予單位和日期學位授予單位和日期： 答辯委員會主席答辯委員會主席： 論論文文評評閱閱人人 ： 2011 年 5 月 中國 南京2學位論文獨創(chuàng)性聲明：學位論文獨創(chuàng)性聲明：本人所呈交的學位論文是我個人在導師指導下進行的研究工作本人所呈交的學位論文是我個人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地及取得的研究成果。盡我所

2、知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。與我一方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。與我一同工作的同事對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說同工作的同事對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。如不實，本人負全部責任。明并表示了謝意。如不實，本人負全部責任。論文作者（簽名）：論文作者（簽名）： 年年 月月 日日（注：手寫親筆簽名）學位論文使用授權說明學位論文使用授權說明河海大學河海大學、 、中國科學技術信息研究所中國科學技術信息研究所、 、國家圖書館國家圖書館、 、中國學術期中國學術期刊（光盤版）電子雜志社

3、有權保留本人所送交學位論文的復印件或刊（光盤版）電子雜志社有權保留本人所送交學位論文的復印件或電子文檔，可以采用影印電子文檔，可以采用影印、 、縮印或其他復制手段保存論文縮印或其他復制手段保存論文。 。本人電子本人電子文檔的內(nèi)容和紙質論文的內(nèi)容相一致文檔的內(nèi)容和紙質論文的內(nèi)容相一致。 。除在保密期內(nèi)的保密論文外，除在保密期內(nèi)的保密論文外，允許論文被查閱和借閱允許論文被查閱和借閱。 。論文全部或部分內(nèi)容的公布論文全部或部分內(nèi)容的公布( (包括刊登包括刊登) )授權授權河海大學研究生院辦理河海大學研究生院辦理。 。論文作者（簽名）：論文作者（簽名）： 年年 月月 日日（注：手寫親筆簽名）3摘要摘要

4、本文主要研究的課題是遠程無線傳感網(wǎng)絡的設計，該系統(tǒng)主要以遠程溫度采集為例。系統(tǒng)具備低功耗、抗干擾能力強、大容量、實時采集、數(shù)據(jù)傳輸安全可靠等特點。文中提出設計思路：主機通過無線傳輸模塊將多達 255 臺分機（前端數(shù)據(jù)采集裝置）和其連接起來，主機發(fā)送標準的 MODBUS(RTU)訪問命令控制各個分機（前端數(shù)據(jù)采集裝置）工作。并對采集的數(shù)據(jù)進行分析、計算；分機（前端數(shù)據(jù)采集裝置）主要完成響應主機命令，完成相應的功能，如：數(shù)據(jù)采集、回傳采樣數(shù)據(jù)等。采用射頻無線的方式來實現(xiàn)主機與分機之間的信息交換，基于 ModBus（RTU）通訊協(xié)議對數(shù)據(jù)進行無線傳輸。采用的工作方式為半雙工，頻率對應在 ISM 頻段

5、，不需要申請。系統(tǒng)中每臺分機可采集 4 路數(shù)據(jù)，并可實時監(jiān)控分機的電源電壓。本文主要應用 ARM7 芯片（LPC2132） 、運放LM358、差分放大器 IN1117、無線收發(fā)模塊 NRF905 等芯片設計制作了無線數(shù)據(jù)采集電路。使用 ARM/C 語言完成了整個系統(tǒng)的軟件設計及調(diào)試。最后還描述了本系統(tǒng)的控制方法及一般控制流程，系統(tǒng)的調(diào)試過程和結果。關鍵詞：關鍵詞：無線傳輸 數(shù)據(jù)采集 ModBus 射頻4AbstractThis article mainly discusses wireless data acquisition analysis system , it mainly uses

6、to the aspect of exterminating motorcycle. This system has the characteristic such as low power loss, the strong antijamming ability, large capacity, real-time gathering, the data transmission safe is reliable. In the article, it proposes the design mentality. The main engine will reach 255 extensio

7、n telephones through the wireless transmission module (front end data acquisition installment) and their connect, transmission standard MODBUS (RTU) visits the order to control each extension telephone (front end data acquisition installment) to work. And it carries on operation and on analysis, com

8、putation to the gathering data, draws up each gathering history diagram of curves. The extension telephone (front end data acquisition installment) mainly completes the response main engine order, completes the corresponding function, for example: data acquisition, feedback sampling data and so on.

9、The main engine and the extension telephone exchange of information by the radio frequency wireless way realization, the data wireless transmission follows ModBus (RTU) the communication agreement. Using the half-duplex the work way, the frequency work in the ISM frequency band, does not need to app

10、ly. In the system each extension telephone may gather 4 ways according to, and may the real-time monitoring extension telephone supply voltage. This article mainly using the ARM7 chip (LPC2132), transported puts LM358, differential amplifier IN1117, chip design and so on wireless receiving and dispa

11、tching module NRF905 has manufactured the wireless data acquisition electric circuit. With ARM/The C language has completed the overall system software design and the debugging. Finally it also describes this system control method and the general control flow, the system debugging process and the re

12、sult.Keywords: Wireless Transmission Data Collection ModBus RF 5目錄摘要摘要.3ABSTRACT.4第一章第一章 緒論緒論.61.11.1課題背景課題背景.61.21.2國內(nèi)外發(fā)展的現(xiàn)狀國內(nèi)外發(fā)展的現(xiàn)狀.71.2.11.2.1 國內(nèi)發(fā)展的現(xiàn)狀國內(nèi)發(fā)展的現(xiàn)狀.71.2.21.2.2 國外應用現(xiàn)狀國外應用現(xiàn)狀.101.3 對設計任務的分析 .111.4 預 期 結 果.121.5 論文的結構安排.12第二章第二章總體方案設計總體方案設計.132.12.1 無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)的特點無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)的特點 .132.22.2 系統(tǒng)總體方

13、案設計與論證系統(tǒng)總體方案設計與論證 .142.32.3 設計任務設計任務.162.42.4 系統(tǒng)組成及工作原理系統(tǒng)組成及工作原理.162.4.12.4.1 系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成.162.4.22.4.2 工作原理工作原理.172.52.5 主要器件選擇與介紹主要器件選擇與介紹.182.5.12.5.1 ARMARM 處理器處理器 LPC2132LPC2132.182.5.22.5.2 結構概述結構概述.192.5.32.5.3 ARM7ARM7 處理器處理器.202.5.42.5.4 程序存儲器程序存儲器- -片內(nèi)片內(nèi) FLASHFLASH.202.5.52.5.5 功能框圖功能框圖.212.62

14、.6 NRFNRF 芯片芯片 NRF905NRF905.222 26 61 1 特點特點.232.7 溫度采集模塊.312.7.1 DS18B20 的管腳配置和內(nèi)部結構.322.7.2 單總線介紹.332.7.3 DS18B20的工作原理.342.82.8、串口電平轉換芯片、串口電平轉換芯片 .36第三章第三章 硬件電路設計硬件電路設計.373.13.1 無線模塊電源電路無線模塊電源電路 .373.1.1 無線收發(fā)部分：采用成品無線收發(fā)模塊 NRF905。.373.1.23.1.2 2.4G2.4G 射頻雙向功放電路設計射頻雙向功放電路設計.383.1.2.3、低噪聲放大（、低噪聲放大（LNA

15、）電路的設計）電路的設計.403.1.2.4、功率檢測的電路設計、功率檢測的電路設計.413.1.2.6 天線選擇天線選擇.423.33.3、結論、結論 .443.43.4、 ARMARM 主機控制電路主機控制電路.44第四章第四章 軟件設計軟件設計.4664.14.1 通訊協(xié)議的設計通訊協(xié)議的設計.464.24.2 采樣控制采樣控制.494.34.3 ARMARM 與與 NRF905NRF905 的接口及軟件設計的接口及軟件設計.504.44.4 主程序流程圖主程序流程圖.564.54.5主機界面設計說明主機界面設計說明.574.5.14.5.1 數(shù)據(jù)讀取界面設計數(shù)據(jù)讀取界面設計.584.5

16、4.52 2 液晶顯示界面設計液晶顯示界面設計.594.6 溫度檢測.594.7 無線發(fā)射模塊的軟件設計.614.8 無線接收模塊軟件設計.624.9 軟件的總體設計 .624.9.1 發(fā)送部分.624.9.2 接收部分.634.10 本章小結.64第五章第五章 系統(tǒng)調(diào)試系統(tǒng)調(diào)試.655.15.1主機與分機的通訊調(diào)試主機與分機的通訊調(diào)試.65第六章第六章總結與展望總結與展望.666.16.1 總結總結 .666.2 展望.66致謝致謝.68參考文獻參考文獻.697第一章第一章 緒論緒論在這一章中主要介紹了無線傳感器的研究背景，以及其在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，最后提出本文研究的主要內(nèi)容。1.11.1課

17、題背景課題背景在我們當今時代，無線已經(jīng)存在我們的每一個角落。出門：我們給家人朋友打電話，發(fā)短信；在家：我們應用可移動電話；開車：GPS 導航尋路；上班：我們采用無線網(wǎng)卡上網(wǎng)，辦公等等。伴隨著科技的進步，我們生活的方方面面將要融入無線通訊和無線網(wǎng)，我們也將迎來嵌入式無線網(wǎng)絡的時代，近年來市場上以無線片上系統(tǒng)(SoC)為核心的無線通訊和網(wǎng)絡系統(tǒng)得到了迅速的發(fā)展其主要是低功耗，體積小，價格低。傳統(tǒng)的傳感器采集系統(tǒng)是有線的，如果要采集多個地方的數(shù)據(jù)，布線將變的非常復雜，如果距離稍遠些數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃詫⒋蟠蠼档?、并且?shù)據(jù)傳輸速度也慢！如果我們采用無線數(shù)傳方案，只需要在要采集數(shù)據(jù)的地方放置幾個有無線收發(fā)模

18、塊的前端數(shù)據(jù)采集裝置（分機） 。手中只需一個有無線收發(fā)模塊的主機，我們就可以管理那些前端的數(shù)據(jù)采集裝置工作。并且主機具有良好的人機交互界面，操作簡單，界面美觀、清晰，達到實用的目的！這種計算機技術和射頻無線技術相結合的無線數(shù)據(jù)采集技術將大大減輕人們的工作量。目前，新興的無線傳輸技術“藍牙科技 BLUETOOTH” 、 “nRF 技術”以無方向性與穿墻性的優(yōu)勢，迅速席卷市場；而“紅外線傳輸 IrDA”為應用較成熟普及的技術；紅外傳輸（IrDA）技術雖然很普及、很成熟，但是其距離太短，抗干擾能力差，傳輸速度慢；藍牙科技（BLUETOOTH）雖然具有無方向性與穿墻優(yōu)勢，但是它開發(fā)成本高、軟件及其協(xié)議

19、編程不但復雜，傳輸距離只有 10M；而 nRF 方案集成了全部 RF 和基帶處理，真正的單片化，具有成本更低、功耗更低、協(xié)議簡單、軟件開發(fā)更簡易等特點，傳輸幾十米、數(shù)百米，甚至更遠，其開發(fā)成本也遠遠低與藍牙 。由挪威 Nordic 公司制造的無線通信芯片產(chǎn)品（NRF 系列）收發(fā)合一，工作8頻率絕大部分都是采用國際通用的 ISM 頻段，應用發(fā)射功率低、靈敏度高的接受設計，因此應用時會對周圍產(chǎn)生很小的干擾，無需申請許可證，傳輸速率為2076.8kbit/s，而在諸如遠程抄表、雙向無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)葢妙I域，完全可以滿足其要求。這種低成本無線通信技術和解決方案適合中國國情，相信將會在中國擁有更廣闊的市場

20、前景。1.21.2 國內(nèi)外發(fā)展的現(xiàn)狀國內(nèi)外發(fā)展的現(xiàn)狀1.2.11.2.1 國內(nèi)發(fā)展的現(xiàn)狀國內(nèi)發(fā)展的現(xiàn)狀 由上文的研究背景可以得知，無線傳感器的發(fā)展的快慢速度是由無線傳輸技術的發(fā)展決定的，但總體而言，其基本思路大致相同，采集信號大部分都是采用微處理器來實現(xiàn)，再由無線模塊進行傳輸，國內(nèi)對無線傳感器的各種設計方案中，最大的異點就是對無線傳輸模塊的采用。在下面我們將要簡要的對國內(nèi)的一些無線傳感器的設計和使用做一些介紹。在無線傳輸距離比較近的場合，通常都是采用載波技術，來對發(fā)送的信號進行調(diào)制、解調(diào)。以無線通信模塊 PTRS000 為例，PTR8000 無線通信模塊在 433/868/915MHz 三個頻

21、段川可以進行工作。如圖 1-1 所示: 圖 1-1 PTR8000 構成的無線傳感器PTRS(X)0 無線通信模塊主要應用于門禁系統(tǒng)、無線抄表、小區(qū)傳呼、小型9無線數(shù)據(jù)終端等場合。對于無線通訊部分采用藍牙也可以實現(xiàn):該技術是支持短距離無線傳輸?shù)?，其相互接受的距離大概是 10 米左右，工作在波段為 2.4GM。低成本的藍牙通訊，可以將在傳輸范圍內(nèi)的計算機和通訊設備建立連接并且代替復雜的電纜線能。也就是這些讓它在智能家居和一些家電遙控中得到了廣泛的應用。ZigBee 技術在無線傳感器技術中也是得到了廣泛應用，例如家居的智能化、應用于水質監(jiān)測、對工業(yè)現(xiàn)場的溫濕度等物理量的無線測量。Zigbee 是

22、IEEE802.15.4 無線傳輸協(xié)議的代名詞，具有 100 米左右的傳輸距離。其最大的特點為:低功耗，時延短，成本低，可靠，網(wǎng)絡容量大等。Zigbee 的技術應用如下：圖 1-2 Zigbee 構成的無線傳感器上面介紹的都是對使用范圍較近的無線傳感器，在國內(nèi)也有些地方使用一些實用范圍廣泛的。首先，已經(jīng)在醫(yī)療檢測中使用的 CDMA 的無線傳感器。離城市較遠的鄉(xiāng)村，交通不便，是行醫(yī)具有一定的困難，這種利用 CDMA 傳感器能夠及時準確的將病人現(xiàn)時的呼吸、血壓等生理參數(shù)輸送到遠程的醫(yī)療中心。在一端的醫(yī)生專家們根據(jù)生理參數(shù)，可以及時的了解病人情況，從而提供一些遠程指導。在下圖中，將簡要介紹一下基于

23、CDMA 的無線傳感器：10基于 GSM 的無線傳感器也在國內(nèi)得到了采用。GSM 網(wǎng)絡屬于第二代移動通訊技術，作為一種遠程通訊技術代表，經(jīng)過多年研究發(fā)展該技術已十分成熟。覆蓋范圍廣泛是該技術的一個重要的特點，基本上可達到每個區(qū)域，并且具有十分便宜的其短信業(yè)務 (sMs)。當今國內(nèi)主要將該技術應用于報警系統(tǒng)，例如火災、煙霧等報警系統(tǒng)。其大體結構如下:圖 1-4 GSM 無線傳感網(wǎng)絡1.2.21.2.2 國外應用現(xiàn)狀國外應用現(xiàn)狀在國外對無線傳感器也得到十分廣泛的應用，其主要在建筑安全監(jiān)測、家庭環(huán)境監(jiān)測等方面得到了應用。上文我們提到，無線傳感器的發(fā)展快慢決定于無線通訊技術的發(fā)展，而國內(nèi)外對無線通訊所

24、采用的方法和手段都是一樣的，因此其無線傳感器的原理和國內(nèi)沒有多大的差別，也就是在一些應用方面有所11不同。基于此我們也就在這里簡要的介紹一些無線傳感器的應用，通過對一些國外文獻的查閱，我們將要介紹下面幾種應用。最開始將要介紹在安防系統(tǒng)中得到廣泛應用的藍牙技術，在上文對藍牙技術有所介紹，在這里就不在重復。在傳感器接受的裝置較遠時想要獲取信息就要要一些中繼來進行中途傳輸，這是因為藍牙的近距離傳輸?shù)脑?。因此要建立一個安防系統(tǒng)就要具備傳感器節(jié)點、中繼節(jié)點、控制節(jié)點三個部分。當有人在沒有經(jīng)過允許的情況下進出時被傳感器節(jié)點檢測到時，就會通過中繼節(jié)點然后傳輸?shù)娇刂乒?jié)點，控制節(jié)點再通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到本地傳

25、輸中心，本地傳輸中心通過 Intemet 傳輸?shù)街行陌踩刂葡到y(tǒng)。該無線傳感器通過藍牙采用中繼傳輸，然后本地監(jiān)測的系統(tǒng)通過本地安全中心處理，然后通過 Intemet 傳輸?shù)街行陌踩刂葡到y(tǒng)。中心安全系統(tǒng)可以同時接受到多個本地安全控制系統(tǒng)的信息，從而達到集中監(jiān)測得目的。圖 1-5 藍牙構成的無線傳感網(wǎng)絡在國外的應用中，無線傳感器己經(jīng)應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，用來檢測農(nóng)作物生長的溫度、濕度以及二氧化碳的含量，根據(jù)這些成分參數(shù)調(diào)整培育策略。無限傳感器的設計方法是:首先采用溫度、濕度、成分等傳感器來測量，采用單片機來處理，然后通過 CC2420 來傳輸。CC2420 采用 802.15.4 協(xié)議，傳輸距離可到

26、上百米，其應用框圖如下:12圖 1-6 CC2420 構成額無線傳感網(wǎng)絡1.31.3 對設計任務的分析對設計任務的分析本系統(tǒng)的設計采用了工作于 2.4GHz 頻段 nRF905 射頻芯片，并有低功耗單片機 LPC2132 控制實現(xiàn)遠距離無線數(shù)據(jù)通信。該接口設計具有成本低、功耗低、傳輸速率高、軟件設計簡單以及通信穩(wěn)定可靠等特點。整個系統(tǒng)有發(fā)送和接收二部分，通過 nRF905 無線數(shù)據(jù)通信收發(fā)模塊來實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸。發(fā)送部分以單片機 LPC2132 為核心。將采集的傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過無線傳送方式發(fā)送給接收部分，然后再在主機上顯示。本系統(tǒng)的核心控制芯片選用的是LPC2132。單片機在各個技術領域

27、中的迅猛發(fā)展，與單片機所構成的計算機應用系統(tǒng)的特點有關：（1）單片機構成的應用系統(tǒng)有較大的可靠性；（2）系統(tǒng)構建簡潔、易行，能方便的實現(xiàn)系統(tǒng)功能；（3）由于構成的系統(tǒng)是一個計算機系統(tǒng)，相當多的功能由軟件實現(xiàn)，故具有柔性特點和優(yōu)異的性能價格比；對 LPC2132 可以制作兩個最小系統(tǒng)（一個控制發(fā)送端，一個控制接受部分）最小系統(tǒng)包括電源電路，下載電路采用 JTAG 接口及主控芯片和一些基本外圍電路。13無線收發(fā)模塊采用挪威(Nordic)公司生產(chǎn)的 nRF905 及其外圍電路組成，軟件部分要熟悉內(nèi)部的標志及控制寄存器以及數(shù)據(jù)通道，發(fā)射頻率功率及收發(fā)模式等以利于編程。1.41.4 預預 期期 結結

28、果果采用 LPC2132 單片機作為主控 CPU，DS18B20 作為溫度采集模塊，nRF905作為無線收發(fā)模塊。完成遠程無線傳感網(wǎng)絡的設計和溫度的傳輸。要求完成硬件模塊的設計和電路板的制作。軟件模塊包括溫度檢測模塊、無線發(fā)射模塊、無線接收模塊和顯示模塊。1.5 論文的結構安排論文的結構安排本文基于本次畢業(yè)設計的過程與要求，將論文分為五章。具體內(nèi)容如下：第 1 章 緒論 本章簡單介紹了課題的研究背景、目的和意義，無線傳感網(wǎng)絡國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和相關領域中已有的研究結果，該設計的預期結果和意義。第 2 章 系統(tǒng)總體方案介紹 本章介紹了本次畢業(yè)設計的主控芯片及相應的編程環(huán)境，讓我們熟悉了整個系統(tǒng)的調(diào)試

29、方法。第 3 章 硬件系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 本章介紹本課題硬件系統(tǒng)各部分電路的設計、實現(xiàn)，講述了各模塊的功能。第 4 章軟件 系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 本章根據(jù)系統(tǒng)的總方案，設計出程序的總流程圖，并利用 C 語言編寫相應的程序。第 5 章系統(tǒng)的調(diào)試及實驗結果 本章根據(jù)已有的軟硬件，進行調(diào)試，得到的相應成果。最后總結本論文，得出相關結論。14第二章第二章總體方案設計總體方案設計2.12.1 無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)的特點無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)的特點目前市場上銷售的無線傳感數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)千差萬別，形式各異。但就一套配置齊全、性能良好的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)而言，概括起來不外乎由傳感器、 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、 無線收發(fā)模塊等幾個主要部

30、分組成，如框圖 2-1 所示圖 2-1 無線傳感網(wǎng)絡組成框圖從圖中可以看出無線傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由主機和前端數(shù)據(jù)采集裝置(單片機)組成。主機主要完成的任務是：控制各前端數(shù)據(jù)采集裝置（分機），對采集數(shù)據(jù)的實時處理和顯示；分機主要的功能是：接收主機命令，完成相應的功能（如完成數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸控制）。主機和分機的信息交換以射頻無線（nRF技術）的方式實現(xiàn)，采用半雙工的工作方式，通訊協(xié)議采用標準的 MODBUS(RTU)協(xié)議。GFSK 頻率工作在 ISM 頻段，不需要申請。主機可連接多達 255 臺分機，每分機可采集 4 路數(shù)據(jù)，并可實時監(jiān)控分機的工作狀態(tài)，采集速度及緩存容量均可通過軟件編程設定。整

31、個系統(tǒng)可隨時通過 RS232 接口更新軟件，方便以后系統(tǒng)升級！152.22.2 系統(tǒng)總體方案設計與論證系統(tǒng)總體方案設計與論證根據(jù)前面的介紹，我們知道目前新興的短距離無線傳輸技術有：紅外線傳輸 IrDA，藍牙科技 BLUETOOTH，nRF 技術（事實上 nRF 并不是一種協(xié)議，只是由于其 NORDIC 公司的 nRF 芯片應用十分廣泛，因此在此與 Bluetooth 和 IrDA等協(xié)議相提并論）。由于紅外線傳輸 IrDA 距離太短，抗干擾能力差，傳輸速度慢，所以舍棄這種方案。下面僅將藍牙與 nRF 作比較：表 2.1 藍牙與 nRF 方案比較方案硬件設計接口方式編程通訊速率通信距離藍牙方案由多

32、個芯片組成，由發(fā)射接收處理，基帶處理等多個芯片組成，硬件較復雜。復雜，時序要求相當嚴格。具有復雜的通信協(xié)議和軟件堆棧，需要較長時間熟悉。300-400Kbps10米nRF方案高頻電感和濾波器等已全部內(nèi)置，外圍元件需要量較少。簡便，只需和單片機I/O口或SPI口相連。編程較方便。100-1MKbps室內(nèi)約30-100米， 室外約100-500米。比較nRF方案集成了內(nèi)部RF和基帶處理，真正的單片化，設計調(diào)試容易，成本低。nRF較為方便。nRF方案開發(fā)周期短。nRF速率較高，更適合多頻道的數(shù)據(jù)傳輸。nRF距離更遠，更適合無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。從上面的比較可以看出，采用nRF方案要優(yōu)于藍牙。因此，本系統(tǒng)

33、初步選定NORDIC公司生產(chǎn)的nRF905芯片作為系統(tǒng)無線收發(fā)模塊的核心。 上表中的“通信距離”中給出的數(shù)值源于媒體的報道與推廣該芯片的公司給出的宣傳材料，下面我們根據(jù)nRF905 Datasheet中給出的一些器件參數(shù)來計算nRF905的通信距離。 首先給出了在自由的空間傳播數(shù)據(jù)時的無線的通信距離計算方法（其中自由空間傳播是指的是天線周圍的范圍無限大，而且是理想的電波進行傳播。在自由空間進行電波傳播時，電波的能量不會發(fā)生散射或反射。也不會被障礙物所吸收。這樣無線模塊的通信距離就與發(fā)射的功率、接收的靈敏度和工作的頻16率有關 ：Lfs(dB)=32.440+20lgd(km)+20lgf(MH

34、z) 此式即為自由空間下電波傳播的損耗公式，式中 Lfs 為傳輸?shù)膿p耗，d 為傳輸?shù)木嚯x，頻率單位以 MHz 計算。 在上式中可見，在自由空間中的電波傳輸?shù)膿p耗（亦稱衰減）只與工作頻率 f 和傳播距離 d 有關，當 f 或 d 增大一倍時，Lfs分別增加了 6dB. 下面計算nRF905的理論通信距離。 根據(jù)905的Datasheet，其發(fā)射的功率為10dBm，接收的靈敏度-100dbm，工作頻率為433.2MHz。由式計算得到：d=17.5Km。這種傳輸距離是理想狀態(tài)下的，往往在實際應用中時會低于該值，這是由于外界的各種因素的干擾，如大氣、障礙物、多徑等對其造成的損耗，我們將上述的損耗值代入

35、上式，就可以計算出一個近似的通信距離。 假設損耗為40dB，那么就可以計算得出通信距離為：d=180M。通過上面的論證，我們不難看出nRF905在“傳輸速率”、“距離”、“接口簡便性”等方面完全可以滿足本系統(tǒng)的要求。因此，本無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)最終選擇nRF905芯片作為本系統(tǒng)的無線收發(fā)的核心。2.32.3 設計任務設計任務本遠程無線傳感器網(wǎng)絡設計的主要目標，概括出如下：1、確定能滿足要求的總體方案及所需元件型號。 2、用 Altium Designer 6.0 完成原理圖的設計，PCB 圖繪制，制作電路板。 3、設計通訊協(xié)議。 4、熟悉 ARM 單片機 LPC2132 和無線收發(fā)芯片 nRF90

36、5 的使用。 5、用 ARM/C 開發(fā)工具 ARM Developer Suite 進行 ARM 程序編程，完成與整個系統(tǒng)軟件的設計。6、在主機上設計一簡單的人機操作界面，完成各個功能軟件的調(diào)試，使其操作簡單，界面美觀、清晰，達到實用的目的。172.42.4 系統(tǒng)組成及工作原理系統(tǒng)組成及工作原理2.4.12.4.1 系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成系統(tǒng)框圖如圖 2-2 所示，從圖可以看出點對多點式無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)分為兩大部分：主機和分機。分機如圖 2-3 所示：主要由傳感器、前級處理電路、帶有 A/D 轉換的 ARM 單片機 LPC2132、無線收發(fā)模塊 nRF905、以及射頻功率放大器組成；主機如圖 2-4

37、 所示：由 ARM 單片機 LPC2132、無線收發(fā)模塊nRF905、射頻功率放大器組成。圖 2-2 系統(tǒng)框圖 圖 2-3 分機原理框圖182.4.22.4.2 工作原理工作原理無線傳感器網(wǎng)絡主機部分是基于一個支持實時仿真和跟蹤的 32 位ARM7TDMI-STMCPU 的微控制器的平臺上設計的，而 ARM7TDMI-S 使用了流水線技術，處理和存儲系統(tǒng)的所有部分都可以聯(lián)系工作。LPC2132 是每時每刻都在掃描按鍵的狀態(tài)，可以利用中斷或者查詢的工作方式，對按鍵的狀態(tài)進行處理，執(zhí)行相應的功能，同時功能可以用液晶顯示出來。當進入“選擇采樣分機”這一界面時，按下“分機一”或者“分機二”即發(fā)送相應的

38、 MODBUS(RTU)控制命令到分機，此時無線模塊（nRF905）自動上電，MODBUS(RTU)控制命令數(shù)據(jù)包自動完成加前導瑪和 CRC 校驗碼后被發(fā)送。分機中的無線收發(fā)模塊 nRF905 不斷的監(jiān)測空中信息，當 nRF905 具有相同的發(fā)現(xiàn)和接收頻率時載波檢測 CD 被置高，當 nRF905 接收到的地址判定有效時地址匹配 AM 被置高，當 nRF905 接收到數(shù)據(jù)包 CRC 校驗正確并且判定有效時，nRF905 去掉前導碼地址和 CRC 位，數(shù)據(jù)準備就緒 DR 被置高， MCU（LPC2132） 通過查詢 DR 和 AM 兩管腳都為高后就設置 nRF905 為 standby 模式，并

39、以適當?shù)乃俾释ㄟ^ SPI 接口讀出有效數(shù)據(jù)。一個完整的 MODBUS(RTU)命令接收完后，MCU（LPC2132）對該命令進行一定的處理，然后執(zhí)行相應的功能。如進行廣播采樣、發(fā)回采樣數(shù)據(jù)等。2.52.5 主要器件選擇與介紹主要器件選擇與介紹2.5.12.5.1 ARMARM 處理器處理器 LPC2132LPC2132本文使用的是菲利浦公司生產(chǎn)的ARM7處理器-LPC2132，它可以支持實時仿真并且可以嵌入式跟蹤。是一款32/16 位ARM7 CPU 的微型控制器，并帶有64kB的高速Flash 的存儲器。有128 位的寬度存儲器的接口、加速結構是獨立的可以使得32 位的代碼保證在最大時鐘速率

40、下進行運行。并且可以嚴格控制代碼的規(guī)模，通過使用可使用Thumb 模式可將程序代碼規(guī)模降低在30%以下，而且性能也不會損失。圖 2-4 主機原理框圖19概述概述LPC2132它可以支持實時仿真并且可以嵌入式跟蹤。是一款32/16 位ARM7 CPU 的微型控制器，并帶有64kB的高速Flash 的存儲器。有128 位的寬度存儲器的接口、加速結構是獨立的可以使得32 位的代碼保證在最大時鐘速率下進行運行。并且可以嚴格控制代碼的規(guī)模，通過使用可使用Thumb 模式可將程序代碼規(guī)模降低在30%以下，而且性能也不會損失。這款處理器具有較小的封裝而且功耗極低使它可理想地用于較小型的系統(tǒng)中，如訪問控制和P

41、OS 機。具有寬的范圍的串行通信的接口、片內(nèi)8/16/32kB 的SRAM 這樣就使LPC2132非常的適用于協(xié)議轉換器、軟modem、通信網(wǎng)關、聲音辨別、低端成像等，這樣就給它們提了強大的處理功能和巨大的緩沖空間。具有多個32位的定時器、2 個10 位8 路ADC和10位DAC、PWM通道而且具有47個GPIO、邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷源多達9個。這就使它們可以更好的適用于醫(yī)療系統(tǒng)和工業(yè)控制中。特性：特性： 16kB的片內(nèi)靜態(tài)RAM。 片內(nèi)Boot 裝載軟件可以實現(xiàn)在系統(tǒng)ISP和在應用中的編程IAP。整片刪除和扇區(qū)刪除的時間大概為400ms，1ms 可編程256個字節(jié)。 1 個8 路10 位

42、A/D 轉換器一共包括模擬輸入16個，把通道的轉換時間降低到了2.44us。 1 個10 位D/A 的轉換器，模擬輸出的方式是不同的。 2 個32 位的定時器/計數(shù)器（有4比較通道和4路捕獲通道）、有PWM的單元（輸出有6路）并具有看門狗電路。 具有獨立的實時時鐘電源和時鐘源，具有省電模式這樣就降低了功耗。 具有多數(shù)的串行接口，包括2個具有16C550工業(yè)標準的UART和2個高速的I2C的接口（400 kbit/s）、SPI和SSP（具有緩沖功能，數(shù)據(jù)長度可變）。 具有向量中斷的控制器。向量地址和優(yōu)先級可以自由的配置。 9 外部中斷引腳，可以設定為邊沿觸發(fā)和電平觸發(fā)。 通過片內(nèi)的PLL可以實現(xiàn)

43、最大為60MHz的工作頻率，PLL的穩(wěn)定的時間為100us。 片內(nèi)的晶振頻率的范圍：130 MHz。20 低功耗模式有連個：掉電和空閑。 如果要將處理器從掉電模式喚醒可使用外部中斷。處理器的電壓范圍為：3.0-3.6 V (3.3 V+/ 10%)，I/O 口可承受最大的電壓為5V 。2.5.22.5.2 結構概述結構概述LPC2132 包含一個支持仿真的ARM7、與片內(nèi)存儲器控制器接口的ARM7 局部總線、與中斷的控制器接口的AMBA 高性能總線（AHB）和連接片內(nèi)外設功能的VLSI 外設總線（VPB，ARMAMBA 總線的兼容超集）。LPC2131/2132/2138 將ARM7TDMI-

44、S 配置為小端（little-endian）字節(jié)順序。AHB 外設分配了2M 字節(jié)的地址范圍，它位于4G 字節(jié)ARM 存儲器空間的最頂端。每個AHB 外設都分配了16k 字節(jié)的地址空間。LPC2132的外設功能（中斷控制器除外）都連接到VPB 總線。AHB到VPB 的橋將VPB 總線與AHB 總線相連。VPB 外設也分配了2M 字節(jié)的地址范圍，從3.5GB 地址點開始。每個VPB 外設在VPB 地址空間內(nèi)都分配了16k 字節(jié)地址的空間。片內(nèi)片外設與器件的管腳是由管腳鏈接模塊管理的。管腳鏈接模塊是由軟件控制的。這樣可以靈活運用管腳的功能，適應不同的場合。2.5.32.5.3 ARM7ARM7處理

45、器處理器ARM7 是一種通用的32位的微處理器，它的特性是高性能并且低功耗。ARM的結構是在基于精簡指令集計算機原理上設計的。與復雜指令的計算機的指令集和相關譯碼機制相比要簡單的很多。這樣僅僅使用一個小的并且廉價的處理器核就可實現(xiàn)實時的中斷響應和指令的吞吐量。由于使用了流水線技術，處理和存儲系統(tǒng)的所有部分都可連續(xù)工作。通常在執(zhí)行一條指令的同時對下一條指令進行譯碼，并將第三條指令從存儲器中取出。ARM7TDMI-S 處理器使用了獨特結構化策略-THUMB，適用于代碼密度較高的生產(chǎn)大量產(chǎn)品大的應用或對存儲器有限制的應用。21“超精簡的指令集”是TJUMB關鍵的一個概念。一般ARM7TDMI-S處理

46、器都擁有兩個以上的指令集：1 標準32 位ARM 指令集2 16 位THUMB 指令集THUMB指令集的代碼長度是標準ARM代碼密度的兩倍，但是依舊可以保持著ARM的絕大部分性能的優(yōu)勢。這些優(yōu)勢是16位寄存器的16位處理器不具有的。并且THUMB代碼和ARM代碼相同，也就可以再相同的32位寄存器上應用。雖然THUMB 代碼僅能夠到達ARM代碼的65%的規(guī)模，但其性能卻能夠到達和應用于16位存儲器的系統(tǒng)的相同ARM處理器性能的160%。2.5.42.5.4 程序存儲器程序存儲器- -片內(nèi)片內(nèi) FLASHFLASHLPC2132 含有64kB的FLASH 存儲器系統(tǒng)。該存儲器有兩個作用：就是對代碼

47、和數(shù)據(jù)的存儲?？梢酝ㄟ^下面方法對FLASH存儲器進行編程：通過內(nèi)置的串行的JTAG 接口，通過在系統(tǒng)進行編程-ISP和UART0，或者通過IAP應用編程。在對FLASH 進行擦除和/或編程時可以在應用程序進行時來完成，這樣也為存儲數(shù)據(jù)和對固件的現(xiàn)場升級都帶來了很大的靈活性。如果LPC2132應用了片內(nèi)引導裝載程序（bootloader），64kB 的Flash 存儲器就可以對用戶代碼進行存儲。LPC2132的Flash 存儲器至少可擦除/編程的次數(shù)為10000 次，能夠達到對數(shù)據(jù)保存十年之久。1 1 片內(nèi)靜態(tài)片內(nèi)靜態(tài) RAMRAM片內(nèi)靜態(tài)RAM（SRAM）可用作數(shù)據(jù)的存儲或代碼存儲，支持8位、

48、16位和32位的數(shù)據(jù)訪問。LPC2132含有16kB的靜態(tài)RAM。LPC2132 SRAM 是一個存儲器作為字節(jié)尋址。對存儲器進半字和行字訪問時忽略地址，訪問自然對準值。因此，有效的進行讀寫操作時要求半字的數(shù)據(jù)訪問地址線為0（地址以0、2、4、6、8、A、C 和E 結尾），字數(shù)據(jù)的訪問的地址線0 和1 都為0（地址以0、4、8 和C 結尾）。該原則同樣用于片外和片內(nèi)存儲器。SRAM 控制器具有一個回寫的緩沖區(qū)，可以防止CPU停止運行。在回寫緩沖22區(qū)中保存著軟件的最后一次寫道SRAM的一個字節(jié)。當軟件請求下一次寫操作時把數(shù)據(jù)寫到SRAM中。如果芯片有復位動作，實際的SRAM 最后的寫請求不會反

49、應內(nèi)容（即：在一次“熱”芯片復位后，SRAM 不會反映最后一次寫入的內(nèi)容）。這也是復位后檢查SRAM內(nèi)容時必須注意的一點。要保證數(shù)據(jù)的正確的寫入可以對一個單元進行相同的寫操作。也可的寫入SRAM中。2.5.52.5.5 功能框圖功能框圖圖2-5 功能框圖2.62.6 NRFNRF芯片芯片NRF905NRF905nRF905采用的是由Nordic 公司研發(fā)的VLSI ShockBurst 技術，ShockBurst 技術能提供nRF905高速的數(shù)據(jù)傳輸并不用昂貴的高速MCU來對數(shù)據(jù)進行處理和時鐘覆蓋。通過將一種與RF協(xié)議有聯(lián)系的高速信號處理存放到芯片內(nèi)，nRF905 提23供一個SPI 接口給應

50、用的微控制器，接口的速度將要決定速率。采用高斯頻移鍵控（GFSK）調(diào)制技術，調(diào)制在100kbps。頻率偏離在50Khz。高斯頻移鍵控調(diào)制較普通的頻移鍵控在更寬的帶寬傳輸連接有效。數(shù)據(jù)在內(nèi)部進行曼切斯特編碼（TX）和曼切斯特解碼（RX）。通過采用內(nèi)部曼切斯特編解碼，微控制器不需要制定編解碼規(guī)則。nRF905 單片無線收發(fā)器工作的ISM 頻段為433/868/915MHZ。由一個帶解調(diào)器的接收器，一個完全集成的頻率調(diào)制器，一個晶體震蕩器，一個功率放大器和一個調(diào)節(jié)器組成。ShockBurst 工作模式具有自動產(chǎn)生前導碼和CRC的特點 。很簡單對SPI接口編程進行配置。電流的低消耗，當發(fā)射功率為-10

51、dBm 時需要的發(fā)射電流為11mA， 接收電流為12.5mA。進入POWERDOWN 模式后很方便的實現(xiàn)節(jié)電。2 26 61 1 特點特點 單片、材料消耗很低、不需要外部SAW 濾波器。 低功耗ShockBurst 工作模式。 多通道的工作 ETSI/FCC 兼容、通道的切換時間650us。 可調(diào)輸出功率至10dBm。 載波檢測協(xié)議可以監(jiān)聽功能。 當正確的數(shù)據(jù)發(fā)送成功時就會有數(shù)據(jù)就緒信號輸出。當接收地址的數(shù)據(jù)包的地址正確是會有相應的輸出地址匹配信號輸出。 數(shù)據(jù)包自動重發(fā)功能。 自動產(chǎn)生CRC 和前導碼。CPU 操作電壓范圍： 1.9 3.6V。真正的單片低功耗ShockBurst 工作模式工作

52、電源電壓范圍1.9 3.6V多通道的工作 ETSI/FCC 兼容通道的切換時間650us極少消耗材料24無需外部的SAW 濾波器 輸出的功率可調(diào)到10dBm傳輸前監(jiān)聽的載波檢測協(xié)議自動產(chǎn)生CRC 和前導碼 當接收地址的數(shù)據(jù)包的地址正確是會有相應的輸出地址匹配信號輸出。數(shù)據(jù)包自動重發(fā)功能當有數(shù)據(jù)準備就緒信號輸出時就是有正確的數(shù)據(jù)包被接受或發(fā)送32 腳小封裝無線收發(fā)器32L QFN 5x5mm應用應用無線數(shù)據(jù)通訊報警及安全系統(tǒng)家庭自動化無線遙控監(jiān)測 汽車遙感勘測 無線門禁 玩具概述概述nRF905 單片無線收發(fā)器工作在433/868/915MHZ 的ISM 頻段。由一個完全集成的頻率調(diào)制器，一個帶

53、解調(diào)器的接收器，一個功率放大器，一個晶體震蕩器和一個調(diào)節(jié)器組成。ShockBurst 具有自動產(chǎn)生CRC和前導碼的工作特點?？梢酝ㄟ^SPI接口進行程序配置。電流的消耗很低，在發(fā)射的功率為-10dBm 時，發(fā)射電流為11mA ，接收電流為12.5mA.進入POWERDOWN 模式可以比較容易實現(xiàn)節(jié)電。5工作模式工作模式nRF905 有兩種活動（RX/TX） 模式和兩種節(jié)電模式?；顒幽Ｊ交顒幽Ｊ絊hockBurst RX ShockBurst TX節(jié)電模式節(jié)電模式掉電和SPI 編程STANDBY 和SPI 編程nRF905 工作模式由TRX_CE，TX_EN，PWR_UP的設置來設置。25nRFn

54、RF ShockBurstShockBurst 模式模式nRF905采用的是由Nordic 公司研發(fā)的VLSI ShockBurst 技術，ShockBurst 技術能提供nRF905高速的數(shù)據(jù)傳輸并不用昂貴的高速MCU來對數(shù)據(jù)進行處理和時鐘覆蓋。通通過將一種與RF協(xié)議有聯(lián)系的高速的信號處理存放到芯內(nèi)，nRF905 提供一個SPI 接口為微控制器的應用功能，接口的速度將要決定速率。nRF905 通過ShockBurst 工作的模式在在RF以最大速率進行連接時降低數(shù)字應用部分的速度來降低在應用中的平均電流消耗。在ShockBurst RX 模式中，地址匹配（AM） 和數(shù)據(jù)準備就緒（DR） 信號通

55、知MCU 一個有效的地址和數(shù)據(jù)包已經(jīng)各自接收完成。在ShockBurst T X 模式中nRF905 自動產(chǎn)生CRC校驗碼和前導碼，當DR信號通知MCU 時說明數(shù)據(jù)準備就緒?？偠灾@意味著降低MCU 的存儲器需求，也就是說降低MCU 成本，又同時縮短軟件開發(fā)時間。典型典型ShockBurstShockBurst TXTX1、當應用MCU 有遙控數(shù)據(jù)節(jié)點時，接收節(jié)點的地址（TX-address）和有效數(shù)據(jù)（TX-payload）通過SPI接口傳送給nRF905，應用協(xié)議或MCU 設置接口速度。2、MCU 設置TRX_CE ，TX_EN為高來激活nRF905 ShockBurst 傳輸。3、 n

56、RF905 ShockBurst無線系統(tǒng)自動上電數(shù)據(jù)包完成加前導瑪和CRC 校驗碼數(shù)據(jù)包發(fā)送（100kbps GFSK 曼切斯特編碼）4、如果AUTO_RETRAN 被設置為高，nRF905 將連續(xù)地發(fā)送數(shù)據(jù)包，直到TRX_CE 被設置為低。5、當TRX_CE 被設置為低時，nRF905 結束數(shù)據(jù)傳輸并將自己設置成standby 模式。ShockBurst工作模式確保一個傳輸包發(fā)送開始后，總是能夠完成，不管在發(fā)送過程中TRX_CE，TX_EN 如何被設置。當發(fā)送結束后，新的模式被激活。請看后面有關章節(jié)的詳細時序。26為了測試，如天線調(diào)諧和測量發(fā)射功率，可以讓發(fā)射機發(fā)射不變的載波。為此，必須讓T

57、RX_CE 保持為高，而不是一個脈沖。另外，自動重發(fā)必須禁止。當數(shù)據(jù)脈沖被發(fā)射完成后，發(fā)射機將連續(xù)發(fā)射未調(diào)制的載波。典型典型ShockBurstShockBurst RXRX1、通過令TRX_CE為高，TX_EN 為低電平來進入ShockBurstShockBurst RXRX 模式。2、650us 以后，用nRF905 對空中的信息進行相關監(jiān)測。3、當nRF905收到相同頻率的載波時進行接收，此時載波檢測管腳CD變成高電平。4、當nRF905得到相應的有用地址時，匹配信號地址AM變?yōu)楦唠娖健?、nRF905得到經(jīng)過CRC檢查有效的數(shù)據(jù)包時，nRF905將前導碼地址以及CRC位除去，準備好相關

58、數(shù)據(jù)后DR置于高電平。6、MCU 將TRX_CE置于低電平，進入standby的低電流模式。7、MCU 可運用SPI接口以一定速度讀出有用數(shù)據(jù)。8、讀取有用的數(shù)據(jù)完畢后，nrf905 將AM 和DR端口置于低電平。9、當nRF905芯片將準備進入ShockBurst RX，ShockBurst TX以及Powerdown 模式。當處理數(shù)據(jù)的時候，將改變TRX_CE 或TX_EN端口相應狀態(tài)，nRF905立即進入相應模式同時將丟失當前數(shù)據(jù)包。盡管如此當AM信號出現(xiàn)，MCU就知道此時nRF905工作狀態(tài)。MCU可以選擇等待DR信號或者改變模式。掉電模式掉電模式在這個模式中將禁止芯片nRF905，2

59、.5uA是電流最小消耗典型值。在這種模式狀態(tài)下，nRF905處于不工作狀態(tài)。此時消耗最小平均電流，可以延長其使用壽命。在此模式下不會改變配置字中相關內(nèi)容。StandbyStandby 模式模式Standby 模式即要消耗最小電流又要保證啟動ShockBurst RX ，ShockBurstT X 的時間達到最短。這種模式下，晶體振蕩器頻率決定著一些晶體振蕩器工作所消耗的電流量，如IDD=12uA，當4MHZ。IDD=46uA，當20MHZ。如果uP -clock Pin3 被使能，由于負載電容及頻率的改變將引起消耗電流的增加。Standby模式下不會改變配置字中內(nèi)容。器件配置器件配置27nRF

60、905 的所有配置都通過SPI接口進行，SP、 接口由5 個寄存器組成。一條SPI 指令用來決定進行什么操作，只有掉電模式和Standby模式下SPI接口處于激活狀態(tài)。SPISPI端口寄存器相關配置端口寄存器相關配置SPI 接口由5個內(nèi)部寄存器共同組成。主要通過寄存器中回讀模式確定寄存器中包含內(nèi)容。圖2-6 SPI 接口和5 個內(nèi)部寄存器狀態(tài)寄存器（狀態(tài)寄存器（Status-RegisterStatus-Register）寄存器包含數(shù)據(jù)就緒DR和地址匹配AM 狀態(tài)。RFRF 配置寄存器（配置寄存器（RF-ConfigurationRF-Configuration RegisterRegiste