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1、杭杭州州电电子子科科技技大大学学毕毕业业设设计计（论论文文）开开题题报报告告题题 目目基于 GSM 模块的无线监控系统设计与实现学学 院院电子信息学院专专 业业电子信息工程姓姓 名名王 可班班 级级07041812学学 号号07048064指导教师指导教师刘国华一、一、 综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义：综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义：在短距离无线传输技术没诞生前，人们很难想象数码产品交换数据，竟然可以摆脱传统数据线方式进行自由传递。虽说当时情形下，这样并不能带来高速率传输体验，有效距离范围亦都可能受到严格限制；但丝毫没有影响人们对“简便、即时、随地”连接传输功能
2、的渴望。正因为有了上述理由，使得短距离无线传输技术被受关注，更新步伐在一次又一次地跨越开发障碍。然而无线传输这种看不见又摸不着的连线，究竟采用拥有那种神奇力量来取代现有金属传播介质；它的最初雏形到现在主流技术以及未来的发展趋势将会变得如何？ 近年来, 由于数据通信需求的推动, 加上半导体、计算机等相关电子技术领域的快速发展, 短距离无线通信技术也经历了一个快速的发展阶段,WLAN 技术、蓝牙技术、UWB 技术, 以及紫蜂( ZigBee)技术、射频识别(RFID)技术等取得了令人瞩目的成就。短距离无线通信, 分为高速短距离无线通信和低速短距离无线通信两类。高速短距离无线通信最高数据速率大于 1
3、00Mbit/s, 通信距离小于 10m,典型技术有高速 UWB、WirelessUSB；低速短距离无线通信的最低数据速率小于 1Mbit/s, 通信距离小于 100m, 典型技术有蓝牙、紫蜂和低速 UWB。关于短距离无线数据通信，目前最为成熟的三个标准是 IrDA、蓝牙(Bluetooth)和802.11(Wi-Fi)。 1、开山鼻祖红外线 红外线 IrDA（InfraredDataAssociation）是短距离无线传输技术先行者，自从1974 年被成功研发 和投入使用之后，大量被应用到数码产品领域。它是点对点的数据传输协议，通信距离一般在 0 到 1 米之间，传输速率最快可达 16Mbp
4、s，通信介质为波长 900 纳米左右的近红外线。由于其相关模块组件体积紧凑，功耗小、制造成本低廉、支持传统数据交互传递等优点，因此获得了厂商广泛支持。例如：红外线无线鼠标、手机红外线信息交互、PDA 红外线数据接口等相继出现，甚至英特尔TX 系列以后所有电脑主机板，都内置 有红外线预接口电路（未提供接收发射装置） 。2、短距离新星蓝牙 蓝牙（Bluetooth）是用来取代传统红外线传输技术的新星，它在 1998 年 5 月由东芝、爱立信、英特尔、诺基亚以及 IBM 多家企业共同制定，初衷就是用于代替陈旧落后的红外线，使其能够在 10 米直径范围内无指向性进行连接，并达到接近1Mbps 传输速率
5、。第一代蓝牙传输标准采用全球开放式 2.4GHz 工作频段，带有跳频频谱扩展技术可穿越墙壁等障碍物，并最多能够与 7 个蓝牙设备建立连接，传输吞吐数据量得到一定程度提升。但 Bluetooth 同时存在植入成本高、通信对象少、通信速率较低和技术不够成熟的问题，它的发展与普及尚需经过市场的磨炼，其自身的技术也有待于不断完善和提高。3、WIFI 尽享无线网络 WIFI 无线保真全称 Wireless Fidelity，又叫 IEEE802.11（a、b、g）标 准，它是一种全面应用到家用和商用领域短距传输技术。WIFI 工作频段在 2.4GHz 附近，若是碰到信号不稳定场合下，可自适应变频，以降低
6、传输速 度来保证无线数据传输稳定性。与蓝牙技术相比，WIFI 拥有更加高速的传 输速率和对手提电脑良好支援特性，可以非常方便地和目前成熟的以太网 络进行整合，使得无线设备组网成本更加低廉。实际传输速度突出乃 WIFI 技术固有优势，从最低的 11Mbps 到中端 54Mbps 还有 108Mbps 都有完整等级 覆盖；而每种速度 WIFI 设备速率均能向下方兼容，即使采用 11Mbps 速度产 品，都能轻松稳超其它短距传输对手。近些年来，随着集成电路技术的发展，ISM 频段单芯片的无线数据通信 IC 的性能日益提高，短距离无线应用领域也在不断的扩大，其中包括家用电器，消费电子产品，工业控制，安
7、防，自动抄表，汽车遥控控制等诸多领域。本系统采用的就是单片的无线数据通信芯片 nRF905，它采用 Nordic 公司的VLSI shockBurst 技术，提供高速的数据传输。并且给微处理器一个 SPI 接口。它可以自动产生前导码和 CRC 校验码，方便用户自己设定通信协议。传输距离几百米，空旷地带可达上千米。本系统采用 ATMEL AVR 系列单片机 ATmega16 作为主控 CPU。ATmega16 是基于增强的 AVR RISC 结构的低功耗 8 位 CMOS 微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16 的数据吞吐率高，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之
8、间的矛盾。AVR 内核具有丰富的指令集和 32 个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与算逻单元(ALU)相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的 CISC 微控制器最高至 10 倍的数据吞吐率。ATmega16 有如下特点：16K 字节的系统内可编程Flash(具有同时读写的能力，即 RWW)，512 字节 EEPROM，1K 字节 SRAM，32 个通用I/O 口线，32 个通用工作寄存器，用于边界扫描的 JTAG 接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器(T/C),片内/外中断，可编程串行USAR
9、T，有起始条件检测器的通用串行接口，8 路 10 位具有可选差分输入级可编程(TQFP 封装)的 ADC，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个 SPI 串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。工作于空闲模式时 CPU 停止工作，而USART、两线接口、A/D 转换器、SRAM、T/C、SPI 端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作；在省电模式下，异步定时器继续运行，允许用户保持一个时间准，而其余功能模块处于休眠状态；ADC 噪声抑制模式时终止 CPU 和除了异步定时器与 ADC 以外所有 I/O 模块的工作，以降低 ADC
10、 转换时的开关噪声；Standby 模式下只有晶体或谐振振荡器运行，其余功能模块处于休眠状态，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力；扩展 Standby 模式下则允许振荡器和异步定时器继续工作。本芯片是以Atmel 高密度非易失性存储器技术生产的。片内 ISP Flash 允许程序存储器通过 ISP串行接口，或者通用编程器进行编程，也可以通过运行于 AVR 内核之中的引导程序进行编程。引导程序可以使用任意接口将应用程序下载到应用 Flash 存储区(Application Flash Memory)。在更新应用 Flash 存储区时引导 Flash 区(Boot Flash Memo
11、ry)的程序继续运行，实现了 RWW 操作。通过将 8 位 RISC CPU 与系统内可编程的 Flash 集成在一个芯片内，ATmega16 成为一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。国内外研究现状：自 70 年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外温度测控系统发展迅速，尤其是控制方面，在智能化、自适应、参数自整定等方面取得显著成果。在这方面，以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及温度测试仪器仪表，并在各行业广泛应用。温度测控系统在国内各
12、行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的温度控制器及测温仪表来说，总体发展水平仍然不高，同国外的日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大的差距。目前，我国在这方面的总体技术水平还处于 20 世纪80 年代中后期水平，成熟产品主要以“点位”控制及常规的 PID 控制器为主，只能适应一般温度系统测控，难于控制滞后、复杂、时变温度系统。而适应于较高控制场合的智能化、自适应测控仪表，国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表也较少。本系统成本低、功耗低、且协议简单、工作稳定、十分适合低成本的短距离无线通信的场合, 如在烟叶、粮食等仓库或恶劣环境中的近距离温度测试等领域中应用, 因此在
13、国内有广阔的应用前景。所以选取本课题 “短距离无线温度测试系统”加以研究不仅有它在生产生活中的实际应用价值，同时也表示了我探究计算机测量控制系统新技术的开始。这具有十分重要的意义。二、研究的基本内容，拟解决的主要问题：二、研究的基本内容，拟解决的主要问题：研究的基本内容：系统的温度数据采集和数据的无线传输及键盘操作的软件实现。结合硬件先给出系统的硬件结构框图，如下：图 1 系统硬件结构框图需要解决的主要问题：作为负责本系统的软件部分的设计，要解决以下问题：(1) 设计数据通讯系统的硬件原理图，并绘制 PCB 进行投板制作。 (2) 用单片机编程实现对 nRF905 无线模块的控制； (3) 用
14、单片机编程实现对温度采集模块的控制； (4) 编程实现温度的无线短距离传输； (5) 设计通讯协议，实现多点传送。(6) 优化程序设计，在发射功率一定的前提下，延长通信距离。系统软件采用模块化设计，最后通过主程序将它们联系起来。这是问题的关键。系统软件分为两部分：下位机部分和上位机部分。下位机部分负责数据的采集、数据的无线发送，软件包括：数据采集模块、数据的无线发送模块；上位机负责数据的无线接受、处理键盘的操作、数据的显示以及报警功能，软件包括：数据的接受模块、数据的显示模块、键盘处理程序。主程序分为上位机的主程序和下位机的主程序，上位机主程序主要完成键盘识温度传感器DS18B20单片机（下位
15、机）ATmega16射频芯片nRF905键盘操作单片机（上位机）ATmega16射频芯片nRF905报警电路显示电路开始温度采集系统初始 化发温度数据 给上位机发温度数 据收到正确的 主机信号发控制信 号别，参数显示和温度数据处理。下位机主程序主要是采集温度数据，并发送给主机，同时执行主机发出的控制指令。具体流程图如图所示：YN 图 2 为上位机主程序流程图YN 图 3 下位机的主程序流程图三、研究步骤、方法及措施：三、研究步骤、方法及措施：首先在网上及图书馆数据库查找相关资料，充分利用相关数字资源及图书，对传感器技术和无线数据传输技术的研究现状和应用前景进行全面的了解，由于本人参加过电子设计
16、，对 AVR 系列的单片机比较熟悉，因而接下来集中时间学习了matlab 的 GUI 设计，为上位机的设计打下基础。最后，按要求完成短距离无线温度测试系统的设计。具体分以下步骤：1、选择课题：了解传感器技术和无线数据传输技术的历史、现状和未来发展前景。2、选择研究方向：由于传感器技术和无线数据传输技术的应用范围广，技术要求也高，所以选择一个方面进行了解掌握。我选择研究 ISM 频段的无线技术，并采用单片集成收发功能的 nrf905 进行系统制作，通讯实验。3、开题报告：查看、阅读相关资料，制作出研究步骤及时间安排的计划书。4、熟悉其原理：根据已查到的相应资料设计短距离无线数据通讯系统的一般硬件开始系统初始 化显示键盘处理收到下位机 信号温度数据 处理发送控制信 号电路图，掌握相关涉及芯片的软件设计，熟悉 matlab GUI 开发环境，对涉及的各种 GUI 控件进行实验尝试。5、设计方案：研究基于短距离无线温度测试系统的工作原理，根据其原理选择相关
