安全生產(chǎn)許可證和三類(lèi)人員資格證書(shū)管理系統(tǒng)

1、 二二 一一 四四 年年 六六 月月 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 學(xué)校代碼：學(xué)校代碼： 1012810128 學(xué)學(xué) 號(hào)：號(hào)： 題題 目目： 隧隧道道環(huán)環(huán)境境無(wú)無(wú)線線傳傳感感網(wǎng)網(wǎng)溫溫度度采采集集系統(tǒng)系統(tǒng) 學(xué)學(xué)生生姓姓名名 ： 學(xué)學(xué) 院院 ： 信信 息息 工工 程程 學(xué)學(xué) 院院 系系 別別： 軟軟 件件 工工 程程 系系 專(zhuān)專(zhuān) 業(yè)業(yè)： 軟軟 件件 工工 程程 班班 級(jí)級(jí)： 軟軟 件件 10101 1 班班 指指導(dǎo)導(dǎo)教教師師 ： 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 摘 要 隨著物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代到來(lái)，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)開(kāi)始得到廣泛的應(yīng)用。設(shè)計(jì)隧道環(huán)境無(wú)線 自組網(wǎng)溫度采集系統(tǒng)的目的是能夠檢測(cè)礦山隧道環(huán)境中的

2、溫度，在發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)系統(tǒng) 發(fā)出警報(bào)，為礦山中工作人員的生命安全提供有力的保障。本系統(tǒng)采用美國(guó) TI 公司 低功耗、高性能的嵌入式芯片，能夠在采用普通電池供電的情況下，在惡劣的環(huán)境 中長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。該系統(tǒng)應(yīng)用于礦山隧道溫度采集，溫度傳感器感知溫度信息，通 過(guò)無(wú)線自組網(wǎng)將采集到的溫度信息遠(yuǎn)程無(wú)線傳送到控制中心，控制中心接收數(shù)據(jù)保 存并分析，隨時(shí)隨地掌握采集點(diǎn)溫度的變化情況，為溫度控制系統(tǒng)提供環(huán)境溫度信 息。 本系統(tǒng)使用 IAR Embedded Workbench 集成環(huán)境進(jìn)行下位機(jī)軟件的開(kāi)發(fā)，Visual C+ 完成上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)，利用 SmartRF Studio、TAG 仿真器、MspFet

3、 BSL 下載器、 Protel、串口調(diào)試助手等軟硬件工具協(xié)助完成系統(tǒng)開(kāi)發(fā)調(diào)試。 本系統(tǒng)采用自行設(shè)計(jì)的無(wú)線自組網(wǎng)協(xié)議，使傳感器節(jié)點(diǎn)具有自組織能力，能夠 自主形成多跳無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)兼具路由器和終端節(jié)點(diǎn)的功能。系統(tǒng)中傳感器節(jié) 點(diǎn)采用 TI 公司的 MSP430F149 型混合信號(hào)處理器，利用 CC1101 超低功耗無(wú)線模塊 自動(dòng)輪詢(xún)喚醒功能，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)低功耗的特性。系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便，成本低廉，適合在 礦山等惡劣的環(huán)境中應(yīng)用。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；低功耗；溫度采集；無(wú)線傳感網(wǎng)；無(wú)線自組網(wǎng) 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) Abstract As the age of The Internet

4、of things coming, wireless sensor network has been widely used. The purpose of designing The Temperature Acquisition System based on Wireless Sensor Network in Tunnel Environment is able to detect temperature in the mine tunnel environment. In the event of danger, the system alerts, which can provid

5、e strong guarantee for staffs life safety in mines. The system adopts TI Companys embedded chip of which can be low power and high performance. In the case of using ordinary batteries, the system can work in the harsh environment for a long time. The temperature acquisition system is applied in mine

6、 tunnels,where temperature sensor senses the temperature information. The temperature data is transmitted to the control center via wireless ad hoc network. The control center stores and analyses data after receiving it. We can know the temperature changes at the collection point any time. That can

7、provide temperature information to the temperature control system. The system uses the IAR Embedded Workbench IDE for controlling program, Visual C+ IDE for PC program, SmartRF Studio, JTAG emulator, MspFet Boot-Strap Loader, Protel and Serial debugging assistants to help complete the system develop

8、ment and debugging. The system utilizes a wireless self-organizing network protocol that designed by myself. Sensor nodes have the ability to self-organization and can independently form a multi-hop wireless transmission network. Both the router and the terminals function Sensor node features. With

9、Sensor nodes using MSP430F149 mixed signal processor of TI Company and CC1101 using the ultra low power wireless modules polling automatic wake-up function, the System achieves low power consumption. The system is Easy to operate, low cost and suitable for mining and other harsh environments applica

10、tions. Keywords：Embedded system; low-power; temperature acquisition; Wireless Sensor Network; Wireless Ad Hoc Network 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 目 錄 引言.1 第一章概述.2 1.1項(xiàng)目背景.2 1.2系統(tǒng)開(kāi)發(fā)意義.2 1.3系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境.2 1.4系統(tǒng)主要功能.3 第二章系統(tǒng)開(kāi)發(fā)概述.4 2.1無(wú)線傳感網(wǎng)概述.4 2.2WINDOWS系統(tǒng)編程概述.4 2.3硬件概述.5 2.3.1MSP430F149 型單片機(jī)概述.5 2.3.2DS18B20 溫度傳感器概述.8

11、2.3.3無(wú)線傳輸模塊 CC1101 概述 .10 2.3.4液晶顯示器 LCD1602 概述.13 第三章系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì).17 3.1系統(tǒng)需求分析.17 3.2硬件設(shè)計(jì).17 3.2.1節(jié)點(diǎn)信息處理.17 3.2.2溫度信息采集.21 3.2.3信息無(wú)線傳輸.23 3.2.4溫度信息顯示.27 3.2.5警報(bào)觸發(fā)模塊.28 3.3軟件設(shè)計(jì).28 3.3.1下位機(jī)軟件設(shè)計(jì).28 3.3.2上位機(jī)軟件設(shè)計(jì).33 第四章系統(tǒng)實(shí)現(xiàn).35 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 4.1嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn).35 4.1.1下位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn).35 4.1.2上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn).36 結(jié)論.37 參考文獻(xiàn).38 附錄.40

12、 謝 辭.42 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 圖 表 清 單 圖 2- 1 MSP430F149 硬件結(jié)構(gòu)圖.5 圖 2- 2 MSP430F149 外圍引腳分布.6 圖 2-3 MSP430CPU 結(jié)構(gòu)圖 .7 圖 2-4 DS18B20 T0-92 引腳封裝圖.9 圖 2-5 DS18B20 初始化時(shí)序.9 圖 2-6 DS18B20 讀寫(xiě)時(shí)序.10 圖 2-7 CC1101 電路圖.11 圖 2-8 CC1101 的狀態(tài)機(jī) .13 圖 2-9 LCD1602 實(shí)物圖 .14 圖 2-10 圖 二-1 LCD1602 接口電路圖.15 圖 3-1 標(biāo)簽工作流程 .19 圖 3-2 閱讀

13、器工作流程 .21 圖 3-3 溫度轉(zhuǎn)換函數(shù) .22 圖 3-4 溫度存儲(chǔ)形式 .23 圖 3-5 溫度采集模塊 .23 圖 3-6 CC1101 無(wú)線傳輸模塊.24 圖 3-7 MSP430 與 CC1101 連接電路圖.25 圖 3- 8 CC1101 工作流程.26 圖 3-9 數(shù)據(jù)包格式 .27 圖 3-10LCD1602 工作過(guò)程.27 圖 3-11 警報(bào)電路 .28 圖 3-12 無(wú)線自組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) .29 圖 3-13 路由表格式 .29 圖 3-14 標(biāo)簽廣播包 .30 圖 3-15 標(biāo)簽路由交換包 .30 圖 3-16 溫度采集數(shù)據(jù)包 .30 圖 3-17 標(biāo)簽 AB 相鄰時(shí)

14、網(wǎng)絡(luò)狀況 .31 圖 3-18 標(biāo)簽 AB 不相鄰時(shí)網(wǎng)絡(luò)狀況 .32 圖 3-19 多標(biāo)簽相鄰時(shí)網(wǎng)絡(luò)狀況 .33 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 圖 3- 20 上位機(jī)監(jiān)控終端操作步驟 .34 圖 4-1 調(diào)試操作步驟 .36 圖 4- 2 上位機(jī)軟件監(jiān)控界面 .36 表 2-1 MSP430F149 中斷向量表.8 表 2-2 DS18B20 引腳說(shuō)明.9 表 2-3 CC1101 引腳說(shuō)明.12 表 2-4 LCD1602 引腳說(shuō)明 .15 表 2-5 LCD1602 操作指令表 .16 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 1 引 言 物聯(lián)網(wǎng)利用傳感器、射頻識(shí)別 RFID 等技術(shù)構(gòu)造一個(gè)覆

15、蓋世界的物物相連的網(wǎng) 絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)能夠智能化識(shí)別、監(jiān)測(cè)、定位跟蹤和管理目標(biāo)，可以全面地感知人和物 體信息。在現(xiàn)代物流、智能建筑、食品、醫(yī)療、智能家居、智能交通等行業(yè)物聯(lián)網(wǎng) 已經(jīng)開(kāi)始得到廣泛應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)包括無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)、傳感器節(jié)點(diǎn)感 知技術(shù)、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)挖掘、云計(jì)算等關(guān)鍵技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)的時(shí)代到來(lái)，已經(jīng)從個(gè) 人到家庭，再到工業(yè)生產(chǎn)都已滲透到生活的每個(gè)角落。 在工業(yè)生產(chǎn)中，利用人工的方式對(duì)環(huán)境的監(jiān)測(cè)和控制已經(jīng)無(wú)法滿足社會(huì)的快速 發(fā)展了。在礦山采礦時(shí)，常常會(huì)因?yàn)楣ぷ魅藛T的疏忽而給企業(yè)的財(cái)產(chǎn)和工作人員的 安全帶來(lái)極大的危害。尤其是在隧道，井下煤礦等環(huán)境下常常發(fā)生爆炸事故造成巨 大的傷害。若采

16、用有線連接方式連接環(huán)境信息采集網(wǎng)絡(luò)，長(zhǎng)時(shí)間工作可能會(huì)造成因 強(qiáng)電燒毀傳感器原件，線路老化等問(wèn)題，影響環(huán)境信息的采集。將無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技 術(shù)應(yīng)用到礦山隧道環(huán)境的監(jiān)測(cè)和控制當(dāng)中，不僅能減少人員的投入，降低成本，避 免有線連接方式帶來(lái)的困擾，還能在環(huán)境惡化時(shí)發(fā)出警報(bào)，有效地避免危險(xiǎn)狀況的 發(fā)生。在惡劣的環(huán)境中，無(wú)線自組網(wǎng)溫度采集系統(tǒng)能夠穩(wěn)定的工作，實(shí)時(shí)采集環(huán)境 中溫度信息，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給監(jiān)控終端，監(jiān)控人員通過(guò)監(jiān)控終端的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軟 件 能及時(shí)了解被檢測(cè)地點(diǎn)的溫度信息。礦山隧道環(huán)境的監(jiān)測(cè)和控制對(duì)于避免礦難事 故的發(fā)生有著重要的意義。 無(wú)線傳感網(wǎng)中傳感器節(jié)點(diǎn)體積小、重量輕、功耗低、鋪設(shè)方便，能在電池供電

17、 的情況下連續(xù)工作數(shù)月甚至數(shù)年都無(wú)需更換電源。在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)傳感器 節(jié)點(diǎn)都運(yùn)行相同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)可以直接替換掉而不影響網(wǎng)絡(luò) 中其他節(jié)點(diǎn)的信息傳輸。本系統(tǒng)軟件復(fù)用性強(qiáng)，只需對(duì)系統(tǒng)做輕微改動(dòng)，更換傳感 器元器件后便能實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境中其他信息的采集和監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際狀況 而開(kāi)發(fā)的隧道環(huán)境無(wú)線自組網(wǎng)溫度采集系統(tǒng)能適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，系統(tǒng)工作溫度 范圍在-25C 到 125C，適合國(guó)內(nèi)主要工礦企業(yè)、交通道路等需要溫度信息采集的場(chǎng) 合。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 2 第一章 概述 1.1項(xiàng)目背景 社會(huì)飛速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)化的時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。物聯(lián)網(wǎng)離我們?cè)絹?lái)越近，無(wú)線

18、傳感網(wǎng)已經(jīng)開(kāi)始大量應(yīng)用在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人們的日常生活中。各式各樣的傳感器在 日常生活中已司空見(jiàn)慣，無(wú)線自組網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用范圍愈加廣泛。將傳感器檢測(cè)與無(wú)線 自組網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，可完成對(duì)環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制。無(wú)線測(cè)溫技術(shù)是近年來(lái)隨著無(wú) 線傳輸方式的發(fā)展和智能溫度傳感器的出現(xiàn)而新興的一項(xiàng)現(xiàn)代化溫度測(cè)量技術(shù)。監(jiān) 視人員可利用普通 PC 機(jī)，手機(jī)等終端設(shè)備方便地了解被監(jiān)測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境并進(jìn)行適時(shí) 地發(fā)出控制命令。利用無(wú)線傳輸模塊和單片機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)近距離低功耗傳輸 數(shù)據(jù)，具有操作靈活，可拓展性強(qiáng)，通用性強(qiáng)，可應(yīng)用在各種無(wú)線遙測(cè)領(lǐng)域。 1.2系統(tǒng)開(kāi)發(fā)意義 如今工業(yè)的生產(chǎn)安全受到人們的廣泛關(guān)注，該無(wú)線傳感網(wǎng)溫度采集系

19、統(tǒng)應(yīng)用于 礦山隧道中溫度信息的采集。傳感網(wǎng)中采用智能溫度傳感器感知溫度信息，通過(guò)無(wú) 線自組網(wǎng)絡(luò)將采集到的溫度信息無(wú)線傳送到控制中心，控制中心接收數(shù)據(jù)保存并分 析，隨時(shí)隨地掌握采集點(diǎn)溫度的變化情況，為溫度控制系統(tǒng)提供環(huán)境溫度信息。在 本系統(tǒng)中當(dāng)環(huán)境中溫度過(guò)高，超過(guò)溫度閾值，節(jié)點(diǎn)能發(fā)出警報(bào)，以提醒在礦山中工 作的人員，減少意外的發(fā)生造成的傷害。本系統(tǒng)為野外勘探、采礦等工作人員的安 全提供了保障。而現(xiàn)有的礦山環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中多數(shù)采用有線方式連接，能耗較高， 此系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)能有效地降低使用成本，具有較強(qiáng)的抗毀能力,因此本系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)具有 重要的意義。 1.3系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境 本無(wú)線自組網(wǎng)溫度采集系統(tǒng)為嵌入式系統(tǒng)

20、類(lèi)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，須同時(shí)具備軟硬件環(huán)境 才能完成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境如下： 軟件環(huán)境：Windows XP 及以上操作系統(tǒng)，IAR Embedded Workbench , Visual C+ 6.0，MspFet， SmartRF Studio 7,串口調(diào)試助手等。 硬件環(huán)境：PC 機(jī)，MSP430F149 型單片機(jī)， CC1101 無(wú)線傳輸模塊，溫度傳感 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 3 器，警報(bào)模塊。 1.4系統(tǒng)主要功能 本溫度采集系統(tǒng)主要針對(duì)礦山隧道環(huán)境，綜合考慮各方面因素，并根據(jù)前期對(duì) 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的調(diào)研，對(duì)系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行了明確的定義。其主要功能如下： 溫度采集模塊：系統(tǒng)在

21、隧道環(huán)境中利用帶有傳感器的節(jié)點(diǎn)對(duì)環(huán)境中的溫度進(jìn)行 采集。 標(biāo)簽?zāi)K：即為各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，主要用于溫度信息的收集。標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)主要負(fù) 責(zé)溫度采集，采用特定的數(shù)據(jù)包格式將采集到的溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給閱讀器；此外，標(biāo) 簽節(jié)點(diǎn)需要廣播自己的地址，轉(zhuǎn)發(fā)其他標(biāo)簽的數(shù)據(jù)包，與其他標(biāo)簽通信，建立路由 表，完成與網(wǎng)內(nèi)通信，數(shù)據(jù)傳輸。 無(wú)線傳輸模塊：CC1101 無(wú)線傳輸模塊將標(biāo)簽中特定格式的數(shù)據(jù)包發(fā)送出去，并 接收由其他無(wú)線傳輸模塊發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)包。 閱讀器模塊：即中心控制節(jié)點(diǎn)。閱讀器接收到標(biāo)簽發(fā)來(lái)采集到的溫度數(shù)據(jù)，然 后通過(guò)串口發(fā)送給 PC 機(jī)。 上位機(jī)監(jiān)控軟件：PC 機(jī)接收來(lái)自閱讀器的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以文字和圖形的方式 顯

22、示在屏幕上，并在隧道環(huán)境溫度出現(xiàn)異常時(shí)發(fā)出警告。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 4 第二章 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)概述 2.1無(wú)線傳感網(wǎng)概述 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network)是物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)之一，主要應(yīng)用于物 聯(lián)網(wǎng)的傳感層、傳輸層、處理層、應(yīng)用層四層中的傳輸層。無(wú)線傳感網(wǎng)是一種由大 量的傳感器節(jié)點(diǎn)組建成的，對(duì)等式的網(wǎng)絡(luò)。主要用于信息的采集，終端的控制功能。 傳感器節(jié)點(diǎn)通常可看做是一個(gè)具有感知能力的微型嵌入式系統(tǒng)，消耗較少的電量， 并且具有信息處理能力。其次，傳感器節(jié)點(diǎn)通常具有傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的路由選擇功能，還 能夠?qū)⑵渌?jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的信息進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)、解析、存儲(chǔ)等處理7。傳感器節(jié)點(diǎn)往往是隨

23、 機(jī)的分布在一定的區(qū)域，能夠運(yùn)行分布式協(xié)議能夠自組成網(wǎng)，協(xié)作地感知環(huán)境中的 信息，并進(jìn)行處理，最終發(fā)給用戶。 無(wú)線傳感網(wǎng)往往具有的特性是：網(wǎng)絡(luò)自組織。網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布的特性要求 傳感器節(jié)點(diǎn)具有自行組建無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)；節(jié)點(diǎn)數(shù)量龐大。在傳感網(wǎng)絡(luò)中，往往需 要龐大數(shù)目的節(jié)點(diǎn)來(lái)采集信息，才能得到較全面的環(huán)境信息；節(jié)點(diǎn)能力有限。傳感 器節(jié)點(diǎn)工作環(huán)境通常是野外等較差的地方，要求功耗小，體積小，成本低，能適應(yīng) 通信狀況不良的環(huán)境。由于實(shí)際工程應(yīng)用中節(jié)點(diǎn)的位置無(wú)法事先確定，節(jié)點(diǎn)可能發(fā) 生故障，隨時(shí)的更換，從而導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)隨時(shí)的加入和離開(kāi)，為使節(jié)點(diǎn)的變更不影響系 統(tǒng)的正常運(yùn)行，無(wú)線自組網(wǎng)的自適應(yīng)路由選擇具有強(qiáng)抗毀

24、性，在實(shí)際工程應(yīng)用中得 到廣泛采用。 2.2Windows 系統(tǒng)編程概述 Windows 系統(tǒng)是人們?cè)偈煜げ贿^(guò)的圖形界面方式的操作系統(tǒng)，具有良好的交互 性。利用事件驅(qū)動(dòng)的方式進(jìn)行面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)是 Windows 編程的主要方式，視窗 系統(tǒng)編程能夠編寫(xiě)出可視化的圖形用戶界面。Windows API 包含了操作系統(tǒng)所需的 豐富的接口函數(shù)。程序開(kāi)發(fā)者也可利用 MFC(Microsoft Foundation Class)類(lèi)庫(kù)有效地 完成 Windows 應(yīng)用的開(kāi)發(fā)5。利用 Windows API 可實(shí)現(xiàn)圖形用戶界面設(shè)計(jì)，網(wǎng)絡(luò)通 信，串口通信等功能。Visual C+6.0 是微軟公司推出的面向?qū)ο?/p>

25、可視化開(kāi)發(fā)工具， 具有很強(qiáng)的靈活性，比較經(jīng)典的 Windows 編程工具，至今仍比較流行。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 5 2.3硬件概述 2.3.1MSP430F149 型單片機(jī)概述 系統(tǒng)標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理模塊采用 MSP430 系列的 F149 型單片機(jī)。MSP430 系 列單片機(jī)小巧靈活、成本低廉、抗干擾能力較強(qiáng)、易于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化、使用的溫度范 圍廣，能夠在各種惡劣條件下可靠地工作，實(shí)現(xiàn)分布式多單片機(jī)控制，提高系統(tǒng)的 穩(wěn)定性和工作效率。采用單片機(jī)進(jìn)行環(huán)境信息測(cè)量、信息存儲(chǔ)、數(shù)字顯示、實(shí)時(shí)監(jiān) 控等工業(yè)控制對(duì)于企業(yè)降低生產(chǎn)成本，提高工作效率，節(jié)能環(huán)保等都具有重要的意 義。 MSP430

26、系列的 F149 型單片機(jī)為超低功耗的混合信號(hào)處理器，由美國(guó)德州儀器 （TI）公司開(kāi)發(fā)，具有 16 位 RISC 結(jié)構(gòu)，運(yùn)算處理能力強(qiáng)，還集成了豐富的片內(nèi)外 設(shè)。MSP430 系列單片機(jī)系統(tǒng)工作穩(wěn)定，具有方便靈活的開(kāi)發(fā)環(huán)境，能工作在多種 工作模式下，使用靈活方便。MSP430 系列單片機(jī)通過(guò)降低芯片電源電壓以及可控 制的靈活的時(shí)鐘來(lái)保證其低功耗的特性，在某些情況下，可在電池供電的狀態(tài)下工 作數(shù)月甚至數(shù)年都無(wú)需更換電源，相比其他類(lèi)型的單片機(jī)具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。 MSP430F149 型單片機(jī)同其他 MSP430 系列單片機(jī)一樣，片上外圍模塊豐富。 他們分別是看門(mén)狗（WDT） 、基本定時(shí)器(Bas

27、ic Timer)、端口 1-6(P0-P6)、定時(shí)器 A(Timer_A)、定時(shí)器 B(Timer_B)、模擬比較器 A、串口 0(UART0)和串口 1(UART1) 等外圍模塊。MSP430 系列 F149 型單片機(jī)為馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)的硬件結(jié)構(gòu)。硬件 結(jié)構(gòu)圖如圖 2-1，主要包括 16 精簡(jiǎn)指令中央處理單元、存儲(chǔ)器、外圍模塊、時(shí)鐘模 塊、地址總線和數(shù)據(jù)總線。芯片引腳分布如圖 2-1。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 6 圖 2- 1 MSP430F149 硬件結(jié)構(gòu)圖 圖 2- 2 MSP430F149 外圍引腳分布 中央處理器的性能直接關(guān)系到單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理能力，MSP430F149

28、的 CPU 內(nèi) 部由一個(gè) 16 位邏輯算術(shù)運(yùn)算單元，16 個(gè)寄存器和 1 個(gè)指令控制單元組成。通過(guò)對(duì) 寄存器的寫(xiě)和讀完成程序所要實(shí)現(xiàn)的功能。圖 2-3 展示了 16 個(gè)寄存器的結(jié)構(gòu)。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 7 圖 2-3 MSP430CPU 結(jié)構(gòu)圖 通過(guò)中斷的方式，單片機(jī)響應(yīng)外圍模塊。當(dāng)中斷事件提出中斷請(qǐng)求時(shí)，會(huì)通過(guò) 硬件向中央處理器提供向量。在主機(jī)的中斷允許的情況下，如果外圍模塊產(chǎn)生中斷 則進(jìn)入中斷處理程序。MSP430F149 的中斷向量表如表 2-1。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 8 表 2-1 MSP430F149 中斷向量表 2.3.2DS18B20 溫度傳感器概述

29、 此溫度采集系統(tǒng)采用一種改進(jìn)型的數(shù)字式智能溫度傳感器 DS18B20。DS18B20 溫度傳感器體積小，采用單總線與單片機(jī)相連，硬件電路簡(jiǎn)潔。這使系統(tǒng)抗干擾能 力更強(qiáng)，適用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。 DS18B20 是單線式的智能數(shù)字化溫度傳感器，遵循“單線總線系統(tǒng)”的單線協(xié) 議。具有 3 引腳 TO-92 小體積的封裝形式，DS18B20 溫度傳感器引腳封裝見(jiàn)圖 2-4 所示，表 2-2 為該傳感器的引腳說(shuō)明。DS18B20 主要由三部分組成：1)64 位激光 ROM;2)溫度靈敏元件；3）溫度警告觸發(fā)器 TH 和 TL。對(duì) DS18B20 的操作都是建 立在對(duì)內(nèi)部寄存器寫(xiě)和讀的基

30、礎(chǔ)上的。每個(gè) DS18B20 溫度傳感器具有獨(dú)有的序列號(hào)， 多個(gè)此類(lèi)傳感器可掛載在同一條單線式總線上；溫度測(cè)量范圍-55C-+125C ,測(cè)溫 分辨率達(dá) 0.0625C。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 9 圖 2-4 DS18B20 T0-92 引腳封裝圖 表 2-2 DS18B20 引腳說(shuō)明 要從 DS18B20 傳感器中讀寫(xiě)數(shù)據(jù)，必須能夠?qū)υ搨鞲衅鞯馁A存器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。 DS18B20 傳感器初始化時(shí)序如圖 2-5，讀寫(xiě)時(shí)序如圖 2-6 所示。 圖 2-5 DS18B20 初始化時(shí)序 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 10 圖 2-6 DS18B20 讀寫(xiě)時(shí)序 2.3.3無(wú)線傳輸模塊 CC

31、1101 概述 無(wú)線射頻在社會(huì)生活中已經(jīng)開(kāi)始被廣泛應(yīng)用，無(wú)線傳輸模塊因其低功耗、運(yùn)行 穩(wěn)定、連接性好、靈敏度高、外圍元件簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，被大量采用。無(wú)線傳輸模塊采 用 CC1101 作為本系統(tǒng)的無(wú)線收發(fā)所使用的芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在典型的系統(tǒng)中， 一個(gè)無(wú)線傳輸模塊中 CC1101 芯片通常會(huì)與一顆微型控制器和少數(shù)附加的無(wú)源組件 一起使用。 CC1101 是一種低成本單片 UHF 收發(fā)器，為無(wú)線低功耗應(yīng)用而設(shè)計(jì)，是一種低功 耗的短距離通訊設(shè)備(SRD)19。CC1101 工作波段符合我國(guó)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。廣泛應(yīng)用在 工業(yè)監(jiān)測(cè)控制、儀表自動(dòng)化讀數(shù)、低功耗的遙感探測(cè)、建筑自動(dòng)控制、無(wú)線安全警 報(bào)系統(tǒng)、無(wú)線傳感網(wǎng)

32、絡(luò)和電子消費(fèi)品當(dāng)中。CC1101 芯片具有自動(dòng)低功耗輪詢(xún)無(wú)線喚 醒(WOR)功能，支持串行異步和同步接收/發(fā)送模式，能夠向后兼容現(xiàn)有無(wú)線通信協(xié) 議。芯片 CC1101 引腳分布見(jiàn)圖 2-7。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 11 圖 2-7 CC1101 電路圖 CC1101 引腳說(shuō)明見(jiàn)表 2-3。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 12 表 2-3 CC1101 引腳說(shuō)明 在 CC1101 中數(shù)據(jù)的收發(fā)和 CC1101 的狀態(tài)設(shè)置是通過(guò)修改寄存器值來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 使用 SmartRF_Studio 軟件來(lái)進(jìn)行 CC1101 寄存器各種的配置,以獲得最佳寄存器性能， 并且修改寄存器要在 IDLE

33、 模式下。CC1101 工作狀態(tài)模式如下圖 2-8 所示。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 13 STX SPWD RXOFF_MODEL=01TXOFF_MODEL=00 SRX or STX or WOR TXOFF_MODEL=01 手動(dòng)頻率合 成校準(zhǔn) 睡眠 頻率合成器 開(kāi) 頻率合成器 啟動(dòng)，可選 校準(zhǔn)，穩(wěn)頻 Idle TX FIFO 下 溢 可選頻率合 成校準(zhǔn) 發(fā)送模式接收模式 RX FIFO 下 溢 Idle SFTX SFRX STX STX SFSTXON SFSTXON SCALL CSn=0 圖 2-8 CC1101 的狀態(tài)機(jī) 2.3.4液晶顯示器 LCD1602 概述 L

34、CD1602 液晶顯示器的顯示原理：通過(guò)控制電壓變化，改變液晶的排列狀態(tài)， 顯示出字符。本系統(tǒng)應(yīng)用基于 HD44780 芯片的字符液晶 LCD1602 液晶顯示器進(jìn)行 溫度顯示。LCD1602 液晶顯示器體積小，重量輕，顯示質(zhì)量好，能耗低，價(jià)格便宜， 在市場(chǎng)上售價(jià)在 10 元左右，適合在工業(yè)上大量應(yīng)用。LCD1602 液晶顯示器具有數(shù) 字式接口，能夠與單片機(jī)相連，操作方便，能夠滿足本系統(tǒng)顯示標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)處溫度的 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 14 需要。 LCD1602 液晶顯示器是一種字符型點(diǎn)陣式顯示模塊，其實(shí)物圖如圖 2-9。該液 晶顯示容量為 16x2 個(gè)字符，芯片電壓在 4.5V-5.

35、5V 之間可正常工作，最佳工作電壓 為 5.0V。在 LCD1602 液晶模塊中固化有字符字模，液晶模塊中內(nèi)置了 192 個(gè)常用 字符字模，存儲(chǔ)在 CGROM 和 CGRAM 存儲(chǔ)器中。引腳電路圖參考圖 2-10 所示， 引腳說(shuō)明見(jiàn)表 2-4。 圖 2-9 LCD1602 實(shí)物圖 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 15 圖 2-10 圖 二-1 LCD1602 接口電路圖 表 2-4 LCD1602 引腳說(shuō)明 LCD1602 液晶模塊是通過(guò)對(duì)其控制器進(jìn)行指令編程實(shí)現(xiàn)字符的顯示。指令包含 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 16 對(duì)液晶顯示器的讀和寫(xiě)操作、光標(biāo)移動(dòng)、光標(biāo)顯示和屏幕的操作。指令共 1

36、1 條，見(jiàn) 表 2-5。 表 2-5 LCD1602 操作指令表 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 17 第三章 系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì) 3.1系統(tǒng)需求分析 在礦山采礦或勘探過(guò)程中，因環(huán)境惡劣無(wú)法架設(shè)線路或需要常常遷移地點(diǎn)時(shí)， 采用無(wú)線自組網(wǎng)技術(shù)具有極大的優(yōu)勢(shì)。隧道環(huán)境無(wú)線自組網(wǎng)溫度采集系統(tǒng)應(yīng)用在礦 山隧道中監(jiān)測(cè)放置處的溫度信息。本系統(tǒng)可以避免因強(qiáng)電電流過(guò)大等原因造成的溫 度升高，引起測(cè)溫系統(tǒng)發(fā)生故障。本系統(tǒng)也可以應(yīng)用在不能采用有線連接的環(huán)境中。 設(shè)計(jì)隧道環(huán)境無(wú)線自組網(wǎng)溫度采集系統(tǒng)的目的是能夠加強(qiáng)工礦企業(yè)對(duì)工業(yè)生產(chǎn) 現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)管，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)即將發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)做出及時(shí)響應(yīng)，避免釀成額外的損失。該 系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)人

37、員的生命安全和企業(yè)財(cái)產(chǎn)提供了有力保障。本系統(tǒng)中標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)布置在 隧道現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中，實(shí)時(shí)采集溫度信息，廣播本標(biāo)簽地址，發(fā)送路由交換包，與其他 標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)自組成網(wǎng)，將采集到的數(shù)據(jù)按特定協(xié)議發(fā)送，同時(shí)將其他標(biāo)簽發(fā)過(guò)來(lái)的數(shù) 據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)，最終發(fā)給閱讀器節(jié)點(diǎn)。閱讀器廣播本機(jī)地址，過(guò)濾標(biāo)簽地址，過(guò)濾數(shù)據(jù) 包，處理來(lái)自標(biāo)簽采集的數(shù)據(jù)包，發(fā)送給 PC 機(jī)。 3.2硬件設(shè)計(jì) 3.2.1節(jié)點(diǎn)信息處理 本系統(tǒng)標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)和閱讀器節(jié)點(diǎn)采用了欣世紀(jì)電子科技的 DM430-L 型單片機(jī)系統(tǒng) 板和騰飛電子的 TS8900-M149 型開(kāi)發(fā)板，本系統(tǒng)應(yīng)用的開(kāi)發(fā)板均為 MSP430F149 最 小系統(tǒng)，具有豐富的應(yīng)用接口，板載 USB 型

38、BSL 下載器，支持標(biāo)準(zhǔn) JTAG 仿真接 口，擴(kuò)展方便，資源豐富，設(shè)計(jì)思路清晰。標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)主要完成溫度信息采集、數(shù)據(jù) 包轉(zhuǎn)發(fā)，廣播本機(jī)地址，交換路由表的功能。標(biāo)簽收到數(shù)據(jù)包后通過(guò)數(shù)據(jù)包的第 1 字節(jié) type 字段的數(shù)值識(shí)別數(shù)據(jù)包類(lèi)型。標(biāo)簽工作的流程參考圖 3-1 所示。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 18 收到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn) 發(fā)包 type=2 否 否 開(kāi)始 初始化 LED 模塊 初始化 LCD1602 液晶模塊 初始化系統(tǒng)時(shí)鐘 初始化 CC1101 收到數(shù)據(jù) 采集溫度信息 尋找相鄰節(jié)點(diǎn) 發(fā)送溫度信息 到相鄰節(jié)點(diǎn) 收到廣播包 type=0 收到路由轉(zhuǎn) 發(fā)包 type=1 添加路由信息 發(fā)送給 本

39、機(jī) 存在此路 由 發(fā)送給 本機(jī) 轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包 溫度值過(guò)高 觸發(fā)警報(bào) 1 2 是 是 否 否 否 否 否 是 是 是 是 是 否 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 19 定時(shí)器到 達(dá) 廣播本機(jī)地址 1 發(fā)送本機(jī)路由表 中信息 2 圖 3-1 標(biāo)簽工作流程 閱讀器為使標(biāo)簽?zāi)軌蛳蜃约喊l(fā)送采集數(shù)據(jù)包，需要向周?chē)鷱V播自己的地址信息。 當(dāng)閱讀器的廣播信息被標(biāo)簽接收到后，標(biāo)簽會(huì)將閱讀器地址加入到自己的路由表中 （若已存在此路由信息，則不添加） 。閱讀器收到數(shù)據(jù)包后通過(guò)數(shù)據(jù)包的第 1 字節(jié) type 字段的數(shù)值識(shí)別數(shù)據(jù)包類(lèi)型。圖 3-2 為閱讀器工作流程。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 20 開(kāi)始 LED

40、初始化 初始化系統(tǒng)時(shí)鐘 初始化 UART 模塊 初始化 CC1101 收到數(shù)據(jù) 12 3 是 否 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 21 2 1 發(fā)給 PC 機(jī) 收到廣播包 type=0 收到路由轉(zhuǎn) 發(fā)包 type=1 收到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn) 發(fā)包 type=2 發(fā)給本機(jī) 延時(shí) 10ms 定時(shí)器計(jì) 數(shù)到達(dá) 廣播本機(jī)地址 3 否 否 否 是 是 否 是 是 是 否 圖 3-2 閱讀器工作流程 3.2.2溫度信息采集 此溫度采集模塊能夠檢測(cè)到當(dāng)前溫度并且能夠在超出預(yù)設(shè)的警告溫度時(shí)發(fā)出警 報(bào)，提醒在礦山中工作的人員，為工作人員的生命安全提供保障。 DS18B20 傳感器采用單總線協(xié)議。即傳感器工作過(guò)程為：1.初

41、始化。2.發(fā)送 ROM 操作命令。3.發(fā)送 RAM 貯存器操作命令。4.處理數(shù)據(jù)。從溫度傳感器中獲取溫 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 22 度值的過(guò)程用流程圖表示如圖 3-3 所示。 初始化 DS18B20 發(fā)出 Skip ROM 指 令 (0 xCC) 發(fā)出啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn) 換指令(0 x44) 延時(shí)約 500us 初始化 DS18B20 發(fā)出 Skip ROM 指 令 (0 xCC) 發(fā)出 Read ScratchPad 指令 (0 xBE) 讀取溫度值，存 儲(chǔ)到 temp_data 結(jié)束 開(kāi)始 圖 3-3 溫度轉(zhuǎn)換函數(shù) 采集到溫度后，得到圖 3-4 格式的溫度值。溫度數(shù)值記錄格式為二進(jìn)制的

42、 2 字 節(jié)，以補(bǔ)碼形式存儲(chǔ)，高 4 位擴(kuò)展符號(hào)位。其中高 4 位為溫度值的符號(hào)，中間 8 位 為溫度值的整數(shù)部分，低 4 位為溫度值的小數(shù)部分。因?yàn)?DS18B20 最低位表示 0.0625C,即分辨率為 0.0625C，所以可求得如下圖所示，溫度值為 25.0625C。設(shè)暫 存寄存器中所存儲(chǔ)的溫度為 temp。若暫存寄存器中數(shù)值為負(fù)數(shù)，則取得的數(shù)值取反 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 23 加一后得到 temp。則溫度計(jì)算公式: 溫度值(temperature)=暫存器數(shù)值(temp)*0.0625。 圖 3-4 溫度存儲(chǔ)形式 溫度數(shù)值從溫度傳感器采集到后，對(duì)溫度數(shù)值進(jìn)行判斷，若超過(guò)規(guī)定

43、的警示溫 度值（本系統(tǒng)設(shè)置為 32 攝氏度）后則觸發(fā)黃色 LED 發(fā)光二極管，超過(guò)規(guī)定警報(bào)溫 度（本系統(tǒng)設(shè)置為 40 攝氏度）后則觸發(fā)紅色 LED 發(fā)光二極管。溫度采集模塊的電 路圖參考圖 3-5。 圖 3-5 溫度采集模塊 3.2.3信息無(wú)線傳輸 本系統(tǒng)中采用模塊化 CC1101 芯片模塊完成無(wú)線通信功能,CC1101 無(wú)線傳輸模 塊電路圖如圖*。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，相鄰的節(jié)點(diǎn)間的有效距離為 30 米，超過(guò) 30 米信號(hào) 急劇衰減。節(jié)點(diǎn)通過(guò)一個(gè) SPI 接口實(shí)現(xiàn)對(duì) CC1101 的 64 字節(jié)的發(fā)送/接收 FIFO 緩 沖區(qū)和主要運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行控制。SPI 接口主要用于擴(kuò)展外設(shè)和數(shù)據(jù)交換，在單片機(jī) 與

44、 CC1101 通信中采用 4 線 SPI 接口完成 CC1101 芯片的設(shè)置和數(shù)據(jù)的傳輸。SPI 接 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 24 口采用主從模式，可同時(shí)與多從機(jī)協(xié)同工作，在 3 線方式下便可進(jìn)行串行數(shù)據(jù)的傳 輸。通過(guò) SPI 接口完成標(biāo)簽與閱讀器之間、標(biāo)簽之間的信息交換。圖 3-6 展示了 CC1101 無(wú)線傳輸模塊的電路。 圖 3-6 CC1101 無(wú)線傳輸模塊 MSP430 單片機(jī)端口與 CC1101 模塊端口通信連接方式如圖 3-7。當(dāng) CC1101 收 到數(shù)據(jù)的時(shí)候通過(guò) UART 模塊向單片機(jī)的 CPU 發(fā)送中斷，CPU 響應(yīng) CC1101 發(fā)來(lái)的 中斷進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；單片

45、機(jī)在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)信息存至 UART 模塊的 TxBUF 數(shù) 據(jù)緩沖寄存器，通過(guò) CC1101 將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 25 圖 3-7 MSP430 與 CC1101 連接電路圖 MSP430 單片機(jī)通過(guò) SPI 總線對(duì) CC1101 內(nèi)部寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)從而達(dá)到功能設(shè)定 和狀態(tài)讀取，利用一次“突發(fā)”的數(shù)據(jù)傳輸便可以對(duì) CC1101 所有寄存器進(jìn)行編程 配置，實(shí)現(xiàn)了對(duì) CC1101 工作狀態(tài)的控制。CC1101 無(wú)線傳輸模塊的工作流程見(jiàn)下圖。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 26 進(jìn)入 RX 模式 初始化 SPI，MCU 各引 腳 上電復(fù)位 CC1101 進(jìn)入

46、Idle 模式 發(fā)送數(shù)據(jù) 發(fā)送數(shù)據(jù) 進(jìn)入 TX 模式 進(jìn)入 Idle 模式 是 是 否 否 開(kāi)始 結(jié)束 圖 3- 8 CC1101 工作流程 CC1101 的數(shù)據(jù)傳輸需要遵守特定的協(xié)議，其數(shù)據(jù)包格式如下圖 3-9。當(dāng)開(kāi)啟發(fā) 送(TX)模式發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)，先發(fā)送若干字節(jié)前導(dǎo)，前導(dǎo)的形式為 0、1 交替的序列。 再發(fā)送 16/32 字節(jié)的同步字，然后發(fā)送來(lái)自 TX FIFO 的數(shù)據(jù)，其中數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度和 數(shù)據(jù)包地址字段為可選字段。最后發(fā)送前 2 個(gè)字段的校驗(yàn)和，校驗(yàn)的方式采用 CRC 校驗(yàn)。當(dāng)開(kāi)啟接收模式接收數(shù)據(jù)時(shí)，需要對(duì)數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度字段和地址字段進(jìn)行處理。 數(shù)據(jù)字段在發(fā)送和接收模式下都無(wú)須處理，CRC

47、 校驗(yàn)字段在發(fā)送和接收模式下都要 進(jìn)行校驗(yàn)，從而完成對(duì)無(wú)效數(shù)據(jù)包的過(guò)濾。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 27 圖 3-9 數(shù)據(jù)包格式 3.2.4溫度信息顯示 標(biāo)簽采集溫度信息后需將溫度值實(shí)時(shí)顯示在 LCD1602 液晶顯示器上，以供隧道 中工作人員隨時(shí)查看。液晶顯示器中顯示的字符與 ASCII 中編碼方式相對(duì)應(yīng)，在系 統(tǒng)顯示溫度信息時(shí)，只需寫(xiě)入該數(shù)字對(duì)應(yīng)的 ASCII 碼即可顯示當(dāng)前溫度值。 LCD1602 液晶顯示字符需要現(xiàn)在 1602 液晶中寫(xiě)入命令，再寫(xiě)入索要現(xiàn)實(shí)的數(shù) 據(jù)。LCD1602 工作的流程如圖 3-10。 開(kāi)始 初始化 1602 液晶 檢測(cè)液晶忙 延時(shí) 5 毫秒 寫(xiě)入命令或

48、數(shù)據(jù) 是 否 圖 3-10LCD1602 工作過(guò)程 3.2.5警報(bào)觸發(fā)模塊 標(biāo)簽采集到溫度信息后，會(huì)進(jìn)行溫度值的計(jì)算和轉(zhuǎn)換。設(shè)得到的溫度值為 temp, 當(dāng) temp 大于 32C 時(shí)，會(huì)觸發(fā)黃色預(yù)警燈。警示工作人員注意環(huán)境溫度的改變。當(dāng) temp 大于 40C 時(shí)，觸發(fā)紅色危險(xiǎn)警報(bào)燈。單片機(jī) CPU 通過(guò)下圖 3-11 警報(bào)電路控制 發(fā)光二極管的亮滅來(lái)達(dá)到發(fā)出警報(bào)的目的。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 28 圖 3-11 警報(bào)電路 3.3軟件設(shè)計(jì) 3.3.1下位機(jī)軟件設(shè)計(jì) 網(wǎng)絡(luò)中的標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)地位是相等的，無(wú)需中心節(jié)點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行控制便可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的 采集。標(biāo)簽兼具路由器和主機(jī)的角色，作為主機(jī)能夠

49、實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和處理，作為 路由器節(jié)點(diǎn)需要運(yùn)行相同的路由協(xié)議，能實(shí)現(xiàn)路由轉(zhuǎn)發(fā)功能和路由表維護(hù)等功能， 較好地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變更。 本系統(tǒng)中，標(biāo)簽由 MSP430F149 單片機(jī)、DS18B20 傳感器和 CC1101 模塊組成。 閱讀器由 CC1101 模塊和 MSP430F149 單片機(jī)組成。各個(gè)標(biāo)簽通過(guò)與相鄰標(biāo)簽之間 交換路由信息，建立無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，標(biāo)簽采集的溫度信息經(jīng)過(guò)多次轉(zhuǎn)發(fā)，最終發(fā)送到閱 讀器，閱讀器收集標(biāo)簽采集的數(shù)據(jù)，通過(guò) UART 串口發(fā)送給 PC 機(jī)。在無(wú)線自組網(wǎng) 中采用自適應(yīng)的，分布式路由選擇協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 3-12 所示。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 29 溫度傳

50、感器 MSP430 單片機(jī) CC1101 圖 3-12 無(wú)線自組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 為使標(biāo)簽之間能夠自組成網(wǎng)，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了如下格式的路由表，如圖 3-13 所示。 第 1 字節(jié)存儲(chǔ)可到達(dá)的標(biāo)簽地址。第 2 字節(jié)存儲(chǔ)到達(dá)該標(biāo)簽的方式：Direct=1 表示 該標(biāo)簽直接可達(dá)，Direct=0 表示該標(biāo)簽不能直接交付數(shù)據(jù)，但可以間接將信息送達(dá)。 圖 3-13 路由表格式 在組網(wǎng)過(guò)程中，標(biāo)簽發(fā)送廣播包。廣播包格式參考圖 3-14。廣播包第 1 字節(jié)表 示 CC1101 所發(fā)的數(shù)據(jù)包類(lèi)型：type=0 表示廣播包。第 2 字節(jié)表示本機(jī)地址。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 30 圖 3-14 標(biāo)簽廣播包 標(biāo)簽

51、發(fā)送的路由交換包，其格式見(jiàn)下圖 3-15。路由交換包第 1 字節(jié)表示 CC1101 所發(fā)的數(shù)據(jù)包類(lèi)型：type=1 表示路由交換包，第 2 字節(jié)表示本機(jī)地址，第 3 字節(jié)表示下一地址（即將要發(fā)往的目的地址） ，第 4 字節(jié)表示攜帶的路由信息。 圖 3-15 標(biāo)簽路由交換包 標(biāo)簽建立無(wú)線網(wǎng)絡(luò)后，將本標(biāo)簽采集的溫度信息按照規(guī)定的數(shù)據(jù)包格式發(fā)送給 相鄰標(biāo)簽，相鄰標(biāo)簽作為中繼節(jié)點(diǎn)再向其他標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)，此時(shí)為防止網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的產(chǎn)生， 數(shù)據(jù)包不能發(fā)給數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)源的標(biāo)簽，而是發(fā)給另一個(gè)相鄰的標(biāo)簽。溫度采集數(shù)據(jù) 包格式的表示見(jiàn)圖 3-16。溫度采集數(shù)據(jù)包第 1 字節(jié)表示類(lèi)型：type=2 表示發(fā)送的數(shù) 據(jù)為溫度采集數(shù)

52、據(jù)。第 2 字節(jié)表示本機(jī)地址。第 3 字節(jié)表示將要發(fā)往的下一標(biāo)簽地 址信息。第 4 字節(jié)表示本數(shù)據(jù)包經(jīng)過(guò)的標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)數(shù) hop。第 5 字節(jié)表示發(fā)往的最終 閱讀器的地址。第 6 字節(jié)表示采集數(shù)據(jù)的來(lái)源標(biāo)簽。第 7-9 字節(jié)表示采集到的溫度 信息：數(shù)據(jù) 0 表示采集到的溫度的正負(fù)符號(hào)位，數(shù)據(jù) 1 表示溫度值的整數(shù)的十位數(shù)， 數(shù)據(jù) 2 表示溫度值的整數(shù)的個(gè)位數(shù)，數(shù)據(jù) 3 表示溫度值的小數(shù)位上的數(shù)值。 圖 3-16 溫度采集數(shù)據(jù)包 無(wú)線自組網(wǎng)的組網(wǎng)過(guò)程：1.標(biāo)簽 A 的 CC1101 無(wú)線通信模塊定時(shí)廣播自己的地 址。使相鄰的標(biāo)簽節(jié)點(diǎn) B 能夠接收到標(biāo)簽 A 的廣播信息后，會(huì)檢查自己的路由表。 如果

53、B 標(biāo)簽沒(méi)有標(biāo)簽 A 路由信息則添加標(biāo)簽 A 路由信息，若已存在廣播標(biāo)簽 A 的 路由信息則不添加。同樣，當(dāng)標(biāo)簽 B 廣播自己的地址時(shí)，相鄰的標(biāo)簽也能收到廣播。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 31 相鄰標(biāo)簽將標(biāo)簽 B 的地址加入到自己的路由表中；2.標(biāo)簽 A 的 CC1101 無(wú)線通信模 塊定時(shí)向相鄰標(biāo)簽 B 交換路由信息，標(biāo)簽 B 收到標(biāo)簽 A 發(fā)來(lái)的路由交換包后經(jīng)判別 是發(fā)給自己的數(shù)據(jù)包，然后將標(biāo)簽 A 的路由信息添加到自己的路由表中。同理，標(biāo) 簽 B 也定時(shí)向相鄰標(biāo)簽發(fā)送自己的路由信息。標(biāo)簽之間經(jīng)過(guò)多次路由信息交換后最 終形成無(wú)線自組網(wǎng)絡(luò)。 當(dāng)標(biāo)簽 A、B 相鄰時(shí)，即 A 與 B 之

54、間距離小于 30 米。標(biāo)簽 A 采集的溫度信息 通過(guò) B 標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)給閱讀器。標(biāo)簽 A 采集的溫度信息達(dá)到閱讀器的路徑為：標(biāo)簽 A標(biāo) 簽 B閱讀器 A。最終網(wǎng)絡(luò)中路由表如圖 3-17 所示。 標(biāo)簽 A 地址： 0 x01 標(biāo)簽 B 地址： 0 x02 A 路由表 IPDirect 0 x021 0 xF00 B 路由表 IPDirect 0 x011 0 xF01 相距 30 米以?xún)?nèi) 閱讀器 A 地址： 0 xF0 相距 30 米以?xún)?nèi) 圖 3-17 標(biāo)簽 AB 相鄰時(shí)網(wǎng)絡(luò)狀況 當(dāng)標(biāo)簽 A 距離標(biāo)簽 B 大于 30 米時(shí)無(wú)法完成正常通信，但可以在 A、B 標(biāo)簽之 間通過(guò)添加 C 標(biāo)簽，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間

55、各個(gè)標(biāo)簽完成自動(dòng)更新路由表，標(biāo)簽 A 采集的溫 度信息就可以經(jīng)過(guò)多次跳轉(zhuǎn)后發(fā)送給閱讀器 A。標(biāo)簽 A 采集的溫度信息達(dá)到閱讀器 的路徑為：標(biāo)簽 A標(biāo)簽 C標(biāo)簽 B閱讀器 A。更新后網(wǎng)絡(luò)中的路由表如圖 3- 18。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 32 標(biāo)簽 A 地址： 0 x01 標(biāo)簽 B 地址： 0 x02 A 路由表 IPDirect 0 x020 0 xF00 0 x031 B 路由表 IPDirect 0 x010 0 xF01 0 x031 相距 30 米以?xún)?nèi) 閱讀器 A 地址： 0 xF0 相距 30 米以?xún)?nèi) 標(biāo)簽 C 地址： 0 x03 相距 30 米以?xún)?nèi) 相距大于 30 米

56、C 路由表 IPDirect 0 x011 0 xF00 0 x021 圖 3-18 標(biāo)簽 AB 不相鄰時(shí)網(wǎng)絡(luò)狀況 當(dāng) 3 個(gè)以上標(biāo)簽相鄰時(shí)，即標(biāo)簽之間距離均小于 30 米會(huì)出現(xiàn)環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)。如圖 3-19 網(wǎng)絡(luò)狀況。在此時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)包在環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)中反復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)的情況，產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò) 風(fēng)暴。但通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)（hop）的限制可以解決此問(wèn)題。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 33 標(biāo)簽 A 地址： 0 x01 標(biāo)簽 B 地址： 0 x02 A 路由表 IPDirect 0 x021 0 xF00 0 x031 B 路由表 IPDirect 0 x011 0 xF01 0 x031 相距 30 米以?xún)?nèi)

57、閱讀器 A 地址： 0 xF0 相距 30 米以?xún)?nèi) 標(biāo)簽 C 地址： 0 x03 相距 30 米以?xún)?nèi) 相距 30 米以 內(nèi) C 路由表 IPDirect 0 x011 0 xF00 0 x021 圖 3-19 多標(biāo)簽相鄰時(shí)網(wǎng)絡(luò)狀況 3.3.2上位機(jī)軟件設(shè)計(jì) 利用 PC 機(jī)作為上位機(jī)，MSP430F149 型單片機(jī)與 CC1101 和溫度傳感器組成標(biāo) 簽節(jié)點(diǎn)作為下位機(jī)，能夠較好地實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)礦山隧道環(huán)境溫度，又能夠較方便地實(shí)現(xiàn) 數(shù)據(jù)的處理和反饋。要進(jìn)行 PC 機(jī)與單片機(jī)的通信可以利用 MSP430 單片機(jī)的串口 UART 口采用 RS-232 協(xié)議進(jìn)行通信，也可以使用 RS-485 協(xié)議進(jìn)行通信。本

58、系統(tǒng)與 PC 機(jī)進(jìn)行通信采用的是 RS-232 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)進(jìn)行周期性的數(shù)據(jù)采集，PC 端通過(guò) 串口接收到數(shù)據(jù)后將通過(guò) PC 端軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析并進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示。 上位機(jī)軟件的實(shí)現(xiàn)采用 C+編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，利用 VC6.0 開(kāi)發(fā)調(diào)試上位機(jī)監(jiān)控軟 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 34 件。在 VC6.0 中提供了多種方式進(jìn)行串口通信設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)在開(kāi)發(fā)時(shí)采用 MFC 進(jìn) 行開(kāi)發(fā)，串口通信部分采用 MScomm 控件。圖 3-20 展示了上位機(jī)監(jiān)控終端的操作 步驟。 開(kāi)始 界面初始化 串口初始化 收到數(shù)據(jù) 存入文檔 從文檔讀出數(shù)據(jù) 顯示到監(jiān)控界面 關(guān)閉窗口 結(jié)束 是 否 是 否 圖 3-

59、 20 上位機(jī)監(jiān)控終端操作步驟 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 35 第四章 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 4.1嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 通過(guò)前期的系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)，已對(duì)隧道環(huán)境無(wú)線自組網(wǎng)溫度采集系統(tǒng)有了清 晰的思路。利用 IAR，VC+等集成開(kāi)發(fā)環(huán)境完成系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和調(diào)試，最終使系統(tǒng)能 夠穩(wěn)定運(yùn)行。 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)分為硬件電路的實(shí)現(xiàn)和軟件的實(shí)現(xiàn)。軟件實(shí)現(xiàn)又可以分為上位機(jī)軟 件的實(shí)現(xiàn)和下位機(jī)軟件的實(shí)現(xiàn)。硬件電路的實(shí)現(xiàn)需要將購(gòu)買(mǎi)好的電子元器件按系統(tǒng) 分析設(shè)計(jì)中所示的電路圖焊接，完成器件的簡(jiǎn)單測(cè)試，保證能正常工作即可，故在 此不再進(jìn)行詳述。 4.1.1下位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn) 下位機(jī)終端監(jiān)控軟件根據(jù)系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)中的思路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。首先需在

60、IAR Embedded WorkbenchIDE 下對(duì)位機(jī)程序進(jìn)行編譯、組建，生成目標(biāo)文件 D43 文件 （后綴為.d43）或 TITXT 目標(biāo)文件（后綴為.txt,為 MSP430 系列單片機(jī)定義的代 碼格式） 。TITXT 目標(biāo)文件經(jīng) MspFet 以 BSL 編程或 JTAG 編程方式將目標(biāo)文件 燒寫(xiě)到 MSP430F149 芯片的 Flash 中。D43 目標(biāo)文件通過(guò) MSP-FET430UIF JTAG 仿 真器將程序?qū)戇M(jìn) MSP430F149 芯片的 Flash 中。JTAG 仿真器還可以在最終程序完成 時(shí)將芯片中的熔絲燒斷，對(duì)程序進(jìn)行加密操作。 在編寫(xiě)下位機(jī)程序時(shí)，可以進(jìn)行調(diào)試