摘 要

迄今无线通信技术和嵌入式技术的发展，温度探测领域中往往会使用到无线数据传输技术，由于无线数据传输技术使数据更方便收集、维护，所以被广泛使用于生活、军事、科研等方面。本论文研究了基于nRF905的无线温度采集系统，采用无线温度采集系统能节约人力资源，更重要的由于短距离无线数据传输技术成熟、功率小、操作简单，可提高温度检测的准确性、实时性，使监测人员能及时准确获得温度信息。

本次系统设计方案中使用了无线射频模块NRF905,51系列单片机STC89C52，温度采集模块DS18B20，单片机使用C语言编程，编程平台为Keil uVision4，以动态源路由协议（DSR）的原理为基础实现了可自组网的无线温度采集系统。

经过实际的测试后，所设计的系统测温准确，操作难度低，环境适应性好，无线网络收发可靠性高，传输范围大等优点。并且能够自组网，可实现新节点的加入与无效节点的删除功能。

关键词：无线温度采集；NRF905；动态源路由协议

Abstract

So far, the development of wireless communication technology and embedded technology, wireless data transmission technology is often used in the field of temperature detection. Because wireless data transmission technology makes data more convenient to collect and maintain, it is widely used in life, military, scientific research and so on. This thesis studies the wireless temperature acquisition system based on nRF905. The wireless temperature acquisition system can save human resources. More importantly, the short-range wireless data transmission technology is mature, the power is small, the operation is simple, and the accuracy and real-time of temperature detection can be improved. To enable the monitoring personnel to obtain temperature information in a timely and accurate manner.

This system design scheme uses wireless RF module NRF905, micro control system 51 Series MCU STC89C52, temperature acquisition module DS18B20, STC89C52 uses C language programming, programming platform is Keil uVision4, based on the principle of dynamic source routing protocol (DSR). Self-organizing network wireless temperature acquisition system.

After the actual test, the designed system has the advantages of accurate temperature measurement, low operation difficulty, good environmental adaptability, high reliability of wireless network transmission and reception, and large transmission range. And can self-organize the network, can achieve the addition of new nodes and delete functions of invalid nodes.

Key Words: Wireless temperature acquisition;NRF905; Dynamic Source Routing

目录

第1章 绪 论 1

1.1课题背景 1

1.2设计的研究工作与结构安排 1

第2章 本设计预备知识与编程环境介绍 3

2.1 51系列单片机STC89C52相关知识 3

2.2 无线收发模块NRF905相关知识 3

2.3 温度传感器DS18B20介绍 5

2.4 编程调试平台Keil uVision4介绍 6

第3章 温度采集系统设计 8

3.1 无线传感器网络设计 8

3.2 数据无线收发设计 9

3.3 温度采集模块设计 16

3.4 网络组成设计 18

3.4.1 网络协议设计 18

3.4.2 传感器网络主机设计 20

3.4.3 传感器网络下位机设计 21

3.5 软件设计 22

第4章 系统测试 29

第5章 总结与展望 34

参考文献 36

致谢 37

第1章 绪 论

1.1课题背景

检测技术是工业生产过程中必要的部分，大量应用于生产，军事，测控等所有领域，产品质量可以保证产品的准确性。对于制造业而言，检测技术被视为一个国家产业发展水平的重要指南。

最近一段时间，由于无线通信，传感器技术，微电子系统和计算机等技术的快速发展和成熟，低成本，低功耗和多功能的新网络诞生了。无线传感器网络是一种集成传感器技术，嵌入式计算技术，分布式信息技术和通信技术，是一种能够实时监测，检测和收集观察者对节点观测区域的兴趣的传感器节点网络。 诸如亮度，温度，湿度，噪声和有毒气体浓度等物体的各种信息被处理，无线传输，并最终通过无线网络传输给观察者。 无线传感器网络在军事侦察，环境监测，医疗，智能家居，工业生产管理和商业中具有广泛的应用可能性。 由于传感器网络的巨大应用价值，它已引起世界各国军事，工业和学术界的关注。这些传感器节点具有通信能力，并且可以在检测区域中执行诸如数据收集，发送等的活动，响应于环境的变化，可以从各种类型获得实现特定监视任务的多跳自组织网络系统。通过无线通信网络传输数据，可以进行更准确的检查，从而提供更多的检查信息。

本设计采用无线射频芯片nRF905和51系列单片机设计一种无线传感器节点，并且在典型自组织网络的通信协议-动态源路由协议DSR(Dynamic Source Routing)的基础上，针对路由维护算法做出改进，设计出一种易于实现且实用性高的通信协议，实现自组织和多跳传输数据的无线通信系统，同时使用温度传感器DS18B20进行温度采集，结合51单片机与nRF905完成。

1.2设计的研究工作与结构安排

本毕业设计选定以51系列单片机为核心控制器件，射频收发器nRF905进行无线传输,通过单片机A/D接口控制采集温度传感器DS18B20数据,之后通过单片机将数据传给nRF905射频收发器,通过单片机的接口设备进行显示。全文共5章，论文规划如下：

第一章为绪论，主要说明本次设计的目的意义与相关研究背景，以及该设计的具体层次结构。

第二章主要介绍STC89C52的相关参数，无线收发模块nRF905的相关资料，温度采集模块DS18B20的元件使用相关资料，编程环境的介绍。

第三章中心内容为无线温度采集系统整体的流程介绍，无线传感器网络主机端的原理图，下位机温度采集网络节点的原理图，数据无线收发的原理，温度采集功能的实现方法，无线路由功能的实现方式。

第四章测试系统的实际工作情况。本次系统测试以文字与实物运行图相结合进行说明，系统最终测试结果为可行，有一定的稳定性与可靠性，可观的传输范围，较好的实时性。可以给用户投入使用。

第五章对整体设计做出总结。结合毕业设计整个过程，从选题、毕业设计任务书、撰写开题报告、程序的设计、需求的分析、程序各个功能的实现和测试，到最后完成论文的编写，写下最后的心得体会，以及该系统所存在的可改进的地方。

第2章 本设计预备知识与编程环境介绍

2.1 51系列单片机STC89C52相关知识

STC89C52是51型号单片机的增强型版本^[1]。与传统51单片机一样，STC89C52是8位的CPU，但相对的说，STC89C52拥有256B的RAM，比传统的51单片机大了一倍^[2]。另外STC89C52还比传统51单片机多了4K的ROM空间，容量更大，在程序调试方面，STC89C52使用了Flash rom技术，在程序烧写上更方便，可以设置的波特率也更高，在功能上，STC89C52还比传统51单片机多了2个中断与一个定时器，芯片管脚图如下（图2.1）

图2.1 STC89C52管脚图

2.2 无线收发模块NRF905相关知识

nRF905是挪威Nordic公司推出的一款单片射频发射器芯片，工作频段可设置，从大体上来分有433MHz频段，868MHz频段，915MHz频段共三个ISM频段，本次设计我选择在国内可以免费使用的433MHz频段，在硬件组成方面，nRF905无线射频模块由功率放大器、调制器与解调器、频率合成器、晶体振荡器等硬件结构组成，拥有良好的信号质量，通过对该模块进行相应的配置可和任何MCU使用SPI口进行通信，以及多机通信。nRF905内置了CRC校验功能，使用者可以不用手动处理数据包字头，确保数据传输的可靠性^[3]。该芯片采用ShockBurstTM技术，在工作功率为-10dBm的情况下，工作电流也仅仅只有11mA，与之相对的接收端工作电流也仅仅只有12.5mA，可见其强劲的节能效果。除此以外，在芯片节能方面还设计了空闲模式、关机模式。适合工业数据采集、无线路由传输、安全系统等各种领域。模块管脚图（图2.2）以及管脚功能表（表2.3）如下。

该模块收发时工作于ShockBurstTM收发模式下，考虑到节能与发射速率的兼顾，在STC89C52低速向nRF905写入数据后，在片内进行高速的信号处理，主要是射频协议相关的功能，最后以很高的速率发射数据，得益于这种模式，就算是速度相对较低的STC89C52也可以通过该射频模块实现很高的射频数据发送频率，尽量减少能量损耗，降低系统的费用，数据在空中存在时间短，所以抗干扰性较高，同时，该技术减小了整个系统的平均工作电流。在ShockBurstTM的收发模式下，nRF905内部集成了能够自动处理字头与CRC校验码的功能模块，能够在收发数据时自动完成字头与CRC校验位的添加与去除，功能十分人性化，在确保了传输信息的可靠性的同时极大地方便了做相关开发时对该模块的学习与使用，这也是nRF905之所以被各种设计与工程广泛使用的理由。

图2.2 nRF905模块管脚图

表2.3 模块管脚功能表

2.3 温度传感器DS18B20介绍

本次设计使用DS18B20温度传感器作为温度采集的工具，该温度传感器虽然小，但是该有的功能一应俱全，从温度采集精度设置，内在的ROM地址匹配，CRC校验位，到寄存器控制器都是一个不少，在功能齐全，体积也小的情况下，精度依然可以做到十分地高，抗干扰性也非常出色，适用于各种极端环境的温度探测，在很多地方得到广泛使用。

DS18B20还允许一个微控制器使用1-Wire总线控制多个DS18B20设备，这种1-Wire总线不仅可以当数据传输使用，还可以在Vdd与GND都接地的情况下充当电源线来使用，这种特性使得DS18B20的电路设计有了很大的简化空间，在使用时，因为每个DS18B20设备都有一个独一无二的64位序列号，在数据传输时可进行序列号匹配来选择要控制哪一个DS18B20，让一根总线上挂载多个DS18B20成为可能，这就使得该模块在各种设计与工程领域有了很好的优越性。DS18B20的管脚图如下（图2.4）

图2.4 DS18B20管脚图

2.4 编程调试平台Keil uVision4介绍

本次设计使用的编程平台为Keil uVision4，该软件功能强大，对C51编程开发的支持性好，编译调试等功能齐全方便，在编译调试前可以对目标芯片的型号，芯片晶振频率，芯片存储空间等进行设置，编程语言方面，既支持C语言，也支持汇编语言，如果用C语言编程，在调试程序时可以显示出编译产生的汇编语言代码，之后可以设置断点设置循环运行次数，在调试时可以逐行看到C语言代码情况与相应的汇编代码，为各种层次的开发者提供了一系列合理人性化的功能，软件界面如图2.5。

图2.5 Keil uVision4界面图

Keil uVision4由于它人性化的设计，简介明朗的界面，对新手非常友好，相关教程丰富等原因，很多大学在进行硬件开发类的教学时会选用该平台作为教学使用的工具，经过了大学课程的教育和我在私下的学习这是我最熟悉的C51编程平台，在我平时使用Keil uVision4的时候也明显感觉到了便利，综合各方面原因，我选择了这个编程平台来开发我的毕业设计的程序。

第3章 温度采集系统设计

3.1 无线传感器网络设计

本设计以无线射频芯片nRF905和51系列单片机为基础，结合典型自组织网络的通信协议-动态源路由协议DSR (Dynamic Source Routing)，设计了一种无线传感器节点，实现自组织和多跳传输数据的无线通信系统^[4]。在此基础上，通过结合温度传感器DS18B20模块，实现了从机上温度数据经无线通信发送到主机系统。主机在识别信号来源与信号类型后对从机采集到的温度进行实时显示，同时主机也能检查是否有新的从机需要加入网络以及旧的从机需要退出网络，实现了无线温度采集以及自动化管理网络节点的功能^[5]。主机与下位机间的关系如图3.1，下位机与各模块间的关系如图3.2。

图3.1 主机与各模块间的关系

图3.2 下位机与各模块间的关系

在设计中，总共使用三块单片机（两个温度采集点），其中一块作为主机，用来响应下位机的路由请求、下位机采集的温度值、存储网络中各下位机的路由路径，向目标下位机回传含有路由路径的确认应答，温度采集请求。另外两块单片机作为下位机，用来采集温度值，若下位机不在网络中，则定时自动发出路由请求，直到接收到来自主机的确认应答，之后若是接收到来自主机的温度采集请求，则把当前采集到的温度使用之前应答的路由回复给主机，完成温度采集功能。

3.2 数据无线收发设计

无线收发部分使用nRF905模块，该模块是我所设计的系统中负责组成网络结构，是无线温度采集系统实现无线通信的重要模块，nRF905无线收发模块使用的是SPI通信接口，存取依赖时钟信号控制，需要STC89C52与该模块通信频率的协调，该接口总共有四条线：STC89C52数据输出，nRF905数据输入（MOSI）；STC89C52数据输入，从器件数据输出（MISO）；nRF905使能（CS）；由STC89C52产生的时钟信号（SCLK）。在本次设计中一个STC89C52只连接一块nRF905，所以为点对点通信，SPI接口不需要寻址操作，所以器件一直处于使能状态。SPI接口的设计是一个入口为外部输入口MOSI，出口为外部读取口MISO的特殊移位寄存器，每当时钟输入SCK到达上升沿，就会触发移位寄存器的移位功能，外部输入MOSI口的数据移入移位寄存器1bit数据，同时外部读取口MISO上传出1bit数据，如图3.3所示。也就是说，要读取一个字节的数据，就需要对移位寄存器进行8次移位，需要注意的是，SCK时钟信号的周期不能太小，不然会出现数据写入错位的情况，本次设计的SCK时钟信号为1ms左右，经测试可以非常可靠地进行数据的写入和读取。

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