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1、1 前 言1.1 课题的目的及意义随着我国科技迅猛发展，工业化程度不断地得到提高，但自然生态环境却遭到了越来越严重的破坏。现实生活中，随着人们生活水平的提高，对生活环境的质量也提出来更高的要求。当前，国内用于民用的生活环境监测系统较少，环境监测点通常位置分散、地理条件复杂、无人值守，因此人工抄取各监测点的数据很不方便、执行效率低，有线方式收集各检测点的数据投入大、布线麻烦、传输距离有限，没有形成完善的监控网。环境检测技术被广泛应用于人们的日常生产和生活当中，传感器无疑是测量系统中重要的组成部分。但是伴随传感器而来的是大量的数据线缆，众多的线缆不仅带来布线复杂的不便，而且存在着短路、断线隐患，成
2、本高、易老化，错综复杂的线路还给系统的调试和维护增加了难度。同时对于一些临时使用的传感器，搭接线缆十分不便。因此，寻找一种便捷的、能够满足数据通信要求的无线通信技术，以解除线缆搭接复杂的困扰，成为一个亟待解决的问题。随着射频技术、微电子技术及集成电路技术的进步，无线通信技术取得了飞速的发展，无线通信的实现越来越容易，传输速度越来越快，可靠性越来越高，并且逐渐达到可以和有线网络相媲美的水平。与有线方式相比，无线方式具有如下几个显著的特点: 传输介质采用的是电磁波，特别适用于那些不适合或不方便架设电缆的现场。 在应用单片机编解码接口技术的无线通信系统中，采用多字节地址编码，收发器的数量不受限制。
3、具有电路简单、功耗小、体积小、成本低等优点。研究工业环境下的无线数据通信技术是近年来新的发展趋势，无线技术已经渗透到数据采集领域，本设计将传感器技术与数据无线传输技术结合，成功完成温度、亮度、湿度、噪声等检测与无线传输系统的硬件电路和系统软件设计，力图以无线化解决由铺设电缆带来的诸多问题，为工业控制带来便利。随着单片机的广泛应用和通信技术的日趋发展，超远程的实时监控越来越备受关注，尤其在国防和工业生产中更是起着无可替代的作用。针对上述情况，设计了一种基于单片机的环境监测无线网络系统。1.2 环境监测技术现状近年来，随着工业生产效率的不断提高，自动化水平与范围的不断扩大，对环境监测技术的要求也愈
4、来愈高，各国专家都在有针对性地竞相开发各种特殊而实用的测量技术，并取得了重大进展。但目前我国环境监测仪器多是中小型企业生产，产品基本集中在中低档的环境监测仪器，远不能适应我国环境监测工作发展的需要。主要表现为：技术档次低，低水平和重复生产严重，规模效益差。产品质量不高，性能不稳定，一致性较差，使用寿命短，故障率高。研究开发能力较低，在线监测仪器的系统配套生产能力较低，不能适应市场的需要。1.3 无线通信技术的发展及现状无线通信技术已经在我们的日常生活中得到了广泛的应用，目前应用广泛的短距离无线通信技术主要有IEEE802.11 WLAN、蓝牙、IrDA、Home-RF、ZigBee、微功率短距
5、离无线通信技术等。与目前己经具备相当规模的无线长距离通信网络相比，短距离无线通信系统在基本结构、服务范围、应用层次及通信业务(数据、话音)上，均有很大的不同。（1）IEEE802.11802.11是个系列标准，由5个现行有效的标准802.11、802.lla、802.11b、802.1lb-Corl、802.11c和5个正在发展制定中的标准802.1le、802.11f、802.11g、802.llh、802.11i组成。IEEE802.llb技术标准是无线局域网的国际标准，自发布之日起就得到了广泛的应用，迄今为止仍是应用热点。该标准工作在2.4GHz的频段上，采用了补码键控(CCK)调制技术
6、和直接序列调频(DSSS)技术，最大传输速率可达11Mbit/s，并且可以根据情况的变化，在11Mbit/s、5.5Mbit/s、2Mbit/s、1Mbit/s的不同速率之间自动切换，且在2Mbit/s、1Mbit/s的速率时与802.11兼容，它从根本上改变了WLAN的设计和应用现状，扩大了WLAN的应用领域。现在，大多数厂商生产的WLAN产品都基于802.11标准。802.l1a标准与802.11b 标准同年制定，它工作在5GHz频段上，使用OFDM(Orthogonal Frequeney Division Multiplexing)调制技术，支持6、9、12、18、24、36、48和5
7、4Mbit/s的传输速率。802.llb与802.lla两个标准都存在着各自的优缺点。802.llb的优势在于价格低廉，但速率较低(最高11Mbit/s)，而802.lla优势在于传输速率快(最高54Mbit/s)且受干扰少，但价格相对较高。另外，802.llb与802.lla工作在不同的频段上，不能工作在同一接入点(AP)的网络里，因此802.llb与802.lla互不兼容。为了解决上述问题，IEEE802.ll工作组开始定义新的物理层标准802.11g。802.11g标准与以前的802.11协议标准相比有以下两个特点：在2.4GHz频段使用正交频分复用(OFDM)调制技术，使数据传输速率提
8、高到20Mbit/s以上；能够与802.llb的Wi-Fi系统互相连通，共存于同一AP的网络里，保障了后向兼容性，延长了802.llb产品的使用寿命，降低了用户的投资。（2）蓝牙（Bluetooth）技术蓝牙技术作为一种近距离无线连接的全球性开放规范，己经得到了全球众多大企业的支持。蓝牙技术同时支持语音和数据传输，使用跳频扩频技术，本身包括纠错机制，可靠性高，蓝牙规范的核心部分协议允许多个设备进行相互定位、连接和交换数据，并能实现互操作和交互式应用。但是蓝牙设备价格昂贵，通信协议复杂，通讯距离近，蓝牙RF定义了三种功率等级(100mw，25mw和lmw)当蓝牙设备功率为lmw时，其发射范围一般
9、为100m。在蓝牙技术的使用过程中，人们发现蓝牙技术尽管有许多优点，但仍存在许多缺陷。对工业，家庭自动化控制和遥测遥控领域而言，蓝牙技术显得太复杂，功耗大，距离近，组网规模太小等，而工业自动化对无线通信的需求越来越强烈。（3）红外（IrDA）技术IrDA(Infrared Data Association)是由红外数据协会提出并推行的一种无线通信协议，这种通信方式通过数据电脉冲和红外光脉冲之间的相互转换实现无线数据的收发。IrDA设备使用发光二极管发送信号，波长范围875nm30nm。新制定的超高红外(VFIR)标准传输速率达到16Mpbs，相比传统版本的4Mbps快了4倍，接收角度也由原来的
10、30度扩展到120度。IrDA设备的使用不需要申请特定频率的使用执照，并且还具有体积小、功耗低、技术成熟的优点。IrDA数据传输速率比较高，同时由于是点对点的通信，受到的干扰也较小，目前在成熟度和普及度上，IrDA是新兴的无线通信技术无法比拟的。但是，IrDA的缺点也很明显。首先IrDA是一种视距传输技术，通信设备中间不能有任何阻挡物，通信设备的位置也需要相对固定，不适宜用于移动数据传输；其次，IrDA只能实现点对点的无线通信，不能完成点对多点的无线通信；最后，IrDA设备的核心器件一红外LED容易损坏，因而设备寿命有限。（4）无线单片技术该技术一般采用单片数字信号收发芯片，加上微控制器和少量
11、外围器件构成专用或通用无线通信模块。一般射频芯片采用FSK调制方式，工作于ISM频段，一些必要的外围模块都已经集成在芯片内部，并且提供了简单透明的数据传输议或使用简单的加密协议，用户不用对无线通信原理和工作机制有较深的了解只要依据芯片提供的操作接口进行操作即可实现基本的数据无线传输功能。由于其功率小、价格低廉、开发简单快速因而在工业、民用领域得到了广泛的应用。但数据传输速度、流量都较小，因此比较适合搭建对数据传输速度要求不高的小型网络。目前，很多公司推出了这种类型的单片无线收发芯片，其中比较典型的是Nordic公司推出的nRF系列芯片。在对短距离无线通信的研究方面，目前国外除了继续完善和提高短
12、距离无线通信技术以外，对由短距离无线通信设备构成的无线网络进行了较多的理论研究，其典型代表是对主要应用于军事的无线传感器网络的研究。这些研究主要集中在无线网络的路由协议、介质访问协议，节点间的同步以及数据融合技术等方面，并提出了大量针对不同应用的网络模型和通信协议。目前国内高校对短距离无线通信在生产和生活中的应用上研究的较多。其中郑州大学的周勇庆、武汉科技大学的钱丽、吉林大学的尹刚、浙江大学的张辉等分别对短距离无线通信在汽车轮胎压力实时监测、酒店无线点菜、不停车收费、工业控制系统总线的无线传输等领域的应用进行了研究。这些研究大多着重于无线通信功能的实现，对应用中的低功耗和抗干扰性能没有进行深入
13、的研究。1.4 课题研究内容环境监测与无线传输系统是无线通信技术在温度数据无线传输方面的一个具体应用。该系统属于无线通信系统，设计的最主要内容是对其完成功能得各部分硬件电路设计和系统软件设计。设计时应注意以下几方面： 选用传感器时，应重点考虑测量精度高，抗干扰能力强，稳定性好，信号易于处理、传送，安装方便，维护简单的器件。 在硬件设计时，结构要尽量简洁实用、易于实现，应尽量使用各种总线技术，以节约系统有限的I/O资源，使系统电路尽量简单。 在硬件电路和软件程序设计时，一定要增加抗干扰措施，提高系统的抗干扰能力，保证系统稳定性。 软件设计必须要有完善的思路，要充分考虑到各传感器和无线收发器的时序
14、，做到程序简单，调试方便。 通过软件设计，尽量降低无线数据传输过程中的误码率。2 系统方案论证与设计2.1 系统设计要求分析基于单片机的环境检测与无线传输系统具有如下要求： 为了能大范围的采集现场传感数据，系统由多个传感器节点和数据接收端组成，两者之间以CAN总线方式传输数据。传感器节点和数据接收端的关系是点对多点的通信关系，各个传感器节点具有相同的结构。传感器节点与数据接收端共同组成了一个小型的CAN总线传感器网络。 考虑到系统应用于无法布线环境下的数据采集，因而传感器节点的电源由电池来提供，由于现场设备运行的长期性及更换电池的诸多不便，采集节点必须具有低功耗，以确保系统在电池供电条件下能正
15、常工作4个月以上。 由于数据接收节点工作位置相对固定，工作地点无布线条件限制，接收端接受到的各个传感器节点的数据在经过处理后，由数码管显示并通过通信接口传送到外部网络，也可在上位机上进行数据的显示、存储及其它相关操作。为使系统结构简单，接收节点也采用电池供电。 系统工作环境恶劣，各种千扰因素多，因此需要在硬件和软件上采取相应措施来提高系统的抗干扰能力，以保证数据传输的可靠性。 系统应具有体积小、成本低、开发周期短、功耗低的特点。2.2 系统总体方案实现分析本系统要求将监测到的现场温湿度、亮度、噪声等情况传送到环境监控中心，有环境监控中心和以若干个发送中端为基本监测点的监测系统，即建立一个点到多个点的通信网络。系统主要构成有：数据采集模块、单片机控制模块、发射和接受及监控模块，其结构如图2.2.1所示。数据采集模块将采集信息通过CAN总线网络传输至无线模块，利用无线网络，以无线的形式发送出去，接受模块将接收到的信息送给监控计算机，来实现显示监控。整个系统需要解决四个技术难题： 单片机如何控制A/D转换器来处理现场的数据； 单片机怎样与无线发射模块实现连接和通信； 接收模块； CAN总线网络的传输。单 片 机 控 制PC机数据采集点数据采集点无线发射模块无线接收模块单 片 机 控 制语音播报LCD显示CAN总线 RS232图2.2.1系统总体结构框图
