基于nrf2401的无线远程监控系统毕业设计论文(编辑修改稿)

基于nrf2401的无线远程监控系统毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

信和无线通信两大类，有线通信主要基于局域网技术、嵌入式技术、电力线载波技术、公用电话网无线通信以往则主要用数字电台进行远距离传输。 有线通信的优点在于传输的质量比较可靠，实时性比较好，但是有线网络的安装和维护非常困难，为数据采集而架设有线网络的一次性投资较大。 数字电台可以解决安装和维护的问题，但是传输距离有限，信号的质量较低非常容易衰减，并且需要向无线通信委员会申请频点。 远程无线数据采集系统基于技术实现远程数据通信，业务具有接入迅速、永远在线、流量计费等特点，在远程 突发性数据实时传输中有不可比拟的优势 ， 既具有有线方式的效率高，实时性好、成本低的优点，同时安装方便、可维护性好、易实现网络化管理。 利用现有的网络资源，发挥网络覆盖率高、传输特性基于 nRF2401的远程无线监控系统 –5– 好等优势，为现有数据采集系统提供一种便捷的无线数据传输方式，代表着工业控制及现场监测等领域的一个发展方向。 在远程数据采集系统的前端，由于测量终端数量 较多，为每个测量终端都配置模块，势必造成成本很大，因此在测量现场对测量终端数据进行初步的集中成为必要。 在测量终端较集中的现场和能够覆盖到的地方，通常都采用有线连接的数据通信方式。 然而在许多 特殊工作场合，由于现场环境的制约，有线的连接方式已经不能满足数据采集系统的参量要求。 如对于分散测控系统，由于测量点比较分散，线路铺设及维护均需较高的代价 ； 对于运动构件上的传感器信号的采集，由于传感器空间位置不固定，使得通过电缆引出信号变得不可靠、甚至不可能在环境恶劣、危险性大、对人体有危害的场合，操作者希望可以远离被测控对象，进行数据的采集和控制。 所以采用无线 传输 技术进行短距离小规模的数据通信己经是现代数据采集系统的发展趋势。 （ 3） 第三代（ 3G）无线移动通讯标准 第三代无线通讯标准希望能够提供高速的数据传输能力 以实现多媒体的影音传输要求，可依其移动速度快慢而提供 144Kps 至 2MKps 的不同传输速率 ，短距离无线传输标准如图 所示。 图 短距离的无线传输标准分类 而实际上，对于我们期待中的控制系统而言，上述的无线移动通信标准和能够满足标准的应用设备多无外过于昂贵至于奢侈，真正能够引起我们极大兴趣的是相对简单而针对性强从而能够使用于家庭、企业、以至于个人的短距离无线通讯标准，很简单的理由：更实用，更廉价，因而效率更高。 短距离无线通讯标准 高速传输标准 50Mbps 中速传输标准 50Mbps~1Mb 低速传输标准 1Mbps UWB(Ultra Wide Band) IEEE Bluetooth IEEE ZigBee (IEEE ) 基于 nRF2401的远程无线监控系统 –6– 随着后 PC 时代的来临， 所有的个人、家庭或企业的电器设备皆朝向可携带式与可通讯式设备发展，因此短距离的无线通讯标准也被制定且逐渐占有重要的地位。 由于短距离无线资料传输并不像行动通讯一般涵盖相当大的使用区域范围，因此仅需对小区域使用范围内的使用者制定适当的通道规则，因此大部分的短距离无线通讯标准与技术均建立或制定在免使用费的 ISM 频段。 在此，我们简单的介绍在智能楼宇，以及工业现场中成熟使用的短距离无线通信传输标准，以此为基础更好的阐述我们在温度巡检这一智能检测系统中使用无线传输标准的可行性与必然性。 无线通信技术的种类 IEEE 是 IEEE 国际电气和电子工程师协会制定的一个通用的无线局域网标准。 最初的 IEEE 标准只是用于数据存取，传输速率最高只能达到 2Mbps。 由于速度慢不能满足数据应用发展的需求，所以后来该协会又推出了 IEEE 、 这三个新的标准。 GPRS（ General Packet Radio Service，通用无线分组业务）作为第二代移动通信技术 GSM 向第三代移动通信（ 3G）的过渡技术，是由英国 BT Cell 公司早在 1993 年提 出的，是 GSM Phase2+（ 1997 年）规范实现的内容之一，是一种基于 GSM 的移动分组数据业务，面向用户提供移动分组的 IP 或者 连接。 CDMA 是码分多址的英文缩写（ Code Division Multiple Access），它是在数字技术上的分支 — 扩频通信技术上发展起来的一种新的无线通信技术。 CDMA 技术的原理是基于扩频技术，即将需传送的具有一定信号带宽信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。 接收端使用完全相同的伪随机码，与接 收的带宽信号作相关处理，把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩，以实现数据传输。 蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，它以低成本的近距离无线连接为基础，为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接。 其程序写在一个 9 9 mm 的微芯片中。 蓝牙工作在全球通用的 ISM（即工业、科学、医学）频段。 蓝牙的数据速率为 1Mb/s。 时分双工传输方案被用来实现全双工传输。 ISM 频带是对所有无线电系统都开放的频带，因此使用其中的某个频段都会遇到不可预测的干扰源。 蓝牙基带协议是电路交换与分组交换的 结合。 在被保留的时隙中可以传输同步数据包，每个数据包以不同的频率发送。 一个数据包名义上占用一个时隙，但实际上可以被扩展到占用 5 个时隙。 蓝牙可以支持异步数据信道、多达 3 个的同时进行的同步话音信基于 nRF2401的远程无线监控系统 –7– 道，还可以用一个信道同时传送异步数据和同步话音。 每个话音信道支 64kb/s 同步话音链路。 异步信道可以支持一端最大速率为 721kb/s 而另一端速率为 连接，也可以支持。 蓝牙基带部分在物理层为用户提供保护和信息保密机制。 基带部分描述了硬件 基带链路控制器的数字信号处 理规范。 基带链路控制器负责处理基带协议和其它一些低层常规协议。 IrDA(Infrared Data Association)是一种短距离红外线通信技术，适合于低成本、跨平台、点对点高速数据连接。 它采用红外线作为通信媒介，支持各种速率的点到点的话音和数据业务， IrDA 主要应用在嵌入式的系统和设备中，进行设备互联，可完成不同设备内文件与信息的交换 ； 作为信息网关，连接信息终端和互联网络。 优点在于数据传输速率高，适合于传输容量较大的数据文件和多媒体数据流 ； 红外线发射角度较小，有一定的物理传输上的安全性。 UWB(UltraWideband Radio)是一种新技术。 其概念类似于雷达，在很宽的频段内传送短脉冲，将信息调制到脉冲的时间和频率上。 UWB 高性能和低功耗的优点使得它将成为未来市场上强有力的竞争者之一。 UWB 为无线通信和雷达发展提供了希望，它们能够透过墙壁或碎石看见成像，是重要的突破性技术。 但是还不成熟，存在一些问题需要解决。 主要问题是 UWB 系统占用的带宽很大， UWB 系统可能会干扰其他无线通信系统，因此 UWB 系统的频率许可问题一直在争论之中；另外，还有学者认为，尽管UWB 系统发射的平均功率很低，但是由于它的脉 冲持续时间很短，它的瞬时功率峰值可能会很大，这甚至会影响到民航等许多系统的正常工作。 HomeRF(家用射频 )技术是由 Microsoft， Intel， HP， Motorola 和 Compaq 等公司 设计的网络技术 的。 HomeRF 把共享无线连接协议 (SWAP)作为未来家庭内联网的主要协议，使用 IEEE802. 11 无线以太网作为数据传输标准。 HomeRF 工作组提出了一整套应用于家庭联网的完整体系，包括外围设备和家庭主机之间的连接、外围设备之间的连接、主机和 HomeRF 中央控制的连接等。 HomeRF 的标准集成了语音和 数据传送技术，工作频段为 10GHz，数据传输速率达到 100Mbps，在 WLAN 的安全性方面主要考虑访问控制和加密技术。 HomeRF 是对现有无线通信标准的综合和改进：当进行数据通信时，采用 规范中的 TCP/IP 传输协议；当进行语音通信时，则采用数字增强型无绳通信标准。 但是 ， 该标准与 不兼容，并占据了与 和 Bluetooth 相同的 频率段 ， 所以在应用范围上会有很大的局限性，更多的是在家庭网络中使用。 射频 (Radio Frequency RF)技术使用几个特 定频率中的一个频率传输数据，相邻的WLAN 使用不同频率。 其产品既可工作在 18 至 19GHz 的特许频段，也可以在低功率的基于 nRF2401的远程无线监控系统 –8– 情况下工作于 ISM(Industrial/Scientific/Medical)频段。 在中等衰减的建筑物中， RF 信号一般可穿透一至三堵墙。 它可用于室外、开放或封闭的室内办公环境。 现在有很多射频芯片可用来完成无线数据传输，开发相对简单，易于实现。 而除此之外，射频技术最为吸引我们的是最近几年所出现的无线射频收发一体芯片技术，它使得原本对专业基础要求较高的通信系统设计变得简单而且高效率。 无线射频收 发一体型芯片采用了目前流行的单芯片设计，在一块芯片上集合了信号调制解调、信号射频发射、信号接收、信号电平转换等功能，有些无线射频收发一体型芯片内部甚至还集合了单片机单元以及 CPLD 单元，允许用户直接对其进行编程，是一种高集成度的多功能芯片。 在实际应用中，无线射频收发一体型芯片的外围电路十分简单，可方便与单片机或 DSP 连接，而且有些型号的无线射频收发一体型芯片在环境以及电磁兼容性方面的要求可满足工业设备或军工设备的使用。 与传统的无线收发射频装置相比，无线射频收发一体型芯片具有电磁兼容性好、耗电量低、体 积小、外围电路简单、可靠性高、抗干扰能力强、数据传输安全性好、价格低廉等特点，在各种嵌入系统、家电、军工等许多领域都得到了广泛的应用。 基于 nRF2401的远程无线监控系统 –9– 3 远程无线 温度 巡检 监控 系统 系统特点 从降低成本，减小开发难度和缩短开发周期等角度考虑，本设计采用单片射频集成电路构建无线通信 系统。 单片射频集成电路的选择直接决定了无线 传输 系统 的功能和成本。 单片射频集成电路的种类和数量比较多，选择单片射频集成电路时主要考虑以下几点：通信距离；收发芯片所需的外围元件数量；通信速率开发难易程度；芯片成本；数据传输的编码方式等。 无线传输 按基带信号的形式可以分为两大类：模拟信号传输和数字传输。 模拟传输直接用 调整 后的传感器的输出信号（基带信号）调制载波信号，经过功率放大后，通过天线发射出去。 其优点是通过信道的信号频谱比较窄，信道利用率高，缺点是由于基带信号是连续的，混入噪声干扰后不易清除，抗干扰能力差。 而数字传输是将 调整 后的传感器的输出信号转换为数字信号后再调制发送。 由于所传送的信号只有高低电平两个取值，即使收到的波形出现一定失真，仍可能解调出正确的原始信号，因此数字传输的抗干扰能力强。 由于工程测试的环境复杂，干扰源较多，信号容易受到干扰，因 此本系统采用了抗干扰性能好的数字信号传输方式。 在本文所述的系统设计中，在无线部分，我们使用 了 基于 PTR20xx 的无线收发系统 ，它是基于 nRF2401 的无线通信数传 系统。 nRF2401 是 Nordic 公司生产的单片无线收发芯片 ， 这是一个为 433MHz ISM 频段设计的真正单片 UHF 无线收发芯片 ， 采用 FSK调制技术。 nRF2401 的最高工作速度可达到 20kbps， 发射功率可调 ， 最大为 +10dBm。 天线接口设计为差分天线 ， 便于使用低成本的 PCB 天线。 该芯片具有待机模式 ， 可以更省电和高效。 nRF2401 的工作电压范 围为 ~， 发射电流为 8mA~18 mA， 接收电流约为 10mA， 待机电流为 8 A。 PTR20xx 的基本应用电路如图 所示： 基于 nRF2401的远程无线监控系统 –10– 图 PTR20xx 的基本应用电路 在上位机监控系统中采用 基于 LabVIEW 的远程实时监控系统。 目前， LabVIEW 在以 PC 机为基础的测控软件中，它的普及率 39%仅次于 C++(49%)和 C(43%)。 LabVIEW 编程语言和常规的程序语言不同，它 是一种定位于非计算机专业人员使用的编程工具。 所以采用的是更易使用的图形化程序语言 G 语言 (Graphical Programming Language)。 LabVIEW 的编程环境主要包括两个面板 ： 前面板 (Panel)，用于编制虚拟仪器的软面板 ； 程序面板 (Diagram)，用于编写 G 语言程序代码。 G 语言使用图标代替常规的一条或一组语句来实现一个功能，即其编程过程。 不是书写一行行语句，而是连线一个个代表一定功能的图表，因而更为直观、易用。 作为一种高水平的程序设计平台同传统的编程语言相比，采用 LabVIEW 图形 编程方式可以节省大约 80%的程序开发时间，而其运行 速度 却几乎不受影响。 因此被称为工程师和科学家的语言。 系统功能 本系统下位机中由 CPU 基本单元、 温度 信号电路、模数转换电路、数码管显示电路及电源电路来实现温度的 巡检。 输入 信号经模数转换电路转换为数字信号，经数码管显示实现温度采集。 本设计中可以实现多通道的循环采集并显示 相应数据，更符合现代生活及工业要求， 然后经无线收发系统传输实现无。