基于nRF2401的无线远程监控系统毕业设计论文.doc
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1、大 连 理 工 大 学 本 科 毕 业 设 计(论 文)基于nRF2401的无线远程监控系统Remote Wireless Monitoring System Based on nRF2401学 院(系):电气工程与应用电子技术系 专 业: 电气工程及其自动化 学 生 姓 名: 董琳琅 学 号: 200485123 指 导 教 师: 刘蕴红 评 阅 教 师: 牟宪民 完 成 日 期: 大连理工大学Dalian University of Technology摘 要近年来随着科技的飞速发展,远程无线监控系统在现代生活中不断成熟和完善。这个系统建立在无线收发模块PTR2000的基础之上。它是超小型
2、,超低功耗,高速率无线收发数传模块,灵敏度高,具有两个频道,特别满足需要多信道工作的特殊场合,它可完成点对点传输的数据采集,用于工业控制;数据采集;遥控;遥测;无线抄表;门禁系统;小区传呼;工业数据采集系统;小型无线数据终端;无线遥控系统;水文气象监控和机器人控制中。本文研究的远程无线监控系统是由PTR2000的无线收发系统、单片机AT89S51的下位机控制系统和LabVIEW的上位机监控系统构成的远程无线温度巡检系统。此系统可分为四个信息处理过程实现无线传输,首先通过ADC0809的模数信号的转换,然后信号传输到数码管显示电路,同时,单片机将信号传输给无线传输模块PTR2000。此片PTR2
3、000再将信号无线传输给与电脑相连的那片PTR2000,最后由基于LabVIEW的上位机监控系统进行监控。综上所述,本设计系统提出了一种简单,高效并且能够被广泛应用的远程无线监控体系。关键词:单片机;无线;远程;LabVIEW;nRF2401Remote Wireless Monitor System Based on nRF2401AbstractWith the rapid development of science and technology, Remote Wireless Monitor Systems are maturing and becoming ever more pr
4、evalent in modern life. The Remote Wireless Monitor System presented here is based on the PTR2000 Remote Wireless Model. It is a microminiature, low power, high speed, and highly sensitive wireless dispatcher with two channels and the capability to satisfy the need for many channels operating at the
5、 same time. The system can connect to a single chip directly and perform node-to-node data collection. Remote Wireless Monitors are widely applicable with uses spanning: industry control, industry data collection, remote control, remote measurement, wireless data exchange, gate ban systems, radio tr
6、ansceivers, mini wireless data terminals, wireless remote control systems, weather monitors, and robot control. The Remote Wireless Monitor System presented can be conceptually divided into several components: the PTR2000 Remote Wireless Model, the LabVIEW software system, and the AT89S51 MCU. This
7、system realizes wireless communication through a four-step operation. The signal is first detected by the ADC0809. Following signal detection, the data is simultaneously forwarded to the LED display board and the AT89S51 MCU. The AT89S51 MCU acts as a control unit, passing the data to PTR2000, which
8、 transmits the signal to the receiving party through wireless communication. This signal is then processed by the receiving partys LabVIEW software. Together, these operations and components create a simple, effective, and widely applicable Remote Wireless Monitor System.Key Words: Single chip; Wire
9、less; Remote; LabVIEW; nRF2401目 录摘 要IAbstractII1绪论11.1课题研究的目的和意义11.2本课题的主要研究内容12现有无线通信系统32.1无线通信技术的发展32.2无线通信技术的种类63远程无线温度巡检监控系统93.1系统特点93.2系统功能103.3系统构成124无线传输134.1 nRF2401无线射频收发一体芯片134.2 基于PTR2000无线通信数传系统174.3天线的设计214.4元器件参数215系统下位机的设计235.1硬件的设计235.1.1CPU基本单元设计235.1.2数码管显示电路的设计265.1.3温度信号电路的设计295.
10、1.4串行接口电路的设计315.1.5电源电路的设计315.2软件的设计325.2.1主程序流程图325.2.2无线传输程序335.2.3温度巡检流程图355.2.4显示子程序流程图355.2.5定时中断子程序流程图366系统上位机的设计386.1 LabVIEW概述386.2 LabVIEW与单片机串行通信386.2.1LabVIEW与单片机串行通信概述386.2.2 LabVIEW部分设计396.2.3 单片机通信串口的部分设计426.3 监控界面设计427 系统调试46结 论47参 考 文 献48附录A 系统程序49附录B 系统硬件电路实物图55致 谢571绪论1.1课题研究的目的和意义
11、随着现代社会经济的迅速发展,经济和高效是工作中必须考虑的条件。疲劳理论是以力学、材料和设计为主的一门新兴的边缘科学,大多数疲劳理论都需要试验支持,这就需要人们花大量的时间进行试验,收集大量的试验数据。目前,我国大部分疲劳试验机从加载试样到记录数据,几乎全部靠人工现场的操作。疲劳试验机的高频噪音对试验人员造成恶心、头痛、脖子酸痛等不良反应,而且试验时间一般都是几个小时连续作业,长久下来对身体与心理会造成很大的损害。针对目前高频疲劳试验机存在的某种缺陷,利用无线远程监控和现场实时控制技术对设备进行改良设计,从而使高频疲劳试验机具备了计算机无线远程监控和现场实时控制的功能,为科学、准确获取疲劳实验机
12、数据提供保证,同时保证试验人员远离伤害1。随着微机技术的发展,设备简单、投资少、可靠性高、抗干扰能力强、节能高效的控制系统将是信息社会的发展趋势。无线监控系统是高频疲劳试验机系统中的一个子系统,是针对高频疲劳试验机系统中存在的缺陷所作的改进设计。无线监控系统已在高频疲劳试验机系统中得到了应用。利用无线收发芯片nRF2401作为通信芯片,实现了主机与从机的通信,从而使改良后的系统具备了计算机无线远程监控和现场2实时控制的功能。1.2本课题的主要研究内容本课题的主要研究内容如下:(1) 对控制器进行整体规划和结构设计。(2) 以ATMEL89S51单片机2为核心的硬件电路的设计,主要包括电源电路、
13、数码管显示电路、数模转换电路及与无线通信PTR2000部分的接口电路。(3) 系统硬件电路主要分为信息控制处理部分和无线通信部分。以单片机为核心部件,对硬件电路进行设计和改进,使其功能更加完善。(4) 系统的软件编制。按照硬件实现的功能,软件主要包括单片机双串口同时通讯的实现,数据采集与处理,数码管显示、键盘扫描、无线模块控制及其状态转换,控制部分和无线模块异步串行通讯等子程序。所有的程序均使用汇编3语言来完成,已达到充分的可读性和可移植性,在程序的编写过程中,加入了详细的文字注释,以便于后期的改进与维护。(5) 硬件电路和软件程序的综合调试。本文介绍的远程无线监控系统主要是由无线收发系统、基
14、于单片机的下位机控制系统和基于LabVIEW的上位机监控系统组成。PTR2000是超小型、超低功率、高速率无线数传MODEM。PTT2000可用于遥控、遥测、小型无线网络、无线抄表、小区传呼、工业数据采集、无线标签、身份识别、非接触RF智能卡、小型无线数据终端、生物信号采集、水文气象监测、机器人控制等场合。 PTR2000主要是由nRF2401芯片组成的电路模块。nRF2401是一个单片集成接收、发射器的芯片,工作频率范围为全球开放的2.4GHz频段,125个频道。采用GFSK调制时的数据速率为高速率1Mbps,高于蓝牙,具有高数据吞吐量。nRF2401内置了CRC纠检错硬件电路和协议。发射功
15、率、工作频率等所有工作参数全部通过软件设置完成。1.9V至3.6V低电压,满足低功耗设计需要。每个芯片可以通过软件设置最多40位地址,只有收到本机地址时才会输出数据(提供一个中断指示)。远程是由LabVIEW与单片机串行通讯实现的。LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench实验室虚拟仪器平台)是由美国国家仪器公司(NI)开发的一种可视化开发平台,是基于图形开发调试和运行程序的集成化环境,是借助于虚拟前面板用户界面和方框图建立虚拟仪器应用程序的设计系统。串行通信是一种适用于两机之间的通信,通过RS-232 (一种最低层物
16、理层议)通信接口,两机的发送、接收口按照预定的串口地址、传输速率(波特率)、数据格式、校验方式、传输方向完成数据交换。由于该接口物理结构简单,很适合主PC机和从PC机、带串口的仪器、单片机系统作短距离、低速率数据交换及控制。在PC机与单片机4构成的上下位机系统中,经常采用由单片机及其外围电路构成的下位机进行数据采集,然后利用基本二线制的RS-232串行口通信将数据传送给PC机,由PC机进行数据的进一步处理。2现有无线通信系统2.1无线通信技术的发展无线通讯技术的萌芽可以追溯到有线通讯系统。而无线通讯技术被大量的研究与发展乃是在第一次世界大战末期,由于战争的需要才开始的。直至20世纪30年代,商
17、业无线广播的出现与收音机的普及,才使得无线通讯技术进入商业应用与个人生活。而在 20世纪40年代末期,电晶体的出现奠定了无线通讯技术发展的基础。进入20世纪70年代后个人无线行动通讯技术开始被建立与发展,也使得无线通讯技术进入了一个崭新的纪元蓝牙。随着应用层面和范围的扩大,现代的无线通讯技术的发展趋势可以被分为两个不同的应用发展领域:其一为现代无线行动通讯的应用,其二是朝向非移动式的无线网络应用发展。从现代无线行动通讯标准的发展来看,可以将其分为以下几个时代,如图2.1所示:无线移动通讯标准第一代无线移动通讯标准第二代无线移动通讯标准第二五代无线移动通讯标准第三代无线移动通讯标准AMPSTAC
18、SETA CSNAMTSGSMCDMAGPRSEDGECDMA2000CDMA20WCDMTD-SCDMA图2.1 无线移动通讯标准时代划(1) 第一代(1G)无线移动通讯标准第一代无线移动通讯标准为类比式移动电话通讯系统。在类比式移动电话通讯系统发展初期,由于所采用的标准未经妥善规划与定制,再加上半导体技术不足以提供通讯电路整合的解决方案,因此类比式移动电话既笨重庞大又价格昂贵。(2) 第二代(2G)无线移动通讯标准第二代无线移动通讯标准采用数位式通讯技术,将传输的语音与数据以数位方式加以编码与调变,其主要的功能仍为提供语音移动通讯的需求。著名的标准包括:全球移动通讯系统(GSM: Glob
19、al System for Mobile Communication);码分多址技术(CDMA:Code Division Multiple Access)等。第二、五代无线通讯标准建构于第二代的无线传输技术之上,包括建构于GSM标准而向上发展制定的GPRS(General Packet Radio Service)与EDGE(Enhanced Data rates for GSM Evolution)以及建构于CDMA标准之上的CDMA2000-1X。在GPRS远程无线传输系统中,分布在采集现场的终端GPRS平时处于监听状态,当主控中心需要某座桥梁的健康信息时,发送指令将对应的终端唤醒,并提
20、出采集数据的请求,由采集现场的终端将数据发送到主控中心。远程无线传输系统的数据通信实现有两种方式:一是远端主控中心的终端和现场的终端通过收发短消息的方式完成信令的控制和数据的传输;二是各个终端通过网络登陆网,实现与主控中心之间的数据通信。本系统采用了可靠性较高的第一种通信方式。数据采集5是获取信息的基本手段。数据采集技术作为信息科学的一个重要分支,是以传感器、信号测量与处理、微型计算机等技术为基础而形成的一门综合应用技术。数据采集系统是利用计算机、通信、测控等技术采集、记录和显示现场的各种物理参量,以供管理人员和现场操作者参考的系统是现代测控系统的基础,用于获取各种现场测量数据。远程数据采集系
21、统,与传统的数据采集系统相比,具有不受地理环境、气候、时间等影响的优势。而借助无线传输手段的远程数据采集系统,更具有工程造价和人力资源成本低,传输数据不受地域的影响,可靠性高,免维护等优点。通信、计算机等技术的飞速发展,特别是远程传输手段的多元化和技术水平的提高,使远程数据采集技术有了广泛的应用。数据采集系统的远程通信手段主要分为有线通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
22、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
23、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
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