基于nRF2401的无线远程监控系统毕业设计论文Word下载.docx

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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PTR2000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；

nRF2401

RemoteWirelessMonitorSystemBasedonnRF2401

Abstract

Withtherapiddevelopmentofscienceandtechnology,RemoteWirelessMonitorSystemsarematuringandbecomingevermoreprevalentinmodernlife.TheRemoteWirelessMonitorSystempresentedhereisbasedonthePTR2000RemoteWirelessModel.Itisamicrominiature,lowpower,highspeed,andhighlysensitivewirelessdispatcherwithtwochannelsandthecapabilitytosatisfytheneedformanychannelsoperatingatthesametime.Thesystemcanconnecttoasinglechipdirectlyandperformnode-to-nodedatacollection.RemoteWirelessMonitorsarewidelyapplicablewithusesspanning:

industrycontrol,industrydatacollection,remotecontrol,remotemeasurement,wirelessdataexchange,gatebansystems,radiotransceivers,miniwirelessdataterminals,wirelessremotecontrolsystems,weathermonitors,androbotcontrol.

TheRemoteWirelessMonitorSystempresentedcanbeconceptuallydividedintoseveralcomponents:

thePTR2000RemoteWirelessModel,theLabVIEWsoftwaresystem,andtheAT89S51MCU.Thissystemrealizeswirelesscommunicationthroughafour-stepoperation.ThesignalisfirstdetectedbytheADC0809.Followingsignaldetection,thedataissimultaneouslyforwardedtotheLEDdisplayboardandtheAT89S51MCU.TheAT89S51MCUactsasacontrolunit,passingthedatatoPTR2000,whichtransmitsthesignaltothereceivingpartythroughwirelesscommunication.Thissignalisthenprocessedbythereceivingparty’sLabVIEWsoftware.Together,theseoperationsandcomponentscreateasimple,effective,andwidelyapplicableRemoteWirelessMonitorSystem.

KeyWords:

Singlechip;

Wireless;

Remote;

LabVIEW;

nRF2401

1绪论

1.1课题研究的目的和意义

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、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（LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench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：

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:

GlobalSystemforMobileCommunication）；

码分多址技术（CDMA：

CodeDivisionMultipleAccess）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（GeneralPacketRadioService）与EDGE（EnhancedDataratesforGSMEvolution）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2.2所示。

图2.2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。

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。

2.2无线通信技术的种类

IEEE802.11x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IEEE802.11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IEEE802.11b、802.11a、802.11g这三个新的标准。

GPRS（GeneralPacketRadioService，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BTCellnet公司早在1993年提出的，是GSMPhase2+（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X.25连接。

CDMA是码分多址的英文缩写（CodeDivisionMultipleAccess），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×

9mm的微芯片中。

蓝牙工作在全球通用的2.4GHzISM（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57.6kb/s的不对称连接，也可以支持43.2kb/s的对称连接。

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（InfraredDataAssociation）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（Ultra-WidebandRadio）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IEEE802.11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802.11b不兼容，并占据了与802.11b和Bluetooth相同的2.4GHz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（RadioFrequencyRF）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。

3远程无线温度巡检监控系统

3.1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PTR2000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433MHzISM频段