基于無線傳感器的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng) 畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、目 錄前 言11無線傳感器系統(tǒng)概述21.1無線傳感器技術(shù)21.2 研究背景21.3研究目的21.4研究意義31.5相關(guān)概念界定31.6國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢31.6.1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀31.6.2發(fā)展趨勢42 系統(tǒng)分析和總體設(shè)計(jì)62.1 對無線傳感器系統(tǒng)的要求62.2 系統(tǒng)組成及工作原理62.2.1系統(tǒng)組成62.2.2工作原理63 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)83.1上位機(jī)系統(tǒng)83.1.1PTR200083.1.2MAX232103.2下位機(jī)系統(tǒng)123.2.1微處理器模塊123.2.2溫濕度傳感器SHT11153.2.3 光照傳感器TSL2561173.3電源194 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)224.1 編程思路及流程圖2

2、24.1.1PTR2000思路：224.1.2SHT11思路：224.1.3TSL2561思路：23結(jié) 論24致 謝25參考文獻(xiàn)26附錄A硬件電路圖27附錄B部分程序29SHT11程序代碼29TSL2561程序代碼38PTR2000程序代碼42前 言 我國是世界上設(shè)施栽培面積最大的國家，而且近幾年國產(chǎn)連棟溫室每年以新增100150萬公頃的面積快速發(fā)展。引導(dǎo)溫室用戶根據(jù)作物的要求進(jìn)行環(huán)境因子的調(diào)節(jié)以獲得作物產(chǎn)量和品質(zhì)的提高，是溫室環(huán)境因子調(diào)控決策支持系統(tǒng)的主要目標(biāo)和方向。然而，目前的溫室測控系統(tǒng)大多采用有線布網(wǎng)、人工測量，導(dǎo)致現(xiàn)場安裝困難，工作效率偏低，測量精度差，這不僅大大增加了電氣工程施工費(fèi)

3、用，也導(dǎo)致施肥等工作困難；此外，系統(tǒng)中的每個(gè)監(jiān)控點(diǎn)沒有自組織功能和自愈能力，維護(hù)工作量大，也不利于系統(tǒng)升級。因此，為了實(shí)現(xiàn)溫室農(nóng)作物的優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)和高效，開發(fā)和研制一種新型的溫室環(huán)境測控系統(tǒng)是十分必要的。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是現(xiàn)代傳感器技術(shù)、微電子技術(shù)、通信技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)和分布式信息處理技術(shù)等多個(gè)學(xué)科的綜合。把無線傳感器剛絡(luò)技術(shù)引入到溫室大棚生產(chǎn)中來，農(nóng)業(yè)將有可能逐漸地從以人力為中心，依賴于孤立的生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)向以信息和軟件為中心的生產(chǎn)模式。從而實(shí)現(xiàn)溫室信息采集自動(dòng)部署、自組織傳輸和智能控制、大幅度提高單位面積的勞動(dòng)生產(chǎn)率和資源產(chǎn)出率、改善溫室等設(shè)施內(nèi)工作環(huán)境和工作條件、提高工作效率、保障農(nóng)民

4、身體健康、提高農(nóng)民生活質(zhì)量，有助于解決“三農(nóng)”問題，對實(shí)現(xiàn)溫室作物生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。傳感器技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)和無線通信等技術(shù)進(jìn)步，推動(dòng)了具有現(xiàn)代意義的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks，WSN)的產(chǎn)生和發(fā)展。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者“1。傳感器、感知對象和觀察者構(gòu)成了傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)要素。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有十分廣闊的應(yīng)用前景田，在軍事、國防、工農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、城市交通、醫(yī)療衛(wèi)生、智能家

5、居、空間探索、搶險(xiǎn)救災(zāi)、防恐反恐、危險(xiǎn)區(qū)域遠(yuǎn)程檢測等許多領(lǐng)域都有重要的研究價(jià)值和巨大的實(shí)用價(jià)值，已經(jīng)引起了世界許多國家的軍事部門、工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的極大關(guān)注，被認(rèn)為是將對二十一世紀(jì)產(chǎn)生巨大影響力的技術(shù)之一。環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)是無線傳感網(wǎng)絡(luò)的典型應(yīng)用。傳感器網(wǎng)絡(luò)具有一些顯著的特點(diǎn)：只需要部署一次，減少了人為因素對環(huán)境的影響；節(jié)點(diǎn)數(shù)量龐大，可以得到更豐富的采集數(shù)據(jù)：具備通信能力，可以協(xié)同工作等。這些特點(diǎn)使得基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)于傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，具有越來越廣泛的應(yīng)用前景。目前，傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事、民用和學(xué)術(shù)屆等許多領(lǐng)域的研究都取得了重大的進(jìn)展。國外一些主要的研究項(xiàng)目及研究內(nèi)容。國內(nèi)，包括國家自

6、然基金及各大高校、研究所也都對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)投入了研究。 1無線傳感器系統(tǒng)概述1.1無線傳感器技術(shù) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部或附近的大量廉價(jià)的、具有通信、感測及計(jì)算能力的微型傳感器節(jié)點(diǎn)通過自組織構(gòu)成的“智能”測控網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事、農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療衛(wèi)生、工業(yè)、智能交通、建筑物監(jiān)測、空間探索等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景和巨大的應(yīng)用價(jià)值，被認(rèn)為是未來改變世界的十大技術(shù)之一、全球未來四大高技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一。 1.2 研究背景 隨著無線技術(shù)的快速發(fā)展和日趨成熟，無線通信也發(fā)展到一定的階段，其發(fā)展的技術(shù)越來越成熟，方向也越來越多，越來越重要，大量的應(yīng)用方案開始采用無線技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和通

7、信。 微機(jī)電系統(tǒng)和低功耗高集成數(shù)字設(shè)備的發(fā)展，使得低成本、低功耗、小體積的傳感器節(jié)點(diǎn)得以實(shí)現(xiàn)。這樣的節(jié)點(diǎn)配合各類型的傳感器，可組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）。無線傳感網(wǎng)絡(luò)是一種開創(chuàng)了新的應(yīng)用領(lǐng)域的新興概念和技術(shù)。廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)場監(jiān)視、大規(guī)模環(huán)境監(jiān)測和大區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)追蹤等領(lǐng)域。傳感技術(shù)、傳感網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)被認(rèn)定為最重要的研究之一。因?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一般采用電池供電，工作環(huán)境通常比較惡劣，而且數(shù)量大、更換非常困難，所以低功耗是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最重要的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則之一，因此，它迫切需要對傳統(tǒng)的嵌入式應(yīng)用開發(fā)進(jìn)行更新和改進(jìn)，需要精心設(shè)計(jì)的軟硬件系統(tǒng)，以使其可靠而耐用。 2003年,美國技術(shù)評論雜志論述未來新興十大

8、技術(shù)時(shí),WSN被列為第一;美國今日防務(wù)雜志更認(rèn)為WSN的應(yīng)用和發(fā)展將引起一場劃時(shí)代的軍事技術(shù)革命和未來戰(zhàn)爭的變革?？梢灶A(yù)測,WSN是信息感知和采集的一場革命,是21世紀(jì)最重要的技術(shù)之一2。低功耗無線傳感模塊，便是組成無線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)。此方面的研究由來已久，是計(jì)算機(jī)應(yīng)用的擴(kuò)展，采用了大規(guī)模集成電路和嵌入式技術(shù)，使用智能微處理器對采集到的信息進(jìn)行處理和加工?，F(xiàn)已廣泛應(yīng)用于社會(huì)建設(shè)的各個(gè)層面和人們的日常生活當(dāng)中。但過去的研究有的只考慮低功耗而性能不高， 有的性能高但是功耗太大。 因此，在無線傳感技術(shù)應(yīng)用如此廣泛的今天，在保證無線傳感模塊性能的同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)其低功耗具有一定的理論和現(xiàn)實(shí)意義。1.3研究

9、目的當(dāng)前對于無線傳感技術(shù)的研究仍然處在一個(gè)高速發(fā)展的階段，低功耗就是其發(fā)展方向之一，而低功耗與高性能的結(jié)合實(shí)現(xiàn)還不完全。因此，為了更好的實(shí)現(xiàn)無線傳感模塊的功能，增加模塊的可靠性和使用壽命，通過對無線傳感節(jié)點(diǎn)的硬件功耗的分析，確定無線傳感模塊各單元的基本功率消耗，并進(jìn)行相應(yīng)比較，確定需重點(diǎn)降耗的單元，在此基礎(chǔ)上結(jié)合當(dāng)前對低功耗無線傳感模塊的研究，通過對比分析選擇合適的芯片完成對低功耗無線傳輸模塊的自主設(shè)計(jì)和制作。并輔助軟件開發(fā)人員完成各子模塊的驅(qū)動(dòng)編寫，實(shí)現(xiàn)低功耗無線傳感模塊的整體通信功能。1.4研究意義 無線傳感網(wǎng)絡(luò)是一種開創(chuàng)了新應(yīng)用領(lǐng)域的新興概念和技術(shù)。當(dāng)前，傳感技術(shù)、傳感網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)被認(rèn)定為最

10、重要的研究之一。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)可靠性的重要保障。低功耗無線傳感模塊研究具有極其重要的學(xué)習(xí)和研究價(jià)值，其功能的實(shí)現(xiàn)具有極其重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。首先，現(xiàn)有的眾多研究中，將性能和低功耗相結(jié)合的較少，有的只考慮低功耗而性能不高，有的性能高但是功耗太大。本文綜合了性能和低功耗的共同需求，經(jīng)過深入的分析和對芯片的數(shù)據(jù)比較，提出了低功耗無線傳感模塊的硬件設(shè)計(jì)思路。其次，增加無線傳感模塊的應(yīng)用。無線傳感模塊應(yīng)用已非常廣泛，除去組成無線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用外，無線傳感技術(shù)還廣泛的應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測，如車間溫濕度、壓力等；短距無線通信等。實(shí)現(xiàn)了無線傳感模塊的低功耗，其對電能的需求就會(huì)更小，應(yīng)用的范

11、圍將會(huì)進(jìn)一步的擴(kuò)大。1.5相關(guān)概念界定 無線傳感模塊：是指由處理器模塊、無線模塊、電源模塊和傳感模塊組成的無線通信自治系統(tǒng)，它采用一定的頻率和編碼方法實(shí)現(xiàn)與其它模塊的通信，屬于無線技術(shù)的一種。 無線傳感網(wǎng)絡(luò)WSN（Wireless Sensor Network）: 是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的具有信息采集、數(shù)據(jù)處理和無線通信能力的微小傳感器節(jié)點(diǎn)通過無線電通信形成的一個(gè)多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域里被監(jiān)測對象的信息，并發(fā)送給觀測者3。 PCB:是Printed Circuit Board的縮寫，中文意為印刷電路板，是搭配電子零件之前的基板，被譽(yù)為“電子系統(tǒng)產(chǎn)品之

12、母”或“3C產(chǎn)業(yè)之基石”。1.6國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢1.6.1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 無線傳感模塊是新興的下一代無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，它是組成無線傳感網(wǎng)絡(luò)的基本部分。最早的代表性論述出現(xiàn)在二十世紀(jì)九十年代末，題為“傳感器走向無線時(shí)代”。傳感技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了一般傳感器、智能傳感器、無線傳感器等幾個(gè)階段。一般傳感器，是最早產(chǎn)生的傳感器，只能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集；智能傳感器則是在一般傳感器的基礎(chǔ)上將處理計(jì)算能力與傳感器相結(jié)合，使得傳感模塊不但能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)等信息采集，還能對所采集到的信息進(jìn)行一定程度的計(jì)算和處理；無線傳感器則是在智能傳感器的基礎(chǔ)上再集成無線功能模塊，使得傳感器不再是單獨(dú)的感知模塊，而是一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)

13、采集、處理，信息交換和控制的有機(jī)整體。 為了實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地與任何人或任何設(shè)備的互聯(lián)互通，無線通信技術(shù)獲得了蓬勃發(fā)展。在正交頻分復(fù)用(OFDM)和多入多出(MIMO)等基礎(chǔ)技術(shù)支持下，多種無線技術(shù)如藍(lán)牙、Wi-Fi、WIMAX、超寬帶和無線局域網(wǎng)獲得了長足發(fā)展。作為蓬勃發(fā)展的無線技術(shù)，近幾年正是其大變革時(shí)期。隨著幾種重要基礎(chǔ)技術(shù)的推廣和實(shí)際應(yīng)用，無線通信的速度也將得到大大提高。無線傳感模塊屬于無線技術(shù)中較為底層的一個(gè)分支，由于越來越多的應(yīng)用方案開始采用無線節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和通信。綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等的無線傳感網(wǎng)絡(luò),是當(dāng)前的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。而無

14、線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)可靠性的重要保障，因此無線傳感模塊的設(shè)計(jì)，傳感技術(shù)、傳感網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)被認(rèn)定為最重要的研究之一。 當(dāng)前國內(nèi)外出現(xiàn)了多種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件平臺(tái)。典型的節(jié)點(diǎn)包括Mica 系列、Telos 、IRIS 和Imote2 等。各平臺(tái)的主要區(qū)別是采用了不同的處理器和無線通信模塊。有些節(jié)點(diǎn)具有高性能但功耗較大，如Imote2 節(jié)點(diǎn)，不適用于能量受限的應(yīng)用環(huán)境。其他一些節(jié)點(diǎn)，如Telos 、Mica 等， 由于設(shè)計(jì)時(shí)間較早，其性能已經(jīng)落后于當(dāng)今的集成電路工業(yè)設(shè)計(jì)水平4。因?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一般采用電池供電，工作環(huán)境通常比較惡劣，而且數(shù)量大，更換非常困難，所以低功耗是無線傳感

15、器網(wǎng)絡(luò)最重要的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則之一。IT P（美國再生能源辦公室工業(yè)技術(shù)計(jì)劃） 在2002年發(fā)布的報(bào)告“21世紀(jì)工業(yè)無線技術(shù)”第一頁中引用了總統(tǒng)科技顧問的斷言：無線傳感器可將能源利用率提高10%，將能源損耗減少25%5。后來的研究，如Intel ( r) Mote 的研究項(xiàng)目則注重了三個(gè)方面的要求，包括低功耗操作、系統(tǒng)級集成和硬件的重新配置，希望做到平衡功耗與性能的矛盾，但目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)還需要一定的努力。M IT 發(fā)展的模塊化平臺(tái)對于具體的傳感器有不同的硬件設(shè)計(jì)，他們的傳感器的主要功能是數(shù)據(jù)收集，采用垂直連接器來使不同的處理層整合到一起，其目的是為了設(shè)計(jì)一個(gè)通用的系統(tǒng)來取代單一的硬件系統(tǒng)7。隨著電子技術(shù)、

16、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及集成技術(shù)的不斷發(fā)展，傳感技術(shù)也會(huì)得到不斷的發(fā)展和完善。并且會(huì)有更多的結(jié)構(gòu)新、功能強(qiáng)、耗能低的傳感器用運(yùn)于各種實(shí)際的無線網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，以高的精確度和良好的穩(wěn)定性服務(wù)于更加廣泛的領(lǐng)域。1.6.2發(fā)展趨勢 正是由于低功耗無線傳感節(jié)點(diǎn)在如此廣范圍內(nèi)的應(yīng)用，使得它受到了來自軍事、工業(yè)和商業(yè)以及學(xué)術(shù)專家的極大關(guān)注。其發(fā)展方向必然是無線通信的網(wǎng)絡(luò)化，即通過自組網(wǎng)的方式形成動(dòng)態(tài)、自適應(yīng)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)。而無線傳感網(wǎng)絡(luò)( WSN) 是當(dāng)前在國際上備受關(guān)注的、涉及多學(xué)科高度交叉、知識高度集成的前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域。它綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等。我國迫切需要提

17、升對此的認(rèn)識程度，并盡快推動(dòng)其發(fā)展。因此，以無線傳感模塊為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的無線互聯(lián)將是一個(gè)必然的趨勢。 另外由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)可靠性的重要保障。在不同的應(yīng)用中，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的組成不盡相同。已有的節(jié)點(diǎn)， 有的只考慮低功耗而性能不高，有的性能高但是功耗太大。因此，無線傳感模塊的發(fā)展必然是趨向與低功耗的。即在保證所需要實(shí)現(xiàn)功能的基礎(chǔ)上，盡量的實(shí)現(xiàn)整個(gè)模塊的低功耗，甚至在不影響整體性能的情況下適當(dāng)減少部分功能來實(shí)現(xiàn)降低功耗的目的。 除開以上所講兩種發(fā)展趨勢之外，無線傳感模塊的應(yīng)用和發(fā)展還具有極大的發(fā)展空間和良好的發(fā)展方向。當(dāng)前對無線傳感模塊的應(yīng)用都是靜止性的，就目前存在的

18、無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN），構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)都是被固定的安放在一個(gè)地方，要實(shí)現(xiàn)對整個(gè)環(huán)境的檢測，就需要向環(huán)境中投放大量的無線傳感節(jié)點(diǎn)。這樣一來成本就會(huì)非常的高。若實(shí)現(xiàn)無線傳感模塊對信息的移動(dòng)式采集，則在同一個(gè)環(huán)境內(nèi)投放更少的節(jié)點(diǎn)，就能實(shí)現(xiàn)對環(huán)境的全面檢測。 正是由于當(dāng)前能耗對無線傳感模塊的影響，低功耗研究才上升為一個(gè)熱點(diǎn)領(lǐng)域，不論是使用電源或者電池供電，在實(shí)現(xiàn)低功耗后，無線傳感模塊的發(fā)展趨勢必然是自生能源式的。利用太陽能、振動(dòng)能量、地?zé)?、風(fēng)能等實(shí)現(xiàn)無線傳感模塊的電能供應(yīng)對于全面提高無線傳感模塊的能力將會(huì)起到巨大的作用。最后，基于能力存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展，電池的容量越來越大，再加上低功耗的實(shí)現(xiàn)，無線傳感

19、模塊的適用壽命不斷增加將會(huì)成為一個(gè)絕對趨勢。未來的無線傳感模塊必將是集穩(wěn)定性與安全性、擴(kuò)展性與靈活性、微型化與低成本等特點(diǎn)為一體的8。2 系統(tǒng)分析和總體設(shè)計(jì)2.1 對無線傳感器系統(tǒng)的要求 系統(tǒng)由溫濕度傳感器SHT11、光照傳感器TSL2561，AT89S52單片機(jī)，無線數(shù)據(jù)傳輸模塊PTR2000，PC和電源模塊組成。傳感器節(jié)點(diǎn)通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，將采集到的數(shù)據(jù)沿著其他節(jié)點(diǎn)逐跳進(jìn)行傳輸，傳輸?shù)斤@示模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示。主要技術(shù)指標(biāo)（1）通信與組網(wǎng)：負(fù)責(zé)監(jiān)測環(huán)境信息的傳感器節(jié)點(diǎn)自組織搭建無線網(wǎng)絡(luò)，并向管理和基礎(chǔ)服務(wù)層提供服務(wù)支持；（2）通信頻段：433MHz；（3）采用通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)：ZigBee協(xié)

20、議標(biāo)準(zhǔn)；（4）借點(diǎn)可靠通信范圍：1000m；（5）傳感器精度：溫度0.3（25時(shí)），濕度：2.0%RH（2080%RH），光照強(qiáng)度：1lx。2.2 系統(tǒng)組成及工作原理2.2.1系統(tǒng)組成系統(tǒng)由電源，上位機(jī)系統(tǒng)和下位機(jī)系統(tǒng)組成。電源包括LM7805，四節(jié)5號AA電池和一個(gè)10K電阻。上位機(jī)包括無線收發(fā)模塊PTR2000，MAX232，PC。下位機(jī)包括無線收發(fā)芯片PTR2000，AT89S52單片機(jī)，溫濕度傳感器SHT11，光照強(qiáng)度傳感器TSL2561。圖2.1傳感器節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)框圖2.2.2工作原理 多個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)通過無線通信方式形成的一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)，其中的節(jié)點(diǎn)將采集到的數(shù)據(jù)依照最近路線逐個(gè)傳

21、遞到離監(jiān)測中心最近的傳感器節(jié)點(diǎn)，再從節(jié)點(diǎn)發(fā)送到監(jiān)測中心。由檢測中心的PC中Labview8.6軟件開發(fā)出的監(jiān)測界面顯示數(shù)據(jù)曲線圖。圖2.2監(jiān)測軟件界面圖 圖2.3系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1上位機(jī)系統(tǒng)3.1.1PTR2000 無線收發(fā)一體數(shù)傳MODEM模塊PTR2000芯片性能優(yōu)異，在業(yè)界居領(lǐng)先水平，它的顯著特點(diǎn)是所需外圍元件少，因而設(shè)計(jì)非常方便。該模板塊在內(nèi)部需成了高頻接收、PLL合成、FSK調(diào)制/解調(diào)、參量放大、功率放大、頻道切換等功能，因而是目前集成度較高的無線數(shù)傳產(chǎn)品。 以往設(shè)計(jì)無線數(shù)傳產(chǎn)品常常需要相當(dāng)?shù)臒o線電專業(yè)知識和昂貴的專業(yè)設(shè)備，而且傳統(tǒng)的電路方案不是電路太復(fù)雜就是調(diào)試

22、困難而令人望而卻步，以至影響了用戶的使用和新產(chǎn)品的開發(fā)研制工作。PTR2000的出現(xiàn)，使有們擺脫了傳統(tǒng)無線產(chǎn)品設(shè)計(jì)的困擾。該器件采用抗干擾能力較強(qiáng)的FSK調(diào)制/解調(diào)方式，其工作頻率穩(wěn)定可靠、外圍元件少、功耗極低且便于設(shè)計(jì)生產(chǎn)，這些優(yōu)異特性使得PTR200非常適合于便攜及手持產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。另外，由于它采用了低發(fā)射功率、高靈敏度設(shè)計(jì)，因而可滿足無線管制的要求且無需使用許可證，是目前低功率無線數(shù)傳的理想選擇。PTR2000主要有以下幾個(gè)特點(diǎn):該器件將接收和發(fā)射合接為一體； 工作頻率為國際通用的數(shù)傳頻段433MHZ； 采用FSK調(diào)制/解調(diào)，可直接進(jìn)入數(shù)據(jù)輸入/輸出，抗干擾能力強(qiáng)，特別適合工業(yè)控制場合；

23、采用DDS（直接數(shù)據(jù)合成）+PLL頻率合成技術(shù)，因而頻率穩(wěn)定性極好； 靈敏度高達(dá)105bBm; 工作電壓低（2.7V），功耗小，接收待機(jī)狀態(tài)電流僅為8A； 具有兩個(gè)頻道，可滿足需要多信道工作的場合； 工作速率最高達(dá)20kbit/s(也可在較抵速率下工作，如9600bps); 超小體積，約40×27×5mm; 可直接與MCU的串口進(jìn)行連接（如8031），也可以通過MAX232與計(jì)算機(jī)接口，軟件編程非常方便； 標(biāo)準(zhǔn)的DIR引腳間距更適合于趼、嵌入式設(shè)備； 由于采用了低發(fā)射功率、高接收靈敏的設(shè)計(jì)，因此使用時(shí)無需申請?jiān)S可證，開闊地時(shí)的使用距離最遠(yuǎn)可達(dá)1000米。引腳排列及功能PTR

24、2000模板的引腳排列如圖3.1所示。各引腳的功能說明如下； 圖3.1PTR2000引腳排列圖VCC（1腳）；下輸入端，電壓范圍為2.75.25V； CS（2腳）：頻道選擇端。CS=0時(shí)，選擇工作頻道1， 即433.92MHz；CS=1時(shí)選擇工作頻道2，即434.33 MHz DI（3腳）：數(shù)據(jù)輸入端DO（4腳）：數(shù)據(jù)輸出端； PWR（5腳）：節(jié)能控制端。當(dāng)PWR=1時(shí)，模塊處于正常工作狀態(tài)，PWR=0時(shí)，模塊處于待機(jī)微功耗狀態(tài)； TXEN6腳）：發(fā)射/接收控制端。當(dāng)TXEN=1時(shí)，模塊為發(fā)射狀態(tài)；當(dāng)TXEN=0時(shí)，模塊被設(shè)置為接收狀態(tài)。 GND（7腳）：電源地 PTR2000可與所有單片機(jī)（

25、如80C31、2051、68HC08、PIC、Z8等）配合使用，可直接接單片機(jī)的串口或I/O口，也可與計(jì)算機(jī)串口進(jìn)行通訊，此時(shí)需要在中間簡單地接在一個(gè)RS232電平轉(zhuǎn)換芯片，如MAX232等。 軟件編程注意事項(xiàng) 在軟件編程過程中，對PTR2000的工作模式和工作頻道的選擇尤為重要，表1給出了該模塊的工作模式控制及工作頻道的選擇方式。表3.1 模塊工作模式控制及工作頻道選擇表表3.1模塊工作模式控制及工作頻道選擇表發(fā)送 PTR2000的通信速率最高為20Kbit/s,也可工作在其它速率如4800bps、9600bps下，無需設(shè)置PTR2000的工作速率。 在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，應(yīng)將模塊先置于發(fā)射模式，

26、即TXEN=1。然后在等待至少5ms后（接收到發(fā)射的轉(zhuǎn)換時(shí)間）才可以發(fā)送任意長度的數(shù)據(jù)。發(fā)送結(jié)束后應(yīng)將模塊置于接收狀態(tài)，即TXEN=0。發(fā)射到接收的轉(zhuǎn)換時(shí)間為5ms。 接收 接收時(shí)應(yīng)將PTR2000置于接收狀態(tài)，即TXEN=0。然后將將接收到的數(shù)據(jù)直接送到單片機(jī)串口或經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后送到計(jì)算機(jī)。 待機(jī)模式當(dāng)PWR=0時(shí)，PTR2000進(jìn)入節(jié)電待機(jī)模式，此時(shí)的功耗大約為8A，但在待機(jī)模式下不能接收和發(fā)射數(shù)據(jù)。 PTR2000 除了應(yīng)注意在發(fā)送、接收和待機(jī)模式下的編程外，還需注意在無信號時(shí)，PTR2000的串口輸出的是隨機(jī)數(shù)據(jù)，此時(shí)，可定義一個(gè)簡單的通信協(xié)議，如在發(fā)送時(shí)，在有效數(shù)據(jù)這前加兩個(gè)（或多個(gè)）

27、字節(jié)的固定標(biāo)志，以便在接收一方的軟件中檢測該固定標(biāo)志并將其作出了為下式數(shù)據(jù)的開始。 為了使系統(tǒng)能夠可靠地通信，在編程時(shí)應(yīng)設(shè)計(jì)通信協(xié)議，并應(yīng)考慮數(shù)據(jù)的糾檢錯(cuò)，檢錯(cuò)可采用較驗(yàn)方式或更好的CRC校驗(yàn)方式。 硬件連接圖3.2所示是PTR2000與計(jì)算機(jī)串口進(jìn)行接口的典型應(yīng)用電路。連接時(shí)，PTR2000無線MODEM的DI端應(yīng)接MAX232的R2OUT，DO接MAX232的T1IN，TEEN接R1OUT。 圖3.2PTR2000與MAX232連接3.1.2MAX232MAX232芯片是美信（MAXIM）公司專為RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片，使用+5v單電源供電。MAX220MAX249系

28、列線驅(qū)動(dòng)器/接收器，專為EIA/TIA-232E以及V.28/V.24通信接口設(shè)計(jì)，尤其是無法提供±12V電源的應(yīng)用。 這些器件特別適合電池供電系統(tǒng)，這是由于其低功耗關(guān)斷模式可以將功耗減小到5µW以內(nèi)。MAX225、MAXX233、MAX235以及MAX245/MAX246/MAX247不需要外部元件，推薦用于印刷電路板面積有限的應(yīng)用。關(guān)鍵特性1、對于低電壓、集成ESD應(yīng)用 2、MAX3222E/MAX3232E/MAX3237E/MAX3241E/MAX3246E：+3.0V至+5.5V、低功耗、最高1Mbps、真正的RS-232收發(fā)器，使用4個(gè)0.1&

29、micro;F外部電容(MAX3246E提供UCSP封裝) 3、對于低成本應(yīng)用 MAX221E：±15kV ESD保護(hù)、+5V、1µA、單路RS-232收發(fā)器，帶AutoShutdown圖3.3MAX232引腳圖引腳介紹第一部分是電荷泵電路。由1、2、3、4、5、6腳和4只電容構(gòu)成。功能是產(chǎn)生+12v和-12v兩個(gè)電源，提供給RS-232串口電平的需要。 第二部分是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道。由7、8、9、10、11、12、13、14腳構(gòu)成兩個(gè)數(shù)據(jù)通道。 其中13腳（R1IN）、12腳（R1OUT）、11腳（T1IN）、14腳（T1OUT）為第一數(shù)據(jù)通道。 8腳（R2IN）、9

30、腳（R2OUT）、10腳（T2IN）、7腳（T2OUT）為第二數(shù)據(jù)通道。 TTL/CMOS數(shù)據(jù)從T1IN、T2IN輸入轉(zhuǎn)換成RS-232數(shù)據(jù)從T1OUT、T2OUT送到電腦DB9插頭；DB9插頭的RS-232數(shù)據(jù)從R1IN、R2IN輸入轉(zhuǎn)換成TTL/CMOS數(shù)據(jù)后從R1OUT、R2OUT輸出。 第三部分是供電。15腳GND、16腳VCC（+5v）。主要特點(diǎn)1、 符合所有的RS-232C技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) 2、 只需要單一 +5V電源供電 3、 片載電荷泵具有升壓、電壓極性反轉(zhuǎn)能力，能夠產(chǎn)生+10V和-10V電壓V+、V- 4、 功耗低，典型供電電流5mA 5、 內(nèi)部集成2個(gè)RS-232C驅(qū)動(dòng)器 6、 高

31、集成度，片外最低只需4個(gè)電容即可工作。圖3.4MAX232與PC連接圖3.2下位機(jī)系統(tǒng)3.2.1微處理器模塊 AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲(chǔ)器。使用Atmel 公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52在眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。主要性能：1、 與MCS-51單片機(jī)產(chǎn)品兼容； 2、 8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器； 3、 1000次擦寫周期

32、； 4、 全靜態(tài)操作：0Hz-33MHz； 5、 三級加密程序存儲(chǔ)器； 6、 32個(gè)可編程I/O口線； 7、 三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器； 8、 六個(gè)中斷源； 9、 全雙工UART串行通道； 10、 低功耗空閑和掉電模式； 11、 掉電后中斷可喚醒； 12、 看門狗定時(shí)器； 13、 雙數(shù)據(jù)指針； 14、 掉電標(biāo)識符 。引腳說明 AT89S52 是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲(chǔ)器。使用Atmel 公司高密度非 易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完 全兼容。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于 常規(guī)編程器。在單芯片上

33、，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng) 可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提 供高靈活、超有效的解決方案。 AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM， 32 位I/O 口線，看門狗定時(shí)器，2 個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè)16 位 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口， 片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外，AT89S52 可降至0Hz 靜態(tài)邏 輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工 作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)， 單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位

34、為止。圖3.5AT89S52的引腳圖 P0 口：P0口是一個(gè)8位漏極開路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏 輯電平。對P0端口寫“1”時(shí)，引腳用作高阻抗輸入。 當(dāng)訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下， P0不具有內(nèi)部上拉電阻。 在flash編程時(shí)，P0口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)。程序校驗(yàn) 時(shí)，需要外部上拉電阻。 P1 口：P1 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，p1 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4 個(gè) TTL 邏輯電平。對P1 端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入 口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部

35、拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。 此外，P1.0和P1.1分別作定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的外部計(jì)數(shù)輸入（P1.0/T2）和定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2 的觸發(fā)輸入（P1.1/T2EX）。 在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口接收低8位地址字節(jié)。 引腳號第二功能： P1.0 T2（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T2的外部計(jì)數(shù)輸入），時(shí)鐘輸出 P1.1 T2EX（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T2的捕捉/重載觸發(fā)信號和方向控制） P1.5 MOSI（在系統(tǒng)編程用） P1.6 MISO（在系統(tǒng)編程用） P1.7 SCK（在系統(tǒng)編程用） P2 口：P2 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，P2 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) TT

36、L 邏輯電平。對P2 端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入 口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。 在訪問外部程序存儲(chǔ)器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如執(zhí)行MOVX DPTR） 時(shí)，P2 口送出高八位地址。在這種應(yīng)用中，P2 口使用很強(qiáng)的內(nèi)部上拉發(fā)送1。在使用 8位地址（如MOVX RI）訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。 在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，P2口也接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號。 P3 口：P3 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，p3 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4 個(gè) TTL 邏輯電平。對P3

37、 端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入 口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。 P3口亦作為AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。 在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，P3口也接收一些控制信號。 端口引腳 第二功能： P3.0 RXD(串行輸入口) P3.1 TXD(串行輸出口) P3.2 INTO(外中斷0) P3.3 INT1(外中斷1) P3.4 TO(定時(shí)/計(jì)數(shù)器0) P3.5 T1(定時(shí)/計(jì)數(shù)器1) P3.6 WR(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通) P3.7 RD(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通) 此外，P3口還接收一些用于FLASH閃

38、存編程和程序校驗(yàn)的控制信號。 RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)，RST引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將是單片機(jī)復(fù)位。 ALE/PROG：當(dāng)訪問外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。一般情況下，ALE仍以時(shí)鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。要注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過一個(gè)ALE脈沖。對FLASH存儲(chǔ)器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（PROG）。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH單元的D0位置位，可禁止ALE操作。該位置位后，只有一條MOVX和MOVC指令才能將ALE激活。

39、此外，該引腳會(huì)被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，應(yīng)設(shè)置ALE禁止位無效。 PSEN：程序儲(chǔ)存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號，當(dāng)AT89S52由外部程序存儲(chǔ)器取指令（或數(shù)據(jù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個(gè)脈沖，在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，將跳過兩次PSEN信號。 EA/VPP：外部訪問允許，欲使CPU僅訪問外部程序存儲(chǔ)器（地址為0000H-FFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被編程，復(fù)位時(shí)內(nèi)部會(huì)鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平（接Vcc端），CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器的指令。FLASH存儲(chǔ)器編程時(shí)，該引腳加上+12V的編程允

40、許電源Vpp，當(dāng)然這必須是該器件是使用12V編程電壓Vpp。 XTAL1：振蕩器反相放大器和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生電路的輸入端。 XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。3.2.2溫濕度傳感器SHT11SHT11是瑞士Scnsirion公司推出的一款數(shù)字溫濕度傳感器芯片。該芯片廣泛應(yīng)用于暖通空調(diào)、汽車、消費(fèi)電子、自動(dòng)控制等領(lǐng)域。共主要特點(diǎn)如下：         高度集成，將溫度感測、濕度感測、信號變換、AD轉(zhuǎn)換和加熱器等功能集成到一個(gè)芯片上；        

41、 提供二線數(shù)字串行接口SCK和DATA，接口簡單，支持CRC傳輸校驗(yàn)，傳輸可靠性高；         測量精度可編程調(diào)節(jié)，內(nèi)置AD轉(zhuǎn)換器(分辨率為812位，可以通過對芯片內(nèi)部寄存器編程米選擇)；         測量精確度高，由于同時(shí)集成溫濕度傳感器，可以提供溫度補(bǔ)償?shù)臐穸葴y量值和高質(zhì)量的露點(diǎn)計(jì)算功能；         封裝尺寸超小(7.62 mm

42、×5.08mm×2.5 mm)，測量和通信結(jié)束后，自動(dòng)轉(zhuǎn)入低功耗模式；         高可靠性，采用CMOSens工藝，測量時(shí)可將感測頭完全浸于水中。     SHT11的引腳功能SHT11溫濕度傳感器采用SMD(LCC)表面貼片封裝形式，接口非常簡單，引腳名稱及排列順序如下圖所示。圖3.6SHT11引腳圖          各引腳的功能如下：  

43、0;    腳1和4-信號地和電源，其工作電壓范圍是2.45.5 V；      腳2和腳3-二線串行數(shù)字接口，其中DA-TA為數(shù)據(jù)線，SCK為時(shí)鐘線；      腳58-未連接。     SHT11的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理 溫濕度傳感器SHT11將溫度感測、濕度感測、信號變換、AD轉(zhuǎn)換和加熱器等功能集成到一個(gè)芯片上，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。該芯片包括一個(gè)電容性聚合體濕度敏感元件和一個(gè)用能隙材料制成的溫度敏感元件。這兩個(gè)敏感元件分別

44、將濕度和溫度轉(zhuǎn)換成電信號，該電信號首先進(jìn)入微弱信號放大器進(jìn)行放大；然后進(jìn)入一個(gè)14位的AD轉(zhuǎn)換器；最后經(jīng)過二線串行數(shù)字接口輸出數(shù)字信號。SHT11在出廠前，都會(huì)在恒濕或恒溫環(huán)境巾進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)系數(shù)存儲(chǔ)在校準(zhǔn)寄存器中；在測量過程中，校準(zhǔn)系數(shù)會(huì)自動(dòng)校準(zhǔn)來自傳感器的信號。此外，SHT11內(nèi)部還集成了一個(gè)加熱元件，加熱元件接通后可以將SHT11的溫度升高5左右，同時(shí)功耗也會(huì)有所增加。此功能主要為了比較加熱前后的溫度和濕度值，可以綜合驗(yàn)證兩個(gè)傳感器元件的性能。在高濕(>95RH)環(huán)境中，加熱傳感器可預(yù)防傳感器結(jié)露，同時(shí)縮短響應(yīng)時(shí)間，提高精度。加熱后SHT11溫度升高、相對濕度降低，較加熱前，測量值

45、會(huì)略有差異。  微處理器是通過二線串行數(shù)字接口與SHT11進(jìn)行通信的。通信協(xié)議與通用的I2C總線協(xié)議是不兼容的，因此需要用通用微處理器IO口模擬該通信時(shí)序。微處理器對SHT11的控制是通過5個(gè)5位命令代碼來實(shí)現(xiàn)的，命令代碼的含義如表1所列。 SHT11應(yīng)用設(shè)計(jì)      微處理器采用二線串行數(shù)字接口和溫濕度傳感器芯片SHT11進(jìn)行通信，所以硬件接門設(shè)計(jì)非常簡單；然而，通信協(xié)議是芯片廠家自己定義的，所以在軟件設(shè)計(jì)中，需要用微處理器通用IO口模擬通信協(xié)議。     硬件設(shè)計(jì)SHT11通過二線數(shù)字串行接口來訪問

46、，所以硬件接口電路非常簡單。需要注意的地方是：DATA數(shù)據(jù)線需要外接上拉電阻，時(shí)鐘線SCK用于微處理器和SHT11之間通信同步，由于接口包含了完全靜態(tài)邏輯，所以對SCK最低頻率沒有要求；當(dāng)工作電壓高于4.5V時(shí)，SCK頻率最高為10 MHz，而當(dāng)工作電壓低于4.5 V時(shí)，SCK最高頻率則為1 MHz。硬件連接如下圖所示。    圖3.7SHT11與單片機(jī)的連接3.2.3 光照傳感器TSL2561 TSL2561簡介TSL2561是TAOS公司推出的一種高速、低功耗、寬量程、可編程靈活配置的光強(qiáng)度數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片。該芯片可廣泛應(yīng)用于各類顯示屏的監(jiān)控，

47、目的是在多變的光照條件下，使得顯示屏提供最好的顯示亮度并盡可能降低電源功耗；還能夠用于街道光照控制、安全照明等眾多場合。該芯片的主要特點(diǎn)如下： 可編程配置許可的光強(qiáng)度上下閾值，當(dāng)實(shí)際光照度超過該閾值時(shí)給出中斷信號； 數(shù)字輸出符合標(biāo)準(zhǔn)的SMBus(TSL2560)和I2C(TSL2561)總線協(xié)議； 模擬增益和數(shù)字輸出時(shí)間可編程控制； 1.25 mm×1.75 mm超小封裝，在低功耗模式下，功耗僅為0.75 mW； 自動(dòng)抑制50 Hz/60 Hz的光照波動(dòng)。 TSL256x的引腳功能    TSL256x有2種封裝形式： 6LEAD CHIPSC

48、ALE和6LEAD TMB。封裝形式不同，相應(yīng)的光照度計(jì)算公式也不同。圖3.8為這兩種封裝形式的引腳分布圖。圖3.8TSL2561的兩種封裝引腳圖          各引腳的功能如下：腳1和腳3： 分別是電源引腳和信號地。其工作電壓范圍是2.73.5V。腳2： 器件訪問地址選擇引腳。由于該引腳電平不同，該器件有3個(gè)不同的訪問地址。訪問地址和電平的對應(yīng)關(guān)系如表3.2所列。表3.2 器件訪問地址和引腳2電平的對應(yīng)關(guān)系腳4和腳6： I2C或SMBus總線的時(shí)鐘信號線和數(shù)據(jù)線。腳5： 中斷信號

49、輸出引腳。當(dāng)光強(qiáng)度超過用戶編程配置的上或下閾值時(shí)，器件會(huì)輸出一個(gè)中斷信號。 TSL2561的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理    TSL2561是第二代周圍環(huán)境光強(qiáng)度傳感器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示。通道0和通道1是兩個(gè)光敏二極管，其中通道0對可見光和紅外線都敏感，而通道1僅對紅外線敏感。積分式A/D轉(zhuǎn)換器對流過光敏二極管的電流進(jìn)行積分，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，在轉(zhuǎn)換結(jié)束后將轉(zhuǎn)換結(jié)果存入芯片內(nèi)部通道0和通道1各自的寄存器中。當(dāng)一個(gè)積分周期完成之后，積分式A/D轉(zhuǎn)換器將自動(dòng)開始下一個(gè)積分轉(zhuǎn)換過程。微控制器和TSL2560可通過標(biāo)準(zhǔn)的SMBus( System Management

50、Bus) V1.1或V2.0實(shí)現(xiàn)，TSL2561則可通過I2C總線協(xié)議訪問。對TSL2561的控制是通過對其內(nèi)部的16個(gè)寄存器的讀寫來實(shí)現(xiàn)的，其地址如圖3.9所列：圖3.9TSL2561內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 表3.3TSL2561內(nèi)部寄存器地址及作用 TSL256x應(yīng)用設(shè)計(jì) TSL256x的訪問遵循標(biāo)準(zhǔn)的SMBus和I2C協(xié)議，這使得該芯片軟件和硬件設(shè)計(jì)變得很簡單。這兩種協(xié)議的讀寫時(shí)序雖然很類似，但仍存在不同之處。下面僅以TSL2561芯片為例，說明TSL256x光強(qiáng)傳感器的實(shí)際應(yīng)用。硬件設(shè)計(jì)    TSL2561能夠通過I2C總線訪問，所以硬件接口電路

51、很簡單。假如所選用的微控制器帶有I2C總線控制器，則將該總線的時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線直接和TSL2561的I2C總線的SCL和SDA分別相連；假如微控制器內(nèi)部沒有上拉電阻，則還需要再用2個(gè)上拉電阻接到總線上。假如微控制器不帶I2C總線控制器，則將TSL2561的I2C總線的SCL和SDA和普通I/O口連接即可；但編程時(shí)需要模擬I2C總線的時(shí)序來訪問TSL2561，INT引腳接微控制器的外部中斷。硬件連接如圖3.10所示。圖3.10TSL2561與單片機(jī)連接圖3.3電源用LM7805一塊，10K電阻一個(gè)，5號AA電池4節(jié)構(gòu)成+5V穩(wěn)壓電源。電路圖如下：圖3.11電源電路圖LM7805簡介：用lm78/l

52、m79系列三端穩(wěn)壓IC來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，使用起來可靠、方便，而且價(jià)格便宜。該系列集成穩(wěn)壓IC型號中的lm78或lm79后面的數(shù)字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓，如lm7806表示輸出電壓為正6V，lm7909表示輸出電壓為負(fù)9V。因?yàn)槿斯潭煞€(wěn)壓電路的使用方便，電子制作中經(jīng)常采用。3.12LM7805內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1 編程思路及流程圖4.1.1PTR2000思路： 單片機(jī)開始需將無線數(shù)據(jù)傳輸模塊PTR2000設(shè)置處于接受狀態(tài)，通過串口中斷識別由PC用過無線信道傳輸來的指令，根據(jù)接受指令的內(nèi)容采集數(shù)據(jù)并啟動(dòng)發(fā)送。發(fā)

53、送前需將PTR2000模塊設(shè)置為發(fā)射狀態(tài)，且等待5ms才可發(fā)送，發(fā)送完畢后，向PC機(jī)端發(fā)送“發(fā)送結(jié)束指令”，并將PTR2000重設(shè)為接受狀態(tài)，圖4.1為系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖。 圖4.1基于單片機(jī)的PTR2000無線傳輸流程圖4.1.2SHT11思路： 微處理器和溫濕度傳感器通信采用串行二線接口SCK和DATA，其中SCK為時(shí)鐘線，DATA為數(shù)據(jù)線。該二線串行通信協(xié)議和I2C協(xié)議是不兼容的。在程序開始，微處理器需要用一組"啟動(dòng)傳輸"時(shí)序表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯?dòng)，如圖4所示。當(dāng)SCK時(shí)鐘為高電平時(shí)，DATA翻轉(zhuǎn)為低電平；緊接著SCK變?yōu)榈碗娖?，隨后又變?yōu)楦唠娖?；在SCK時(shí)鐘為高電平時(shí)，

54、DATA再次翻轉(zhuǎn)為高電平。 開始 SHT11初始化啟動(dòng)SHT11等待上位機(jī)發(fā)送指令測溫濕度溫濕度計(jì)算計(jì)算結(jié)果發(fā)送到上位機(jī)復(fù)位圖4.2SHT11程序流程圖4.1.3TSL2561思路：微控制器能夠通過I2C總線協(xié)議對TSL2561進(jìn)行讀寫。寫數(shù)據(jù)時(shí)，先發(fā)送器件地址，然后發(fā)送要寫的數(shù)據(jù)。TSL2561的寫操作過程如下： 先發(fā)送一組器件地址；然后寫命令碼，命令碼是指定接下來寫寄存器的地址00h0fh和寫寄存器的方式，是以字節(jié)、字或塊（幾個(gè)字）為單位進(jìn)行寫操作的；最后發(fā)送要寫的數(shù)據(jù)，根據(jù)前面命令碼規(guī)定寫寄存器的方式，能夠連續(xù)發(fā)送要寫的數(shù)據(jù)，內(nèi)部寫寄存器會(huì)自動(dòng)加1。 圖4.3TSL程序流程圖結(jié) 論 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測、生態(tài)監(jiān)控等領(lǐng)域應(yīng)用日益廣泛，尤其是在艱苦或惡劣環(huán)境條件下，具有傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)不可比擬的優(yōu)勢。本設(shè)計(jì)將基于ZigBee 的無線傳器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)環(huán)境測控，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對農(nóng)作物現(xiàn)場信息進(jìn)行采集，設(shè)計(jì)了簇狀的無線傳器監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案，完成了傳感器節(jié)點(diǎn)硬