WIFI星形無線監(jiān)控自組網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、山東建筑大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 目 錄摘 要. 1.方案設(shè)計(jì). 1 1.1 總體方案設(shè)計(jì). 1 1.2 中央處理器的選擇. 1 1.3 總線選擇. 2 1.4 傳感器和執(zhí)行器的選擇. 3 1.5 電源電路. 62.硬件選型與接口設(shè)計(jì). 7 2.1 通信接口，分配通信接口的引腳分布. 7 2.2 有線通信方式、通信協(xié)議. 7 2.3 無線通信方式、通信協(xié)議. 83.系統(tǒng)功能驗(yàn)證與聯(lián)調(diào). 10 3.1 單片機(jī)初始化程序. 10 3.2 ESP8266 模塊的調(diào)試. 144.總結(jié)與致謝. 165.參考文獻(xiàn). 17山東建筑大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書II 摘摘 要要 WIFI 是一種可以將個(gè)人電腦、手持設(shè)備等終端以

2、無線方式互相連接的技術(shù)。 近幾年，WIFI 無線通信技術(shù)得到了迅速發(fā)展，WIFI 已成為當(dāng)今無線網(wǎng)絡(luò)接入的主流標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)外許多地區(qū)都提供了 WIFI 信號覆蓋域，只要隨身攜帶的電子產(chǎn)品上有 WIFI 終端，便可接入互聯(lián)網(wǎng)。ARM 是目前進(jìn)行便攜式電子產(chǎn)品開發(fā)的主流芯片，因此，對 ARM 架構(gòu)下 WIFI 無線通信終端的研究具有非常重要的意義。 本次設(shè)計(jì)完成 WIFI 星型無線監(jiān)控自組網(wǎng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。運(yùn)用各類傳感器、執(zhí)行器、單片機(jī)、I/O 接口和現(xiàn)場總線等知識，完成該系統(tǒng)的硬件方案、設(shè)備選型和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)以 8-32 位單片機(jī)或 ARM 處理器為核心，以 WIFI 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為平臺，設(shè)計(jì)以路由器為

3、核心的星型網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn) DHCP 自動分配 IP 地址，并實(shí)現(xiàn) IP 地址和設(shè)備編號的對應(yīng)，能夠?qū)崟r(shí)查詢設(shè)備狀態(tài)，具備自組網(wǎng)功能。 本設(shè)計(jì)按照電路設(shè)計(jì)的一般規(guī)范、產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并依照國家標(biāo)準(zhǔn)，做到“成本低、功能強(qiáng)、使用方便、可靠性高”的基本要求。 山東建筑大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書01.方案設(shè)計(jì) 1.1 總體方案設(shè)計(jì) 按照系統(tǒng)需求，對本 WIFI 無線通信終端的總體方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)，其軟硬件結(jié)構(gòu)由無線移動終端由 AT89C52 為核心搭建而成，從功能上無線移動終端可以分成三個(gè)子系統(tǒng)：（1）ARM 子系統(tǒng)：主要包括 AT89C52 芯片以及周邊存儲電路、接口轉(zhuǎn)換電路和供電、晶振、復(fù)位電路組成，該

4、部分驅(qū)動無線網(wǎng)卡和運(yùn)行通信程序進(jìn)行 WIFI 通信，并且提供人機(jī)交互接口，接受上位 PC 機(jī)和手機(jī)的監(jiān)控（通過串口） ；（2）WLAN 子系統(tǒng)：主要包括 EPS8266WIFI 模塊部分，負(fù)責(zé)無線信號的發(fā)送，功率放大/濾波，混頻，基帶處理等功能，并且與 ARM 子系統(tǒng)串口進(jìn)行快速有效的數(shù)據(jù)通信；外加無線網(wǎng)卡部分，進(jìn)行 PC 機(jī)通信（3）PC 機(jī)和手機(jī)部分，主要負(fù)責(zé) 2.4GHZ 無線信號的接收并顯示，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下： 圖 1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖 1.2 中央處理器的選擇 中央處理器是整個(gè)計(jì)算機(jī)的大腦，它由運(yùn)算器和控制器組成的 ，中央處理器的好壞大大決定了計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度。所以在選擇中央處理器的

5、時(shí)候要注意以下幾個(gè)問題： （1）主頻：決定了計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度，同一級別內(nèi)，主頻越高運(yùn)算速度越快 （2）倍頻與外頻：現(xiàn)在市場上基本上已經(jīng)把倍頻給鎖定死了，如果要想超頻工作就必須從外頻入手，倍頻與外頻的好壞決定了中央處理器與外部設(shè)備的交換速度。 （3）接口類型：中央處理器與主板上的插座不是都一樣的，所以在選擇中央處理器的時(shí)候要考慮接口類型與連接的設(shè)備 無線傳輸 AT89C52EPS8266無線網(wǎng)卡PC 機(jī)手機(jī)山東建筑大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書1 （4）緩存：緩存分為一級緩存和二級緩存，選購的時(shí)候應(yīng)該選擇緩存容量大的。 （5）制造工藝：制造工藝就是質(zhì)量，中央處理器的線路和寬窄等等的一系列問題。1.3 總線選擇

6、 1.3.1 RS485 總線接口通訊協(xié)議定義標(biāo)準(zhǔn)以及管腳引腳介紹 RS485 總線標(biāo)準(zhǔn)是工業(yè)中（考勤，監(jiān)控，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)）使用非常廣泛的雙向、平衡傳輸標(biāo)準(zhǔn)接口，支持多點(diǎn)連接，允許創(chuàng)建多達(dá) 32 個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)；最大傳輸距離 1200m，支持1200 m 時(shí)為 100kb/s 的高速度傳輸，抗干擾能力很強(qiáng)，布線僅有兩根線很簡單。 RS485 通信網(wǎng)絡(luò)接口是一種總線式的結(jié)構(gòu)，上位機(jī)和下位機(jī)都掛在通信總線上，RS485 物理層的通信協(xié)議由 RS485 標(biāo)準(zhǔn)和 51 單片機(jī)的多機(jī)通訊方式。RS-485 可以采用二線與四線方式，二線制可實(shí)現(xiàn)真正的多點(diǎn)雙向通信。 1.3.2 RS232 總線接口通訊協(xié)議定

7、義標(biāo)準(zhǔn)以及管腳引腳介紹 RS-232 接口定義理解為在 RS-232 標(biāo)準(zhǔn)中，字符以一串行的比特串來一個(gè)接一個(gè)的串行方式傳輸，優(yōu)點(diǎn)是傳輸線少，配線簡單，傳送距離可以較遠(yuǎn)。RS-232 串口通信最遠(yuǎn)距離是50 英尺,可做到雙向傳輸，全雙工通訊，最高傳輸速率 20kbps.RS-232C 上傳送的數(shù)字量采用負(fù)邏輯，且與地對稱.邏輯 1：-3 -15V;邏輯 0：+3+15 串行通信中，線路空閑時(shí)，線路的 TTL 電平總是高，經(jīng)反向 RS232 的電平總是低。一個(gè)數(shù)據(jù)的開始 RS232 線路為高電平，結(jié)束時(shí) Rs232 為低電平。數(shù)據(jù)總是從低位向高位一位一位的傳輸。示波器讀數(shù)時(shí)，左邊是數(shù)據(jù)的高位.R

8、S-232 指定了 20 個(gè)不同的信號連接，由 25 個(gè)D-sub（微型 D 類）管腳構(gòu)成的 DB-25 連接器。很多設(shè)備只是用了其中的一小部分管腳，出于節(jié)省資金和空間的考慮不少機(jī)器采用較小的連接器，特別是 9 管腳的 D-sub 或者是 DB-9型連接器被廣泛使用絕大多數(shù)自 IBM 的 AT 機(jī)之后的 PC 機(jī)和其他許多設(shè)備上。 基于以上兩點(diǎn)，對于本系統(tǒng)中的主機(jī) CPU 選擇 51 單片機(jī)，其主要特點(diǎn) ：51 單片機(jī)是在一塊集成電路芯片上集成有 CPU、程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、輸入/輸出接口電路、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、中斷控制器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器、調(diào)制解調(diào)器等部件。單板機(jī)是把微型計(jì)算機(jī)的整

9、個(gè)功能體系電路（CPU、ROM、RAM、輸入/輸出接口電路以及其他輔助電路）全部組裝在一塊印制電路板上，再用印制電路將各個(gè)功能芯片連接起來。其體積小、山東建筑大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書2功耗低、成本低、性能高。 圖 1-2 51 單片機(jī)原理圖1.4 傳感器和執(zhí)行器的選擇 本系統(tǒng)是無線監(jiān)控自組網(wǎng)系統(tǒng)，要求對其進(jìn)行溫度、濕度、及視頻監(jiān)控。所以要選擇傳感器。1.4.1 溫度傳感器本系統(tǒng)中我們選擇 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器，其主要特點(diǎn)如下：DS18B20 數(shù)字溫度傳感器接線方便，封裝成后可應(yīng)用于多種場合，如管道式，螺紋式，磁鐵吸附式，不銹鋼封裝式，型號多種多樣，有 LTM8877，LTM8874 等等。

10、主要根據(jù)應(yīng)用場合的不同而改變其外觀。封裝后的 DS18B20 可用于電纜溝測溫，高爐水循環(huán)測溫，鍋爐測溫，機(jī)房測溫，農(nóng)業(yè)大棚測溫，潔凈室測溫，彈藥庫測溫等各種非極限溫度場合。耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測溫和控制領(lǐng)域。山東建筑大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書3 安裝方式：獨(dú)特的一線接口，只需要一條口線通信 多點(diǎn)能力，簡化了分布式溫度傳感應(yīng)用 無需外部元件 可用數(shù)據(jù)總線供電，電壓范圍為 3.0 V 至 5.5 V 無需備用電源 測量溫度范圍為-55 度至+125 度。華氏相當(dāng)于是-67 華氏度到 257 華氏度 -10 度至+85 度范圍內(nèi)精度為0.5 度。溫度傳感器可

11、編程的分辨率為 912 位，溫度轉(zhuǎn)換為 12 位數(shù)字格式最大值為750 毫秒。 圖 1-3 DS18B20 溫度傳感器原理圖1.4.2 濕度傳感器的選擇本系統(tǒng)選擇濕度傳感器 DHT11 數(shù)字濕度傳感器，其主要參數(shù)如下：DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè) NTC 測溫元件，并與一個(gè)高性能 8 位單片機(jī)相連接。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。每個(gè) DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗(yàn)室進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)

12、系數(shù)以程序的形式儲存在 OTP 內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測信號的處理過程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達(dá) 20 米以上，使其成為各類應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場合的最佳選則。產(chǎn)品為 4 針單排引腳封裝。連接方便，特殊封裝形式可根據(jù)用戶需求而提供。DHT11 的供電電壓為 35.5V。傳感器上電后，要等待 1s 以越過不穩(wěn)定狀態(tài)在此期間無需發(fā)送任何指令。電源引腳（VDD，GND）之間可增加一個(gè) 100nF 的電容，用以去耦濾波.山東建筑大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書4 圖 1-4 DHT11 溫濕度傳感器原理圖1.4.3 紅外探頭的選擇 我們本

13、系統(tǒng)要求對其有監(jiān)控功能，對其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，所以我們選擇 HX1838，其主要參數(shù)如下： HX1838 寬電壓適應(yīng)、低功耗、高靈敏度、優(yōu)良的抗干擾特性應(yīng)用廣泛：家用電器、空調(diào)、玩具等紅外遙控接收；極限參數(shù)：表 1-1 電源電壓VCC (v) 6.0工作溫度TOPR () -25 +85功 耗PD(mw)35儲存溫度TSTG () -40 +125 光電參數(shù)： (T=25 VCC=5V f0=38KHZ) 表 1-2 參 數(shù)符號測試條件MinTypeMax單 位 工作電壓 Vcc 2.7 5.5 V 接收距離 LL5IR5 IF =300mA（測試信號） 10 17 M 載波頻率 f0 38k H

14、Z 接收角度 1/2 距離衰減 1/2 +/-45 Deg BMP 寬度 fBW -3Db Bandwidth 2 3.3 5kHz山東建筑大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書5 靜態(tài)電流 ICC 無信號輸入時(shí) - 0.8 1.5 mA 低電平輸出 VOL Vin=0V Vcc=5V 0.2 0.4 V高電平輸出 VOHVcc=5V 4.5 Vcc V TPWL Vin=500Vp-p 500 600 700 S輸出脈沖 寬 度 TPWH Vin=50mVp-p 500 600 700 S1.5 電源電路 在該系統(tǒng)中，需要使用 3.3V、1.2V 的直流穩(wěn)壓電源。為簡化系統(tǒng)電源電路設(shè)計(jì)，要求整個(gè)系統(tǒng)的輸入電壓為

15、高質(zhì)量的 5V 直流穩(wěn)壓電源。因此我們用電源適配器和電源轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)。原理圖如下： 圖 1-5 電源轉(zhuǎn)換模塊原理圖 圖 1-6 電源適配器原理圖山東建筑大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書62.硬件選型與接口設(shè)計(jì)2.1 通信接口，分配通信接口的引腳分布 在現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸中大量采用接口方式，監(jiān)控系統(tǒng)涉及較多的是串行通信接口和網(wǎng)絡(luò)接口。 2.1.1 串行通信協(xié)議 計(jì)算機(jī)與外設(shè)或計(jì)算機(jī)之間的通信通常有兩種方式：并行通信和串行通信。并行通信指數(shù)據(jù)的各位同時(shí)傳送。并行方式傳輸數(shù)據(jù)速度快，但占用的通信線多，傳輸數(shù)據(jù)的可靠性隨距離的增加而下降，只適用于近距離的數(shù)據(jù)傳送。串行通信是指在單根數(shù)據(jù)線上將數(shù)據(jù)一位一位地依次傳送

16、。發(fā)送過程中，每發(fā)送完一個(gè)數(shù)據(jù)，再發(fā)送第二個(gè)，依此類推。接受數(shù)據(jù)時(shí)，每次從單根數(shù)據(jù)線上一位一位地依次接受，再把它們拼成一個(gè)完整的數(shù)據(jù)。在遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)通信中，一般采用串行通信方式，它具有占用通信線少、成本低等優(yōu)點(diǎn)。2.1.2 分配通信接口的引腳分布 總線選用 RS232 形式，具體參數(shù)上文已經(jīng)敘述。具體引腳情況如下： RS-232 物理接口標(biāo)準(zhǔn)可分成 25 芯和 9 芯 D 型插座兩種，均有針、孔之分。其中TX（發(fā)送數(shù)據(jù)） 、RX（接受數(shù)據(jù)）和 GND（信號地）是三條最基本的引線，就可以實(shí)現(xiàn)簡單的全雙工通信。DTR（數(shù)據(jù)終端就緒） 、DSR（數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好） 、RTS（請求發(fā)送）和 CTS（清除發(fā)送）

17、是最常用的硬件聯(lián)絡(luò)信號。 （1） DB9、DB25 管腳信號定義 9針 25針 信號名稱 信號流向 簡稱 信號功能 3 2 發(fā)送數(shù)據(jù) DTE DCE TxD DTE發(fā)送串行數(shù)據(jù) 2 3 接收數(shù)據(jù) DTE DCE RTS DTE請求切換到發(fā)送方式 8 5 清除發(fā)送 DTE DCE CTS DCE已切換到準(zhǔn)備接受 6 6 數(shù)據(jù)設(shè)備就緒 DTE DCE DSR DCE準(zhǔn)備就緒可以接受 5 7 信號 地 GND 公共信號地 1 8 載波檢測 DTE DCE DTR DTE準(zhǔn)備就緒可以接受 9 22 振鈴指示 DTE 0;i-)for(j=1000;j0;j-) ;void SystemInit()/看

18、門狗配置/禁止看門狗EA=0;WDTCN=0 xDE; WDTCN=0 xAD;EA=1;void SYSCLK_Init()山東建筑大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書10int i; OSCXCN=0X77 ; /配置系統(tǒng)時(shí)鐘為 12Mhz for(i=0;i120) num1=0;num2=6;for(i=0;i40;i+)山東建筑大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書12AMX0SL=0 x01; /電壓采樣通道為通道 1AD0BUSY=1; /啟動 AD 轉(zhuǎn)換while(!AD0INT);/等待轉(zhuǎn)換結(jié)束sum = sum+(ADC0H*256+ADC0L)*ref*570/4096;sum=0;delay_ms(150)

19、; /顯示電壓ZLG7289_Download(1,4,0,num4);ZLG7289_Download(1,5,1,num5);ZLG7289_Download(1,6,0,num6);ZLG7289_Download(1,7,0,num7);else(Key_num=6)ADC0CF=0X4a;for(i=0;iDGFY / 輸入要發(fā)送的四個(gè)字節(jié)內(nèi)容，無需回車 響應(yīng)：SEND OK 注意，若發(fā)送的字節(jié)數(shù)目超過了指令設(shè)定的長度 n，則會響應(yīng) busy，并發(fā)送數(shù) 據(jù)的前n 個(gè)字節(jié)，完成后響應(yīng) SEND OK。（8）接收數(shù)據(jù)+IPD,n:xxxxxxxxxx /接收到的數(shù)據(jù)長度為 n 個(gè)字節(jié)，x

20、xxxx 為數(shù)據(jù)內(nèi)容3.2.2. 單連接 server（1）設(shè)置 wifi 模式： AT+CWMODE=3/設(shè)置為 softAP+station 共存模式山東建筑大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書14 響應(yīng)：OK（2）重啟生效 AT+RST 響應(yīng)：OK（3）建立 server AT+CIPSERVER=1 /默認(rèn)端口 333 響應(yīng)：OK（4）PC 連入設(shè)備 softAP，PC 作 client 連接設(shè)備。 注意，ESP8266 作為 server 有超時(shí)機(jī)制，如果連接建立后，一段時(shí)間內(nèi)無數(shù)據(jù) 來往，server 會將 client 踢掉。請?jiān)?PC 工具連上 ESP8266 后建立一個(gè) 2s 的循環(huán)數(shù) 據(jù)發(fā)送

21、，用于保持連接。（5）發(fā)送數(shù)據(jù) AT+CIPSEND=4 /發(fā)送四個(gè)字節(jié)，字節(jié)數(shù)可按需任定 iopd / 輸入要發(fā)送的四個(gè)字節(jié)內(nèi)容，無需回車。 響應(yīng)：SEND OK 注意，若發(fā)送的字節(jié)數(shù)目超過了指令設(shè)定的長度 n，則會響應(yīng) busy，并發(fā)送數(shù) 據(jù)的前 n個(gè)字節(jié)，完成后響應(yīng) SEND OK。（6）接收數(shù)據(jù) +IPD,n:xxxxxxxxxx /接收到的數(shù)據(jù)長度為 n 個(gè)字節(jié)，xxxxx 為數(shù)據(jù)內(nèi)容山東建筑大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書154 總結(jié)與致謝 本次課程設(shè)計(jì)我通過老師的講解和查閱大量資料，尤其是百度、搜狗等搜索引擎資源，還有中國知網(wǎng)查詢的大量學(xué)術(shù)論文，以及自己學(xué)過的各類傳感器、執(zhí)行器、單片機(jī)、IO

22、接口與現(xiàn)場總線等知識，完成了本次課程設(shè)計(jì)的系統(tǒng)選型、硬件方案和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 通過本次課程設(shè)計(jì)，我初步掌握了 WIFI 星形無線監(jiān)控自組網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對單片機(jī)有了更深入的掌握，并對其通信方式通信協(xié)議有了新的了解。在繪制原理圖的過程中，我又提高了對 Altium designer Winter09 軟件使用的掌握。 在設(shè)計(jì)過程中，我遇到了很多問題和挑戰(zhàn)，包括設(shè)備硬件選型，有線通信方式、通信協(xié)議及布線方式的選擇等等都讓我很頭疼，在老師和同學(xué)的熱心幫助下，這些問題最后都順利得到解決。完成這次課程設(shè)計(jì)，我對計(jì)算機(jī)控制技術(shù)這門課程有更加深刻的理解，并且自己的動手能力、實(shí)踐能力都得到一定的提升。 在此再次感謝老

23、師和同學(xué)們在本次課程設(shè)計(jì)中對我的幫助！ 山東建筑大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書165 參考文獻(xiàn)1劉森.嵌入式系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)與驅(qū)動程序開發(fā)M. 北京:北京航空航天大學(xué)出版社社，20062 何立民.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)選編 No.1-No.8.北京航天航空大學(xué)出版社,20063 馬爭鳴.TCP/IP 原理與應(yīng)用.冶金工業(yè)出版社,20064時(shí)志云，蓋建平，王代華，等.新型高速無線射頻器件 nRF24L01 及其應(yīng)用J.國外電子元器件,2007(8):42-44.5 周立功.嵌入系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù).北京航天航空大學(xué)出版社,20056 楊克玉.VB6.0 程序設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)教程.機(jī)械工業(yè)出版社,20057蒙建波，虞建靜，管金庫.智能小

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