環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)中中心節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)【優(yōu)秀畢業(yè)課程設(shè)計(jì)含開題報(bào)告】,環(huán)境,空氣質(zhì)量,監(jiān)測,系統(tǒng),中心,節(jié)點(diǎn),設(shè)計(jì),優(yōu)秀,優(yōu)良,畢業(yè),課程設(shè)計(jì),開題,報(bào)告,講演,呈文 1 摘 要 隨著人們對(duì)低速率無線個(gè)人域網(wǎng)的應(yīng)用需求越來越大， 術(shù)在近年來得到了快速的發(fā)展。由于 術(shù)具有低功耗、成本低、低速率、近距離和網(wǎng)絡(luò)容量大等特點(diǎn)，使得其得到了廣泛的應(yīng)用，具有十分廣闊的研究前景。 議符合 系結(jié)構(gòu)， 絡(luò)分為 4 層，從下向上分別為物理層（ 媒體訪問控制層（ 網(wǎng)絡(luò)層（ 應(yīng)用層（ 最底層物理層和 使用 議。 絡(luò)包含兩種功能類型設(shè)備：全功能設(shè)備中心節(jié)點(diǎn)和精 簡功能設(shè)備子節(jié)點(diǎn)，包含三種類型的節(jié)點(diǎn)，即協(xié)調(diào)器 由器 終端設(shè)備 持星狀網(wǎng)，樹狀網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分為信標(biāo)和非信標(biāo)兩種工作模式。 本文在對(duì)無線傳感器及其網(wǎng)絡(luò)協(xié)議技術(shù)分析的基礎(chǔ)上，提出了基于 議的無線測溫網(wǎng)絡(luò)中中心節(jié)點(diǎn)模塊的設(shè)計(jì)方案。方案中使用 控制芯片和線模塊搭建了一個(gè)基于 術(shù)的中心節(jié)點(diǎn)全功能模塊，該模塊通過行精確的定時(shí)，并且采用無線數(shù)傳模塊與上位機(jī)通信。中心節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中充當(dāng)中心節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器的作用，負(fù)責(zé)向終端節(jié)點(diǎn) 查詢溫度的信息，然后反饋給計(jì)算機(jī)，達(dá)到無線測溫的目的。 關(guān)鍵詞： 無線傳感網(wǎng)絡(luò)； 度；濕度； 2 is at a on is in as it It to is to up is to or is by of 節(jié)點(diǎn)）， of nd ，of of of a is 心節(jié)點(diǎn) is to a 中心節(jié)點(diǎn) as in to to so as to of 3 目 錄 ........................................................................................................................................................ 2 引言 ................................................................................................................................................................ 4 第 1 章 緒論 ................................................................................................................................................ 5 題背景 ......................................................................................................................................... 5 內(nèi)外研究現(xiàn)狀 ............................................................................................................................... 5 題研究的目的和意義 .................................................................................................................. 6 第 2 章 議及其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) ............................................................................................................ 6 絡(luò)結(jié)構(gòu)概述 ...................................................................................................................... 6 議 ...................................................................................................................................... 6 統(tǒng)架構(gòu) .......................................................................................................................................... 7 第 3 章 系統(tǒng)硬件電路的實(shí)現(xiàn) ..................................................................................................................... 7 統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) .................................................................................................................. 7 案實(shí)現(xiàn)總框圖 .............................................................................................................................. 8 入式無線通信模塊 .................................................................................................. 9 C 機(jī)接口電 路 ...............................................................................................................................濕度數(shù)字傳感器 ........................................................................................................................照傳感器 ................................................................................................................................... 4 章 系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn) ........................................................................................................................... 12 流程圖 ....................................................................................................................................... 12 程序模塊分析 ............................................................................................................................. 13 始化子程序段 ................................................................................................................. 13 部中斷子程序 ................................................................................................................. 13 行中斷 1 子程序 ............................................................................................................. 13 行中斷 2 子程序 ............................................................................................................. 14 統(tǒng)軟件對(duì)功耗的影響 ................................................................................................................ 15 第 5 章 系統(tǒng)性能測試 ................................................................................................................................. 16 信距離測試 ................................................................................................................................ 16 據(jù)傳輸速率測試 ........................................................................................................................ 17 第 6 章 結(jié)論與展望 .................................................................................................................................... 18 論 ............................................................................................................................................... 18 望 ............................................................................................................................................... 18 參考文獻(xiàn) ...................................................................................................................................................... 20 附錄 A 無線測溫網(wǎng)絡(luò)中 中心節(jié)點(diǎn) 模塊的原理圖 ..................................................................................... 21 附錄 B 無線測溫網(wǎng)絡(luò)中 中心節(jié)點(diǎn) 模塊的 ....................................................................................... 22 附錄 C 源程序 ............................................................................................................................................ 23 4 引言 近年來，智能家居、無線通信、無線控制、無線定位、無線組網(wǎng)等詞語的不斷映入人們眼簾。由于 絡(luò)的普及、家居用具的智能化以及單片機(jī)具有強(qiáng)有力的功能，使得它逐漸來到人們身邊，進(jìn)入我們的日常生活。日益相關(guān)的知識(shí)報(bào)道足以預(yù)測這類新技術(shù)一定具有很強(qiáng)大的生命力和廣闊市場前景。 多的中心節(jié)點(diǎn)都是由電池供電。 發(fā)信息功耗低，休眠 模式等方法降低了傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的功耗，減少了 了省電的優(yōu)點(diǎn)外， 時(shí)， 延短，優(yōu)化了時(shí)延敏感部分的應(yīng)用；網(wǎng)絡(luò)容量較大，一個(gè) 54個(gè)從設(shè)備和一個(gè)主設(shè)備，一個(gè)區(qū)域最多可同時(shí)存在 100多個(gè) 1]。 本設(shè)計(jì)在 出了中心節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案，完成了設(shè)計(jì)硬件電路和程序編寫，最后完成了對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的測試和數(shù)據(jù)分析。 5 第 1 章 緒論 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) (一類特殊 眾多無線傳感器的節(jié)點(diǎn)組織在一起的，這些小型的節(jié)點(diǎn)具有無線通訊、數(shù)據(jù)采集和協(xié)同合作的能力，可以用于電源供給和布線困難或工作人員不能到達(dá)指定的區(qū)域 (如受到污染大、環(huán)境不能被破壞或敵對(duì)的區(qū)域 )和一些臨時(shí)的場合等等 [2]。無線傳感器的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以隨機(jī)的或者特定的安放在目標(biāo)環(huán)境中，它們之間的通訊通過對(duì)特定的協(xié)議組織起來，就能獲得周圍環(huán)境的相關(guān)信息并且相互協(xié)同工作以完成特定任務(wù)。在軍事國防、搶險(xiǎn)救 災(zāi)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)控、城市管理等許多重要場合都有很大潛在的使用價(jià)值，具有十分廣闊的市場前景和應(yīng)用前景。 開發(fā)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用的協(xié)議取決網(wǎng)絡(luò)具體應(yīng)用范圍。 庭控制、建筑自動(dòng)化等方面設(shè)計(jì)的一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。本文將分析 照傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 題背景 隨著當(dāng)今社會(huì)的迅速發(fā)展，人們對(duì)通信技術(shù)的要求正在不斷提升，無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在其中扮演著的角色越來越重要。無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)按照傳輸?shù)姆秶鷣韯澐郑梢苑譃闊o線城域網(wǎng) (無線廣域網(wǎng) (無線局域網(wǎng) (無線個(gè)人域網(wǎng)(其中的無線個(gè)人域網(wǎng)就是所謂的短距離通訊無線網(wǎng)絡(luò)，不僅如此各種短距離無線通訊傳輸技術(shù)更是層出不窮 [3]：藍(lán)牙 ( 線 由于 功耗、時(shí)延短、容量大、可靠度高、安全傳輸?shù)缺姸鄡?yōu)點(diǎn)，所以它主要應(yīng)用在短距離內(nèi)的低速電子設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸，因此非常適用在家電和小型電子的無線指令傳輸?shù)取? 內(nèi)外研究現(xiàn)狀 傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)研究方是當(dāng)今通訊研究方向前沿性的熱 點(diǎn)之一，具有很大的科學(xué)研究意義和廣闊的應(yīng)用前景，已被公認(rèn)為 21世紀(jì)最具研究價(jià)值的課題之一。 我國對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)方面的研究起步較晚，近兩年才受到通訊領(lǐng)域的關(guān)注。國家重大研究項(xiàng)目中包含在“十五”科技攻關(guān)項(xiàng)目中的傳感器網(wǎng)絡(luò)。在民用方面，交通、環(huán)境監(jiān)控、生態(tài)保護(hù)、工業(yè)控制等方面，我們可以用傳感器網(wǎng)絡(luò)及時(shí)準(zhǔn)確的進(jìn)行全方面的檢測和控制。 6 題研究的目的和意義 溫濕度、光照感應(yīng)和監(jiān)測技術(shù)在社會(huì)生產(chǎn)生活各個(gè)方面都有廣泛應(yīng)用，如環(huán)境檢測、醫(yī)療保健、科研等。 目前，此項(xiàng)設(shè)計(jì)的意義在于對(duì)無線測溫的電池供電產(chǎn)品化、實(shí)用化 作出有益的嘗試。對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的體系結(jié)構(gòu)及各個(gè)模塊的能量消耗情況進(jìn)行了初步的分析，提出并解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點(diǎn)構(gòu)架設(shè)計(jì)的系統(tǒng)方式，確定中心節(jié)點(diǎn)主動(dòng)的協(xié)調(diào)方式的架構(gòu)設(shè)計(jì)。 據(jù) 能夠?qū)崿F(xiàn)協(xié)議庫的封裝及模塊化，使得協(xié)議在不同的硬件平臺(tái)間，不同的應(yīng)用系統(tǒng)間的能夠便捷移植，才能給我們解決 4]。 第 2 章 議及其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 絡(luò)結(jié)構(gòu)概述 利用 網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)成為“設(shè)備（ 。網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備按照其功能不同可分為兩種：中心節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)。 調(diào)器，也可以作為終端設(shè)備實(shí)用。在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)里至少需要一個(gè)主協(xié)調(diào)器。而中心子節(jié)點(diǎn)功能非常簡單，可以用最低端的 網(wǎng)絡(luò)了只能作為不需發(fā)送大量數(shù)據(jù)的終端設(shè)備，只能和特定的中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。 議 下圖 2 議棧的概述圖 : 圖 2- 1 議棧概述圖 7 當(dāng)前的 003年提出的由 最主要的優(yōu)點(diǎn)是速率和功耗都很低。各層都實(shí)現(xiàn)了一定的通信功能，并向上一層提供信號(hào)。 統(tǒng)架構(gòu) 速率、近距離、低成 本的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，全球統(tǒng)一無需申請(qǐng)的工作頻段為 協(xié)議是依據(jù) 術(shù)的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)其進(jìn)行了完善和擴(kuò)展而制定的。 種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) : 星型網(wǎng)、樹型網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)，每種網(wǎng)絡(luò)都具有各自的優(yōu)點(diǎn)和不足，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用來選擇3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 整個(gè)遠(yuǎn)程無線溫度測量系統(tǒng)包括溫濕度、光照測終端、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、數(shù)據(jù)發(fā)布與處理服務(wù)器以及用戶終端 [5]。溫濕度、光照測終端實(shí)時(shí)采集和發(fā)送各監(jiān)測點(diǎn)的溫度、濕度、光照，與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器構(gòu)成 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào) 器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的協(xié)調(diào)和接收，并與數(shù)據(jù)處理與發(fā)布服務(wù)器進(jìn)行串口通信，普通用戶終端可以通過 照，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 2 圖 2第 3 章 系統(tǒng)硬件電路的實(shí)現(xiàn) 統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) 溫濕度、光照測終端由溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器、無線通信模塊、微處理器模塊等構(gòu)成，用在測點(diǎn)的溫濕度、光照進(jìn)行采樣，并通過無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將信號(hào)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器中。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器由無線通信和微處理器模塊組成，主要用于接收以及控制各節(jié)點(diǎn)的溫濕度、光照信息，并 通過串口通信 件結(jié)構(gòu)如下圖 3照實(shí)際環(huán)境的需要，還可將顯示或者報(bào) 8 警模塊安裝在終端節(jié)點(diǎn)上，以方便安裝網(wǎng)絡(luò)的測試，同時(shí)也方便了監(jiān)測點(diǎn)附近人員進(jìn)行實(shí)地測量環(huán)境中的各種所需的數(shù)據(jù)。 圖 3圖 3案實(shí)現(xiàn)總框圖 本研究的核心電路是無線測量溫度、濕度、光照，網(wǎng)絡(luò)中的全功能（中心節(jié)點(diǎn)）模塊的設(shè)計(jì)，首先需要設(shè)計(jì)出來符合 模塊電路主要由三個(gè)部分組成：射頻模塊、 圍電路和 圖 3 S Z 0 5 - Z B E E 嵌 入式 無 線 通 信 模 塊M C U ( S T C 1 2 A 3 2 S 2 )上 位 機(jī) P D 指 示 電 路D S 3 2 3 1 時(shí) 鐘 電 路L C D 顯 示 電 路心節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)總框圖 外圍電路包括：指示電路、程序調(diào)試端口、顯示電路等。其中程序調(diào)試端口是利用示電路使用發(fā)光 示電路選用 與 過 時(shí)，在設(shè)計(jì) 入式無線通信模塊 順舟科技的 成了符合 具有通訊距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、組網(wǎng)靈活、性能可靠穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)和特性；可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一對(duì)多、多對(duì)多間的設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸；可組成星型、樹型和蜂窩型網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) [6]。 由器和終端節(jié)點(diǎn)。下表 3 表 3- 1 技術(shù)指標(biāo) 類 別 指標(biāo)名稱 列無線模塊 無線網(wǎng)絡(luò) 傳輸距離 100 米 —2000 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)? 樹型、 星型、鏈型、網(wǎng)狀網(wǎng) 尋址方式 準(zhǔn)地址 55 數(shù)據(jù)接口 最大數(shù)據(jù)包 256 字節(jié) 平收發(fā)、標(biāo)準(zhǔn) 口 串口信號(hào) 據(jù)接口 串口速率 1200 ~ 38400 口校驗(yàn) 據(jù)位 7, 8 校驗(yàn)位 1 收發(fā)器 調(diào)制方式 序擴(kuò)頻 頻率 范圍 線信道 16 接收靈敏度 射功率 5線連接 外置 線或 線 防止沖突 耗 輸入電壓 V 最大發(fā)射電流 70 大接收電流 55 機(jī)電流 10 電模式 110 眠模式 30 有電源接口、控制接口、數(shù)據(jù)接口和系統(tǒng)指示燈接口和 天線接口等等，接口采用標(biāo)準(zhǔn) 系統(tǒng)接口可采用插座或者接線座模式引出到用戶系統(tǒng)，如圖 3 10 圖 3- 1 列嵌入式模塊典型連接圖 統(tǒng)采用了標(biāo)準(zhǔn) 合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用的無線數(shù)據(jù)通信模塊，它的特點(diǎn)是安裝的尺寸小、通訊的距離遠(yuǎn)、抗干的擾能力強(qiáng)、組網(wǎng)靈活等；可以實(shí)現(xiàn)透明傳輸多設(shè)備間的數(shù)據(jù)；可組 裝嵌入式模式，能使您的產(chǎn)品迅速集成最新的 圖 3- 5為 圖 3- 2 列嵌入式模塊實(shí)物圖 11 C 機(jī)接口電路 本設(shè)計(jì)采用 行通信與 相連接，通過串口將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給計(jì)算機(jī)，然后計(jì)算機(jī)根據(jù)相應(yīng)的設(shè)置進(jìn)行操作，其接口電路如圖 3示。 5 L B C 18 4R 1110 0 02 0 12R 1212051243S W 2S W D I P - C P C P - 6 信接口電路 濕度數(shù)字傳感器 帶 字溫濕度、光照傳感器是一種含有已經(jīng)校準(zhǔn)好的信號(hào)輸出的溫濕度、光照復(fù)合傳感器。它可以應(yīng)用于數(shù)字模塊的采集和溫濕度、光照傳感器，確保 每個(gè)產(chǎn)品都具有很高的可靠性與長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件、一個(gè) 溫元件和一個(gè)光敏傳感器，并與一個(gè)高性能的 8 位單片機(jī)連接 [7]。因此此產(chǎn)品優(yōu)點(diǎn)的有品質(zhì)卓越、響應(yīng)極快、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等。 接口電路如下圖： 感器接口電路圖 照傳感器 其中 種集成電路可以根據(jù)收集的光線強(qiáng)度數(shù)據(jù)來調(diào)整液晶或者鍵盤背景燈的亮度。利用它的高分辨率可以探測較大范圍的光強(qiáng)度變化 [8]。 接口電路如下圖： 12 V C D K 4D I V 5S D A 6B H 1 75 0F V 0P 21P 22圖 3照傳感器接口電路圖 第 4 章 系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn) 流程圖 本設(shè)計(jì)的軟件實(shí)現(xiàn)是通過 譯軟件來實(shí)現(xiàn)的。中心節(jié)點(diǎn)模塊主要起到協(xié)調(diào)作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)節(jié)點(diǎn)的巡檢和對(duì)上位機(jī)的通信，如下圖 4示為軟件的總流程圖 系 統(tǒng) 初 始 化 程 序開 始W D 等 待否是 否 有 中斷 產(chǎn) 生執(zhí) 行 中 斷 子 程 序退 出 中 斷是圖 4- 1 程序總流程圖 從流程圖上可以看出，在主程序中一直在等待，所有的功能均是通過中斷來實(shí)現(xiàn)的，本次采用了一個(gè)外部中斷和兩個(gè)串行中斷。兩個(gè)串行中斷分別實(shí)現(xiàn)對(duì)上位機(jī)的串行通信和對(duì)下位機(jī) 點(diǎn)進(jìn)行通信，該處理程序十分重要，它的處理來實(shí)現(xiàn)下位的低功耗 [9]。 13 程序模塊分析 該系統(tǒng)的子程序主要包括 :初始化子程序段、外部中斷子程序、串行中斷 1 和串行中斷 2，在以下各節(jié)中將對(duì)其分別進(jìn)行分析。 始化子程序段 #義為嵌入系統(tǒng)初始化程序段。其中包括設(shè)置堆棧，將示位的存儲(chǔ)區(qū)間 值為 0,設(shè)置程序狀態(tài)字 各寄存器清零，設(shè)置 始化程序，設(shè)置 收和發(fā)送模式，設(shè) 置串行口1 和串行口 2 工作方式，設(shè)置串行通信波特率，開中斷，設(shè)置中斷控制寄存器，置位 部中斷子程序 外部中斷由 生，每當(dāng) 生精確的 1 秒時(shí)都會(huì)觸發(fā)外部中斷 0 產(chǎn)生中斷。在中斷處理程序中，讀取 的值，并調(diào)用顯示子程序，然后向子節(jié)點(diǎn)子節(jié)點(diǎn)模塊發(fā)送 55H 進(jìn)行查詢 [10]。如下圖 4示為外部中斷流程圖。 E X 0 I N D S 3 2 3 1 秒存 儲(chǔ) 器 的 值調(diào) 用 L C D 顯 示 子 程 序向 R F D 發(fā) 送 5 5 H 查 詢和 時(shí) 分 秒 校 驗(yàn) 和R E T - 2 外部中斷流程圖 行中斷 1 子程序 圖 4示為外部中斷流程圖，串行中斷 1 負(fù)責(zé)與上位機(jī)的通信，其采用 信方式，將節(jié)點(diǎn)采集過來的數(shù)據(jù)通過中心節(jié)點(diǎn)（中心節(jié)點(diǎn)）上傳給上位機(jī)。由于中心節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)空間有限，所以要及時(shí)將數(shù)據(jù)發(fā)送給電腦，在電腦中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、存儲(chǔ) [11]。 14 U A R T 1讀 取 S B U F 存 儲(chǔ) 器 的 值將 存 儲(chǔ) 區(qū) 的 數(shù) 據(jù) 通 過R S 4 8 5 發(fā) 送 給 上 位 機(jī)R E T U F = 0 F E H ?是發(fā) 送 校 驗(yàn) 成 功 ？是否否u a r t _ s u c c _ f l a g = 0 ?是否圖 4- 3 串行中斷 1 流程圖 行中斷 2 子程序 串行中斷 2 主要負(fù)責(zé)對(duì)下位機(jī)的巡檢，并與其通信，將節(jié)點(diǎn)對(duì)環(huán)境溫度測試的數(shù)據(jù)采集過 來，并且將接收到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在相應(yīng)的存儲(chǔ)空間，通過 示接收的信息。 15 U A R T 2讀 取 S 2 B U F 存 儲(chǔ) 器 的 值調(diào) 用 L C D 顯 示 子 程 序數(shù) 據(jù) 存 儲(chǔ)R E T B U F = 5 5 ?接 收 數(shù) 據(jù)是接 收 成 功 ？是否否圖 4- 4 串行中斷 2 流程圖 統(tǒng)軟件對(duì)功耗的影響 術(shù)的優(yōu)勢在于其低成本和低功耗的特性，而本設(shè)計(jì)的思想也是在其低功耗的基礎(chǔ)之上進(jìn)行的研究。在整個(gè)系統(tǒng)中，通過中心節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)的相互配合，并提高軟件的實(shí)現(xiàn)效率，以提高中心節(jié)點(diǎn)的巡檢速率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)終端節(jié)點(diǎn)模塊子節(jié)點(diǎn)的節(jié)能研究 [12]。 無線收發(fā)裝置可以在不同的模 式下工作 ,一般具有以下 4 種工作方式 :發(fā)送、接收、空閑和休眠。對(duì)于小功率發(fā)射 ,發(fā)射模式和接收模式的消耗功率基本上是一致的 ,甚至接收 16 比發(fā)射需要更多的功率 ,這主要取決于收發(fā)器的體系結(jié)構(gòu)?？臻e模式的消耗功率可以比接收模式的消耗少 ,或與接收功率相同。為了減少無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的平均功率消耗 ,使得收發(fā)模塊長期處于空閑模式將會(huì)消耗大量的能量。因此 ,需要將收發(fā)器置于休眠狀態(tài) ,而不只是空閑狀態(tài) ,只在必要時(shí)才需要激活，使其工作在一個(gè)低占空比下。但這樣的處理方式會(huì)增加復(fù)雜性 ,因此必須考慮額外消耗的功率和時(shí)間 [13]。 實(shí)驗(yàn)表明：經(jīng)測 試改進(jìn)前的平均工作電流約為 80 進(jìn)后在掃描周期為 60 秒的情況下的平均工作電流為 中在一個(gè)掃描周期內(nèi)其工作狀態(tài)如表 4示。 表 4- 1 子節(jié)點(diǎn)各種工作狀態(tài)下的功率消耗 工作狀態(tài) 工作電流 工作時(shí)間 單片機(jī)掉電、 電（ 高、無 片機(jī)正常、 電 片機(jī)休眠、 待接收狀態(tài) 片機(jī)正常、 常處在接收狀態(tài) 300片機(jī)正常、 常處在發(fā)送狀態(tài) 800片機(jī)正常、 待 75片機(jī)正常、 電 此，一個(gè)優(yōu)化的程序?qū)?jié)點(diǎn)的功耗影響是十分關(guān)鍵的，基于 軟件編寫就是最大化的對(duì)程序進(jìn)行了優(yōu)化。本設(shè)計(jì)中心節(jié)點(diǎn)模塊通過 生精確地同步時(shí)鐘，并且每經(jīng)過一個(gè)小時(shí)進(jìn)行與下位機(jī)節(jié)點(diǎn)的一次校正，保證時(shí)鐘同步；每經(jīng)一秒巡檢一個(gè)節(jié)點(diǎn)，此時(shí)其它節(jié)點(diǎn)處于掉 電狀態(tài)，相對(duì)于下位機(jī)子節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)則每經(jīng)一秒循環(huán)喚醒，其余時(shí)間處于掉電狀態(tài)，這樣就極大地降低了功率的消耗，對(duì) 低功耗研究具有很大的意義 [14]。 第 5 章 系統(tǒng)性能測試 為分析 線通信模塊的性能是否滿足系統(tǒng)需求，針對(duì) 通信距離、數(shù)據(jù)傳輸速率和數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)幾個(gè)性能指標(biāo)進(jìn)行了測試。 信距離測試 測試方法：從主節(jié)點(diǎn)連續(xù)單向發(fā)送時(shí)間信號(hào)給從節(jié)點(diǎn)，發(fā)送次數(shù)為 100 次，檢測從節(jié)點(diǎn)接收信號(hào)成功率。測試結(jié)果分見表 5 5 5 測試環(huán)境 1：室外環(huán)境，無阻隔。 表 5- 1 通信距離測試結(jié)果 1 距離 發(fā)射功率 接收成功率 40ｍ 2500% 50ｍ 2500% 60ｍ 2500% 70ｍ 259% 17 80ｍ 258% 90ｍ 255% 100ｍ 251% 測試壞境 2：室內(nèi)環(huán)境，樓層阻隔（某實(shí)驗(yàn)樓內(nèi)） 。 表 5- 2 通信距離測試結(jié)果 2 距離 發(fā)射功率 接收成功率 40ｍ 2500% 50ｍ 258% 60ｍ 250% 70ｍ 258% 80ｍ 250% 90ｍ 252% 100ｍ 250% 測試環(huán)境 3：室內(nèi)環(huán)境，金屬阻隔物（金屬阻隔物未完全封閉節(jié)點(diǎn)天線）。 表 5- 3 通信距離測試結(jié)果 3 距離 發(fā)射功率 接收成功率 40ｍ 250% 50ｍ 255% 60ｍ 254% 70ｍ 251% 80ｍ 25% 90ｍ 25% 100ｍ 25% 結(jié)果 分析：射頻芯片的發(fā)射功率為 25從節(jié)點(diǎn)的通信距離在 40ｍ范圍之內(nèi)時(shí)，接收效果良好 [15]。當(dāng)距離在 40ｍ～ 100ｍ以內(nèi)，無障礙傳輸效果仍然比較樂觀，但時(shí)，在室內(nèi)環(huán)境下接受成功率比較差，特別是有金屬阻隔時(shí)，超過 70ｍ基本就接收不到了。如果增加發(fā)送功率，或者在節(jié)點(diǎn)間增加中繼器，則傳輸距離將大大增加。測試結(jié)果說明， 線傳輸方式的通信距離滿足測溫系統(tǒng)組網(wǎng)的要求 。 據(jù)傳輸速率測試 測試環(huán)境：室內(nèi)環(huán)境，樓層阻隔，主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)距離約為 50 米，發(fā)射功率為 25統(tǒng)計(jì)誤碼率，無重傳。 測試 步驟： （ 1）從節(jié)點(diǎn)連續(xù)單向發(fā)送設(shè)定個(gè)數(shù)的報(bào)文至主節(jié)點(diǎn)。在報(bào)文發(fā)送開始和發(fā)送完畢時(shí)通過串口輸出提示信息至計(jì)算機(jī)屏幕，利用串口調(diào)試自帶的時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)時(shí)，未重傳。按照此方法連續(xù)測量三次，計(jì)算其平均速率。 （ 2）改變發(fā)送報(bào)文的設(shè)定個(gè)數(shù)，重復(fù)步驟（ 1）兩次。 測量結(jié)果：如表 5示。 表 5- 4 數(shù)據(jù)傳輸速率測試結(jié)果 18 報(bào)文數(shù)目 報(bào)文長度（ 起始時(shí)間 結(jié)束時(shí)間 傳輸速率（ 200000 60 10:20:35 11:24:02 00000 60 11:30:25 11:50:46 0000 60 12:00:50 12:23:31 果分析： 據(jù)傳輸?shù)乃俾手禐?250的是爆發(fā)傳輸速率，在其傳輸過程中，允許單片機(jī)以較低的速率對(duì)射頻芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)的裝載。在實(shí)際應(yīng)用過程中，限制通信速率平均值的主要因素是系統(tǒng)其它操作占用單片機(jī)的 源，從而使單片機(jī)和射頻芯片 間的平均數(shù)據(jù)裝載速率大幅度降低。從以上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，實(shí)際測量數(shù)據(jù)傳輸速率約為 25 第 6 章 結(jié)論與展望 論 本 文在對(duì)無線傳感器及其網(wǎng)絡(luò)協(xié)議技術(shù)分析的基礎(chǔ)上，完成本次設(shè)計(jì)的內(nèi)容：無線測溫網(wǎng)絡(luò)中的中心節(jié)點(diǎn)模塊，它符合 網(wǎng)技術(shù)，擔(dān)任網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者，形成網(wǎng)絡(luò)，讓其它的中心節(jié)點(diǎn)或子節(jié)點(diǎn)連結(jié)，具備控制器的功能，可提供信息雙向傳輸。對(duì)組網(wǎng)的方式，控制效率進(jìn)行研究，并且提出一套實(shí)用的方案。完成模塊的硬軟件設(shè)計(jì)，完成系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)圖和系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。 文章對(duì)該 功能模塊（中心節(jié)點(diǎn)）的設(shè)計(jì)以及軟件的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。主要包括以下兩個(gè)方面 :一是設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了適用于 無線中心節(jié)點(diǎn)模塊；二是實(shí) 現(xiàn)基于 議棧實(shí)現(xiàn)無線組網(wǎng)，并對(duì)其控制效率進(jìn)行研究。 本文中使用了 控制芯片和 線芯片搭建了一個(gè)基于 協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)向終端節(jié)點(diǎn)查詢溫度信息，并將所測溫度通過 線上傳給上位機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)智能控制。 綜上所述，本文所取得的成果和創(chuàng)新點(diǎn)主要有： 用 制原理圖，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)實(shí)際電路的開發(fā)，包括微處理器 無線收發(fā)模塊的電路連接，相應(yīng)外圍電路設(shè)計(jì)， 作等 ，最終完成了能夠運(yùn)用到實(shí)際的中心節(jié)點(diǎn)模塊。 部分包括通信網(wǎng)絡(luò)方案設(shè)計(jì)，通信協(xié)議的編制以及程序調(diào)試，能實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)各節(jié) 點(diǎn)間的通訊。 望 今天的世界已經(jīng)是無線的世界，未來的世界更加是無線的天下，而 術(shù)日趨成熟，市場上對(duì) 應(yīng)用需求越來越大。目前市場上的 決方案，大多是基于 8051、 是 8 位或是 16 位單片機(jī)，正如本設(shè)計(jì)所使用的 19 就是基于 8 位的 片機(jī)微處理器測溫網(wǎng)絡(luò)，雖然能夠滿足本設(shè)計(jì)的要求，但是 仍然存在很多的不足，例如處理效率較低、單線程工作等，且隨著系統(tǒng)的復(fù)雜性增加，其設(shè)計(jì)必然滿足不了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求，故 解決方案向嵌入式方面發(fā)展。而隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展， 理器越來越成為人們關(guān)注，其主要應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，其低成本、功能強(qiáng)大、擴(kuò)展靈活，都非常符合 術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)。 針對(duì)本設(shè)計(jì)采用 處理器來實(shí)現(xiàn)中心節(jié)點(diǎn)模塊的功能，雖然滿足了設(shè)計(jì)的要求，但就以后適應(yīng)市場的發(fā)展，還需要做進(jìn)一步的改進(jìn)。由于時(shí)間的關(guān)系，本設(shè)計(jì)僅僅是做了 絡(luò)中負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)的全功能模塊的設(shè) 計(jì)，其中不免有很多不妥之處，其中仍有很多需要改進(jìn)的地方，比如可以選擇性能更高的處理器，在其基礎(chǔ)上可以設(shè)計(jì)出更加智能化的、功能更加強(qiáng)大 品。如果在設(shè)計(jì)好中心節(jié)點(diǎn)模塊的同時(shí)，可以將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)搭建出來進(jìn)行組網(wǎng)，進(jìn)一步對(duì)應(yīng)用層開發(fā)，增加人機(jī)界面的圖形化、動(dòng)態(tài)化的顯示，更加生動(dòng)地展現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)及信息收發(fā)情況。 20 參考文獻(xiàn) [1] 呂志安 絡(luò)原理與應(yīng)用開發(fā) [M]2008,02. 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