基于NRF24L01的无线信息采集系统设计与实现毕业设计说明书.docx
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基于NRF24L01的无线信息采集系统设计与实现毕业设计说明书
广西大学行健文理学院
毕业设计说明书
题目：
基于nRF24L01的无线信息采
集系统设计与实现
学部：
电气信息学部
专业：
电气工程及其自动化
二〇一三年五月
中文摘要
温度、湿度、光强度是工业、农业生产中最常见也是最基本的参数，常常需要对其采集来进行监控。
利用微型处理器进行温度、湿度、光强度的采集，数据分析以及实时监控等方法来保证生产环境、提高生产效率、确保产品质量。
为了提高数据采集移动性，降低检测采集成本，本课题设计了基于nRF24L01无线传输模块为核心的无线信息采集系统。
本毕业设计分为采集端和接收端两个部分，采集端包括数据采集、无线发射、液晶显示三个模块；接收端包括无线接收、预警值存储、液晶显示、报警四个模块。
本文简要介绍了AT89C52、AT24C02、BH1750、DHT11等芯片，以及nRF24L01无线传输、液晶等模块，并介绍了系统方案的选择。
系统的设计包括了硬件和软件的部分设计，还初步介绍了I2C总线。
最后，本文还通过实验验证了不同环境下工作的数据采集精度。
实验表明，该系统能够完成对环境数据的实时监测，方便人们对外界环境的了解。
关键词：
无线传输数据采集实时监测数据存储
DesignandImplementationofWirelessInformationCollectionSystembasedonNRF24L01
Abstract
Temperature,humidity,lightintensityisthemostcommonandbasicenvironmentparametersinindustrial,agriculturalproduction,acquisitionofthoseparametersarenecessaryformonitoringandcontrol.Microprocessorcouldbeusedforacquisitionandreal-timedisplay,toensuretheproductionenvironment,improveproductionefficiencyandensureproductquality.Inordertoimprovesystemmobility,reducesystemcost,nRF24L01wirelesstransmissionmodulewasadoptedasthewirelessmicroprocessortobuildupawirelessinformationcollectionsysteminthisproject.
Thisgraduationprojectcontainedtwoparts:
thecollectionpartandthereceiverpart.Thecollectionpartincludedthreemodules:
dataacquisitionmodule,wirelesstransmitterandLCDdisplaymodule;thereceiverpartconsistedoffourmodules:
wirelessreceiver,datastoragemodule,LCDdisplayandkeycontrolmodules.AT89C52,thenRF24L01wirelesstransmissionmodule,AT24C02,BH1750,DHT11andLCDmodulewerebrieflyintroduced,andthendiscussedthechoiceofsystemsolution.Systemdesigncontainshardwareandsoftwaredesign,theI2Cbuswasalsointroduction.Atlast,thisarticleverifiedthedataacquisitionprecisionunderdifferentenvironments.Experimentshowedthatthesystemwasabletocompletereal-timemonitoringofenvironmentaldatatoprovidetheknowledgeofremoteenvironment.
Keywords：
WirelessTransmissionDataAcquisitionReal-timemonitoringDatastorage
第一章概述
1.1研究背景及意义
数据采集技术是现代科学的一个重要分支，它研究信息数据的采集、存储、处理和控制等作业。
在智能仪器、信号处理以及工业生产、自动化控制等领域，都存在参数的测定与控制问题，将外部世界存在的温度、湿度、光强度、压力、流量、位移及角度等模拟量转化为数字信号，再传输到计算机进行显示、处理与记录的过程，即称为“数据采集”，相应的系统即为数据采集系统（DataAcquisitionSystem）。
由于许多被测对象距离较远或现场危险，只能在远距离的地方进行测量，然后传输出去，这便产生了远程数据采集系统[1]。
数据采集的应用是多方面的，可以是普通地区，也可以是危险区域。
在生产过程中，应用数据采集系统可对生产现场的各种参数进行采集、监视和记录，是提高产品质量、降低成本、增加生产效率和节省人力的重要手段；另外，数据采集是控制系统实现控制的基本条件，只有准确实时的获取对象的运行数据才能实施有效的控制。
在科学研究中，数据采集装置可采集大量的动态与静态信息，是各种研究领域的有力工具，也是破解科学奥秘的重要手段之一[2]。
数据采集也广泛应用于设备故障的诊断。
故障诊断技术依据设备在运行过程当中伴有的振动、噪声、发热、应变、压力等物理参数的变化，通过一定的方式来判断和识别设备运行的状态和故障，对故障的危害进行早期的预报和识别，防止设备在故障状态下连续运行而造成的设备失效和相应的附加损失，保证设备安全、正常、长周期的、满负荷优质运行[3]。
无线的数据采集系统更具有几大优点。
其一，综合成本低，只需一次性投资，无须挖沟埋管，特别适合室外距离较远及已装修好的场合；在许多情况下，用户往往由于受到地理环境和工作内容的限制，例如山地、港口和开阔地等特殊地理环境，对有线网络、有线传输的布线工程带来极大的不便，采用有线的施工周期将很长，甚至根本无法实现。
这时，采用无线采集可以摆脱线缆的束缚，有安装周期短、维护方便、扩容能力强，迅速收回成本的优点。
其二，组网灵活，可扩展性好，可以迅速将新的监控点或采集点加入现有的网络中，不需要为新建传输铺设网络、增加设备，轻而易举实现远程无线采集。
其三，成本低，维护方便，可靠性高。
近年来，随着无线技术的迅速发展和无线传输技术的不断成熟，加之无线传输的优点，许多领域已经实现了数据采集的无线化，所以无线数据采集技术已经发展成一项重要的应用技术，已经广泛应用与农业、工业、公共交通、科学研究、实时监控、军事等方面，有着不可替代的作用和很好的发展空间。
1.2国内外研究现状
当今无线传输技术的优势越来越明显了，并且逐步取代了传统的有线传输方式。
目前，主流的几种近距离无线通信技术有：
蓝牙技术（BluetoothTechnology），ZigBee（IEEE802.15.4），红外技术（IrDAInfrared），Wi-Fi（IEEE802.11）（WirelessFidelity），RF射频通信。
蓝牙，是一种支持设备短距离通信（一般10m内）的无线电技术。
能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。
利用“蓝牙”技术，能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化设备与因特网Internet之间的通信，从而数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。
蓝牙采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术，支持点对点及点对多点通信，工作在全球通用的2.4GHzISM（即工业、科学、医学）频段。
其数据速率为1Mbps。
采用时分双工传输方案实现全双工传输[4]。
Zigbee是IEEE802.15.4协议的代名词，根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。
Zigbee,在中国被译为"紫蜂",它与蓝牙相类似是一种新兴的短距离无线技术。
IEEE802.15.4规范是一种经济、高效、低数据速率（<250kbps）、工作在2.4GHz和868/928MHz的无线技术，用于个人区域网和对等网络。
主要用于近距离无线连接[5]。
红外线传输是指利用红外（IR）辐射实现的无线数据传输方式。
所谓红外线是指波长超过红色可见光的电磁辐射。
红外线通讯是一种廉价、近距离、无线、低功耗、错误率低，抗干扰性强，保密性强的通讯方式[6]。
Wi—Fi全称WirelessFidelity，又称802．11b标准，它的最大优点就是传输速度较高，可以达到11Mbps，另外它的有效距离也很长，同时也与已有的各种802．11DSSS设备兼容。
IEEE（［美国］电子和电气工程师协会）802．11b无线网络规范是IEEE802．11网络规范的变种，最高带宽为11Mbps，在信号较弱或有干扰的情况下，带宽可调整为5.5Mbps、2Mbps和1Mbps，带宽的自动调整，有效地保障了网络的稳定性和可靠性。
其主要特性为：
速度快，可靠性高，在开放性区域，通讯距离可达305米，在封闭性区域，通讯距离为76米到122米，方便与现有的有线以太网络整合，组网的成本更低[7]。
射频RadioFrequency,简称RF射频就是射频电流。
它是一种高频交流变化电磁波的简称。
每秒变化小于1000的交流电称为低频电流，大于10000次的称为高频电流，而射频就是这样一种高频电流。
无线射频技术是在家庭区域范围内的任何地方，在电脑和用户电子设备之间实现无线数字通信的开放性工业标准。
作为无线技术方案，它省却了铺设传输连接线的麻烦，而且升级和增加新的设备非常方便。
基于此协议的网络是对等网，网上的每一个设备都是相对独立的，任何一个设备离开网络都不会影响到网络上其他设备的正常工作。
它的另外一个特点是低功耗[8]。
RF发出的无线电波或微波可以穿透某些障碍物，不局限于视线的范围。
目前，射频采用的就是无线传输技术，它将无线电信号扩展到一个很宽的频带上，以达到高速数据传输和减少相互干扰的目的，在无线通信领域具有广泛的、不可替代的作用。
无线射频技术主要应用于射频识别系统（RFID）的研究和开发，与传统条形码、二维条形码、蓝牙技术的相比具有自己的特殊优势。
1.3研究内容及路线
本系统主要研究的内容有如何进行温度、湿度、光强度的数据采集，采集处理完毕后，用什么显示器显示，如何进行准确有效的无线传输，接收数据后如何处理数据，如何实现实现报警等。
其研究路线框图如图1-1所示。
图1-1研究线路框图
本系统设计采用了Nordic公司推出的工作于2.4GHz频段nRF24L01射频芯片，并用低功耗的AT89C52做为主控芯片，实现短距离无线数据传输。
整个系统有采集端和接收端两部分组成。
采集端以AT89C52为核心，使用BH1750进行光强度采集，DHT11传感器进行温湿度采集，将采集来的数据进行处理并显示在采集端LCD显示屏，由nRF24L01模块进行数据发射。
接收端同样以AT89C52为主控芯片，nRF24L01模块接收数据之后，将数据处理并显示在接收端LCD显示屏，同时通过按键可以对温度、湿度、光强度的上线进行设定，并将设定值存储在AT24C02芯片中，确保掉电不丢失，数据比对后实现报警功能。
第二章技术基础
2.1系统分类
根据各项功能的实现方法以及硬件连接方式，将整个系统划分为主控芯片模块、数据采集模块、无线收发模块、液晶显示模块、数据存储模块、报警模块。
2.2方案选择
2.2.1主控芯片模块
方案一：
采用可编程逻辑期间CPLD作为控制器。
CPLD可以实现各种复杂的逻辑功能、规模大、密度高、体积小、稳定性高、I/O资源丰富、易于功能扩展。
采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模控制系统的控制核心。
但本系统不需要复杂的逻辑功能，对数据的处理速度的要求也不是非常高。
且从使用及经济的角度考虑放弃了此方案。
方案二：
采用ATMEL公司的ATmega16单片机作为控制器。
AVR单片机功能强大，驱动能力强，具有先进的RISC结构，32个8位通用工作寄存器，工作于16MHz时,性能高达16Mps，两个具有独立的预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器，两个具有预分频器、比较功能和扑捉功能的16位定时器/计数器，具有独立预分频器的实时时钟计数器，两路8位PWM，4路分辨率可编程（2~16位）的PWM,输出比较调制器，8路10位ADC，面向字节的两线接口I2C总线，两个可编程的串行USART,可工作于主机/从机模式的SPI串行接口，具有独立片内振荡器的的可编程看门狗定时器，片内模拟比较器[9]。
由于AVR单片机价格较高，且本系统对运算处理要求不高，所以放弃次方案。
方案三：
采用ATMEL公司的AT89C52单片机作为主控制器而用凌阳单片机作为辅助控制器。
AT89C52是一个低功耗，高性能的51内核的CMOS8位单片机，片内含8k空间的可反复擦些1000次的Flash只读存储器，具有256Bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个I/O口，2个16位可编程定时计数器[10]。
且该系列的51单片机可以不用烧写器而直接用串口或并口就可以向单片机中下载程序。
从方便使用及价格的角度考虑，我选择了方案三。
2.2.2数据采集模块
（1）温湿度传感器
方案一：
SHT11每只传感器都在温度室中做过精密标准，标准系数被编成相应的程序存入校准存储器中，在测量过程中可对相对湿度进行自动校准。
它们不仅能准确测量相对湿度，还能测量温度和露点。
测量相对湿度的范围是0～100%，分辨力达0.03%RH，最高精度为±2%RH。
测量温度的范围是-40℃～+123.8℃，分辨力为0.01℃。
测量露点的精度<±1℃。
在测量湿度、温度时A/D转换器的位数分别可达12位、14位。
但是其价格昂贵，因此放弃了该方案。
方案二：
DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。
传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。
因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。
该传感器虽然测量精度不是特别高，但是满足制作要求且价格便宜。
经过综合考虑，我选择了方案二。
（2）光强度传感器
方案一：
采用光敏电阻进行测量，利用光敏电阻的特性，即光照强度越高，光电流越大，再经过一个A/D转换器产生数字信号。
光敏电阻具有灵敏度高，反应速度快，光谱特性及r值一致性好特点外，在多湿的恶劣环境下，还能保持高度的稳定性和可靠性。
但是受温度影响较大，相应速度慢，在ms到s之间，延迟时间受入射光的光照度影响。
因此我放弃了该方案。
方案二：
采用BH1750数字光模块，其特点是具有I2C总线接口，光谱的范围是人眼相近，对光源的依赖性不大，受红外线的影响非常小，并具有宽范围和高分解（1-65535lx）的测量范围等优点。
且价格合理，方便与主控芯片连接。
因此我选择了方案二
2.2.3无线收发模块
方案一：
采用GSM模块进行通信，GSM模块需要借助移动卫星或者手机卡，虽说能够远距离传输，但是其成本较大且需要内置SIM卡，通信过程中需要收费，后期成本较高。
方案二：
采用TI公司CC2430无线通信模块，此模块采用Zigbee总线模式，传输速率可达250Kbps，且内部集成高性能8051内核。
但是此模块价格较贵，且Zigbee协议相对较为复杂。
方案三：
采用nRF24L01无线射频模块进行通信，nRF24L01是一款高速低功耗的无线通信模块。
如果加PA能传输上千米的距离，而且价格较便宜，采用SPI总线通信模式电路简单，操作方便。
考虑到系统的复杂性，我采用方案三作为本系统的通信模块。
2.2.4数据显示模块
方案一：
选择主控为ST7920的带字库的LCD12864来显示信息。
12864是一款通用的液晶显示屏，能够显示多数常用的汉字及ASCII码，而且能够绘制图片，描点画线，设计成比较理想的结果。
方案二：
采用字符液晶LCD1602显示信息，1602是一款比较通用的字符液晶模块，能显示字符和数字等信息，且价格便宜，容易控制。
方案三：
采用数码管来显示信息，数码管价格便宜，数码管由于显示速度快，使用简单，显示效果简洁明了而得到了广泛应用。
但是显示内容有限，如果要显示多信息，则可能造成电路布线繁杂。
综合以上方案，我选择了方案二。
2.2.5数据存储模块
采用AT24C02做为数据存储芯片，AT24C02与单片机的接口非常简单，符合I2C总线协议，可按照字节写，自动递增地址，具有高可靠性，擦写寿命达到100万次，数据保持时间达100年，体积小，接口方便，数据掉电不丢失。
AT24C02芯片是我们比较常用的芯片，所以选用该芯片。
AT24C02芯片配合外设按键，对应液晶显示，选定不同类别的数值进行存储。
从而实现对预警值的设定。
2.2.6报警模块
方案一：
选用蜂鸣器，蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，价格便宜，驱动电路简单。
方案二：
选用喇叭，喇叭声音大，但是体积较大。
考虑到电路板的大小，我选择了方案一。
2.3最终方案
经过选择论证，采用AT89C52作为系统主控芯片，nRF24L01模块用于无线收发数据，用DHT11采集温湿度数据，BH1750采集光强度数据，LCD1602显示数据，AT24C02用于存储数据，蜂鸣器用于报警。
第三章硬件系统设计与实现
3.1系统总体框图
系统总体框图如图3-1所示
图3-1系统总体框图
在系统总体框图中，数据采集端主要是由DHT11温湿传感器和BH1750光强度传感器组成，采集数据后给采集端MCU进行数据处理，处理完毕后控制LCD1602进行显示并且经由nRF24L01无线模块进行发射。
无线接收模块接收到数据后，由接收端MCU进行数据处理，LCD1602显示，通过外围电路按键进行温度、湿度、光强度预警值的设置，数据处理完毕后，接收端MCU读取AT24C02中设的预警值与实际值进行比较判断，从而达到报警的目的。
3.2主控芯片模块
3.2.1AT89C52简介
AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kBytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256Bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。
按功能划分AT89C52由中央处理器（CPU），8kBytesFlash片内程序存储器，256Bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，片内特殊功能寄存器（SFR），看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器[11]。
引脚如图3-2所示，以下是主要引脚的说明。
图3-2PDIP封装的AT89C52引脚图
VCC：
电源正端输入，接+5V。
VSS：
电源地端。
XTAL1：
单芯片系统时钟的反向放大器输入端。
XTAL2：
系统时钟的反向放大器输出端。
RESET：
复位信号输入端。
单片机运行时，在此端口上加上持续时间为2个机器周期（24个时钟周期）的高电平时，系统完成复位操作。
单片机复位能解决单片机内部寄存器的初始化以及单片机出现程序“跑飞”的现象。
ALE/PROG：
ALE为地址锁存允许信号，当单片机上电正常工作后，ALE引脚输出正脉冲信号。
如果要访问外部存储器时，ALE输出负跳变作为低8位地址锁存信号。
PROG是该引脚的第二功能。
在对片内EPROM型单片机编程时，此引脚作为编程脉冲输入端。
EA：
EA为内外部程序存储器选择控制端。
当EA端为高时单片机访问内部程序存储器，在PC值超过0X1FFFH时，单片机将自动转向执行外部程序存储器内的程序。
当EA端为低电平时单片机只访问外部程序存储器。
PSEN：
PSEN为程序存储器允许输出控制端。
在单片机访问外部程序存储器是，此引脚输出负脉冲作为读外部程序存储器的选通信号。
PORT0（P0.0―P0.7）：
端口0是一个8位宽的漏极开路双向输出入端口。
除了作为普通并行I/O口外，还可作为低8位数据总线和地址总线时分复用端口。
PO口是漏极开路，当作为普通I/0口时必须接上拉电阻。
接上拉电阻后最多可驱动8个LSTTL负载。
PORT1（P1.0―P1.7）：
端口1也是具有内部提升电路的双向I/O端口，其输出缓冲器可以推动4个LSTTL负载，若将端口1的输出设为高电平，使是由此端口来输入数据。
PORT2（P2.0―P2.7）：
端口2是具有内部提升电路的双向I/O端口，每一个引脚可以推动4个LS的TTL负载，若将端口2的输出设为高电平时，此端口便能当成输入端口来使用。
P2除了当做一般I/O端口使用外，若是在AT89C52扩充外接程序存储器或数据存储器时，也提供地址总线的高字节A8―A15，这个时候P2便不能当做I/O来使用了。
PORT3（P3.0―P3.7）：
端口3也具有内部提升电路的双向I/O端口，其输出缓冲器可以推动4个TTL负载，同时还多工具有其他的额外特殊功能，包括串行通信、外部中断控制、计时计数控制及外部数据存储器内容的读取或写入控制等功能。
其引脚分配如下：
P3.0：
RXD串行通信输入。
P3.1：
TXD串行通信输出。
P3.2：
INT0外部中断0输入。
P3.3：
INT1外部中断1输入。
P3.4：
T0计时计数器0输入。
P3.5：
T1计时计数器1输入。
P3.6：
WR外部数据存储器的写入信号。
P3.7：
RD外部数据存储器的读取信号。
3.2.2AT89C52最小系统原理图
AT89C52最小系统图如图3-3所示。
图3-3单片最小系统图
图3-3中时钟电路用于产生AT89C52单片机工作时所必需的时钟信号。
时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。
这里我们选用11.0592M的晶振，由于当晶体振荡器振荡频率在1M到12M之间取值时，两个微调电容的典型取值通常选择在22pF左右。
单片机的复位需要至少2个机器周期的高电平，复位电路必须确保系统上电时能够自动复位，在必要时还可以手动复位。
系统上电上电时，C3两端的电压为零，在上电的瞬间我们可以看做一个交流信号穿过电容C3，使得电容C3负端的电压为高，单片机复位，经过4—5个τ后，C3两端的电压约为零。
按键复位时，按键S0按下后，单片机的复位端的电平为高电平，单片机复位，在按键松开时，经过4—5个τ后，单片机复位端的电平为低电平，单片机退出复位状态。
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