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[学位论文]基于短距离无线通信的建筑照明节电控制系统设计与实现


山东建筑大学 硕士学位论文 基于短距离无线通信的建筑照明节电控制系统设计与实现 姓名:于小雄 申请学位级别:硕士 专业:检测技术与自动化装置 指导教师:赵秀珍 20090601

山东建筑大学硕士学位论文

摘要

目前,学校教室等公共场所长明灯现象严重,但是解决这一问题的系统不多,而且 效果不明显。针对这一现象,本课题在国家大力号召节约能源,建设节约型国家的方针 指导下,将短距离无线通信领域和智能控制领域的最新技术应用于高校教室等环境的照
明节电系统,建立一套基于无线网络的照明及用电设备智能节电控制系统。

此系统本着“以人为本"和“绿色照明"的节能理念,实现独立的智能节电终端设 备与短距离无线通信技术的结合,从而实现了教室光照、教室内学生人数等现场数据采 集与远程传输,并通过上位PC机进行教学楼照明系统智能控制和监控。整套系统由智 能节电终端、无线通信网络、智能控制软件系统三部分组成:智能节电终端实现教室人 数计算,照明控制以及数据、命令的发送与接收等功能;无线通信网络实现前端节电控 制终端与后端控制主机的信息交互;智能控制软件系统通过预置的课程表等控制依据, 结合无线通信技术对远端控制终端现场发送各种节电控制命令,实现节约照明用电的目
的。

本课题主要完成无线通信网络和智能控制软件系统的设计实现,具体论述了无线通 信网络模型设计、无线收发模块的软硬件结构、功能及实现方法以及智能控制软件的设 计思路和实现技术。其中,设计选用nRF905射频收发芯片和单片机AT89S52实现无线 收发模块软硬件结构和基本功能;而智能控制软件创新性的引入课程表等控制依据,基
于vc++和ACCESS数据库,使用Microsoft Visual Studi02005作为开发平台,实现系统 结构和各种功能。

通过对原型系统的测试、调试以及相关试验证明,本课题“基于短距离无线通信技
术的智能节电控制系统",整体结构设计正确,各功能模块的软硬件设计、选型和搭建

符合设计要求;智能节电控制软件界面友好,操作简单,运行稳定,可以较好的实现智 能节电控制,基本满足应用需求。但系统同时存在一定问题,如无线数据通信距离受环 境等因素影响较大,中继节点受路由节点表达小的影响使转发速率变慢,智能控制软件 界面不够美观等问题,因此,系统还需进一步测试,进行完善和改进。 关键词:短距离,无线通信,nRF905,照明节电,智能控制

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Design and Development of Lighting Power-saving System Based On Short—Range

Wireless Communications

Abstract

At present,pilot burner is
are no



serious phenomenon in public places

as

classroom,and there

effective systems to solve this

problem.In

response to this

phenomenon,the subject
abstemious

actively respond to the call of oBr country about Energy-saving

and constructing

country

and put

the

advanced

technique of

short-range

wireless

communications and


intelligent

control

into the lighting

energy-saving

systems.Establishing

set of lighting and

electric device controling system In this

based on the
on

wireless. lighting”of the

system,we

insist

taking

a”people-oriented”and”green
with
short—range wireless

energy-saving to combine intelligent

device

communications
using the PC to is

technology in order to achieve data acquisition control

and

remote

transmission.And

and monitor

the intelligent power-saving device.The entire

system

composed

of

three parts:the intelligent terminals about energy-saving,wireless networks control

and intelligent
accomplish

software

system.Thereinto,the

intelligent

power-saving

terminals

counting person in classroom,lighting control,transceiving data

and commands;wireless

network accomplish
and the
control

communication control

between

the fi'ont—end

energy-saving terminals


back-end host PC;the

intelligent

control

software

system

accomplish send
for

variety of
as

commands

to

power-saving device according as basis

controling(such

curriculum schedule in

advance in database)and combining

wireless

communications terminal.

Sequentially,we achieve the
In this

purpose of saving lighting electricity. the work about designing

subject,we complete

and the

realization of wireless discussde the

communications network and
design plans

intelligent control software

system.Specifically,I

and technical

implementation about the
and
function of wireless

wireless

communications network model,
design ideas and
serve

hardware-software

structure

transceiver modules and

technology
transceiver

of intelligent control chip

software.We

choose the nRF905 and AT89S52

as RF

and MCU

to achieve hardware-soft:ware

structure and basic functions;the

II

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intelligent control software useing curricula pioneeringly to control energy-saving control

system.We

use

Microsoft Visual

Studi02005

as a

development

platform

to develop the

system

structure and achieve function,based on VC++and ACCESS.

By testing,commissioning

and related tests

about the prototype

system,we

have

substantiated that the overall structure of the design,”Lighting Power-saving System Based On Short—Range

Wireless

Communications”,is right.And the function design,component

selection and design of the hardware

and soRware

structures of the function to refine and

modules is in line

with the requirements.But we need further testing Key

improve.

Words: Short?range,Wireless communications,nRF905,Lighting energy-saving,
control

Intelligent

III

原创性声明

本人郑重声明:所提交的学位论文是本人在导师的指导下,独立进行研究 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,论文中不含其他人已经发表或撰 写过的研究成果,也不包含为获得山东建筑大学或其他教育机构的学位证书而 使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确 方式标明。本人承担本声明的法律责任。

学位论文作者签名:

学位论文使用授权声明

本学位论文作者完全了解山东建筑大学有关保留、使用学位论文的规定, 即:山东建筑大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和 磁盘,允许论文被查阅和借阅。本人授权山东建筑大学.-j-以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或其它手段保存、


汇编学位论文。 保密论文在解密后遵守此声明。


学位论文作者签名:盘:!:妇笠 日期型z≤:鲨

师 签

名:乏』叠碧

日期丛生2:!:竺

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第一章概述

基于RF短距离无线通信的智能节电控制系统是在国家号召建设节约型社会的大背 景下设计和开发研究的,其目的在于用于高校教室、礼堂、办公会议室等环境下,通过 无线通信和人数识别等手段控制照明等用电设备,从而达到节能的效果。利用该系统, 管理人员可以很容易的对各种情况下的教室等场所进行有效地节能管理控制。 1.1研究背景 随着经济的迅速发展,我国资源短缺、能源紧张问题日益突出,电力供应短缺局面 已持续数年。尤其是近两年,全国用电量及电负荷增长较快,去年以来已有三分之二的 省(区、市)出现了不同程度的缺电甚至拉闸限电现象,严重影响经济社会发展和人民生
活水平提高。

能源是人类社会赖以生存发展的重要资源。全球人口增长和经济增长对能源的需求 日益加大。长期过量开采煤炭、石油、天然气这些常规能源,至使其储量减少。据联合 国等官方资料估计,地壳中剩下的石油还可开采35年、天然气40年、煤炭1 10年,人 类面临何等的能源的压力!同时,由于长期使用煤炭和石油等污染的能源,所导致的环 境和生态问题,已严重威胁人类自身的生存fl】。 通过对高校教室、办公会议室等场所的调查发现我国照明用电量占总用电量的10% .12%。按照我国提出的“中国绿色照明工程",照明节电已成为节能的重要方面。目前
的照明节能潜力很大,一般节能方案均能达到节约20%.35%,按保守的数量采取20%

的计算,全国节约的电能价值可观,而照明等用电设备的浪费电现象又是触目惊心的, 光照良好的情况下也开灯,人少灯开得多以及长明灯现象非常严重。根据不完全统计: 80%的教学楼存在着在白天光照良好的情况下,教室灯具开启和在午休时间长明灯的现 象。以某大学为例:整个大学教学楼照明灯具负荷共计约为480KW(不计线路损耗), 每天如果按长明灯4小时计算(这是保守的估计),1天就浪费电能1920千瓦时,以济 南地区电费0.52元/千瓦时计算,折合电费998.4元。再以学生一年在校9个月计算,一 年将浪费电能51.8万度,折合电费近269,568.00元,如果加上线路损耗和灯具长时间使 用造成的损坏,费用还要高许多。这种粗放管理带来的电能浪费和高校后勤管理费用的

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增加就显而易见了。因此,提高照明及用电设备的效率、节约照明用电,发展绿色照明
工程就成为节能工作的重要任务。 传统的高校教室等场所的照明用电管理工作基本是处于一种粗放式的管理方式【21, 主要依靠使用者的主观节能意识和素质,以及管理者的人工监督和管理。管理者在日常

管理中需要主观判断哪些是浪费现象,哪些是正常的使用,其管理一般为下列三种模式:
一是由学生自行控制开启,再由值日学生在中午、下午和晚自习后关闭灯具;二是利用

定时开关,根据作息时间开启和关闭整个教学楼的照明电源;三是由专人负责,即管理 人员根据作息时间和天气情况分楼或分层送电【21。由于客观和主观因素的存在,可能使

得管理者不台驭时发现浪费现象,或者无法完成管理工作。造成这种情况的原因有很多,
比如管理者的主观意识比较松懈、浪费现象比较难以判断以及管理工作受到使用者的阻 扰等,这些情况是传统的节电方法难以克服的漏洞,因此,传统的节电方式很难达到理
想的节电效果。

随着通信和信息技术的不断发展,短距离无线通信技术的应用步伐不断加快,正日 益走向成熟。一般意义上,只要通信收发双方通过无线电波传输信息且传输距离限制在 较短范围(几十米)以内,就可称为短距离无线通信。经过十多年来的不断探索,形成了 当今令人眼花缭乱的无线通信协议和产品。因此,短距离无线通信技术在智能节电控制 系统中应用也有了一定的技术条件。 着眼于整个学校的大局和全社会能源短缺的大环境,响应国家建设节约社会的号召, 高校教学楼照明灯的智能化管理改革势在必行。 1.2国内外研究现状以及发展趋势

1.2.1智能照明节电控制系统 目前国内外都大力推广照明节电器,在现有的照明系统上加装节电控制设备。国内 市场上的照明节能设备很多,其中照明控制节电装置所占比例最大。现有的产品可谓琳 琅满目,例如,应用可控硅技术的“可控硅斩波型节电设备”、应用电磁转换技术的“电 抗式节电设备"。电抗式照明节电设备由于其技术成熟,在国外如美国、加拿大、德国、 澳大利亚、日本、韩国、新加坡、香港特别行政区和台湾地区早已得到广泛应用。近几 年,在国内的宾馆饭店、商场、机场、工矿企业、政府机关等企事业单位以及市政道路 的路灯照明,也得到了越来越多的使用。国内应用电磁转换技术的电抗式照明节电设备


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的品牌很多,如博尔(Boier)、六合、高和等等。但这类产品需要消耗大量高耗能的、 稀有的铜和矽钢,容易被盗,被损坏的几率很大,同时使用大量铜和矽钢将会造成更大
的环境污染和资源浪费[31。

珠海麦尼电控技术有限公司的MiIli智能电感照明节能产品,采用现代32位嵌入控 制输出纯正弦波,无污染无电磁谐波。由于电压的高度平滑调节,大大降低“半老化HID 灯’’的熄火电压,灯内电弧更稳定,降压节能空间大,节电率高。 德国依赛特环境技术咨询公司的智能照明节能控制器确保提供给用户最优化的电能 配置。对集中照明灯具进行定时、分段、稳压、日光补偿等自动控制,由计算机自动实 时采集电网供电系统的输出、输入信号与最佳照明灯具工作电源进行比较,从而保证输
出最佳的照明工作电能,达到节能降耗的目的。

这些智能照明控制装置一般是采用微处理器控制系统,实时采集输出、输入电压信 号与最佳照明电压比较,通过计算进行自动调节,保证输出最佳的照明系统工作电压; 根据用户实际的照明需求,通过程序进行多时段节能电压设置。但这些产品功能单一, 成本较高,而且使用的环境与教室等场所完全不同,都没有通过人数控制灯具的开启, 不适合教室、普通办公场所等环境。 而现在已经应用于高校的照明节电产品主要有:远红外电子节能开关、基于可见光、 声响、热释红外探测的教室照明智能控制器、新型热释电传感器人体感应自动开关等。 这些产品相对简单,但在探测距离、反应灵敏度、远程控制、智能控制等方面都存在一
些缺陷。

从目前情况看,照明智能节电产品鱼目混杂,国内外产品性能及价钱方面差距比明 显,国内产品工艺相对简单,所以作用相对单一,价钱便宜,而国外产品技术复杂并且 售价过高,不宜于在国内大规模推广;专门针对高校教室等用电场所的智能式节电控制
系统在国内还不多见。

1.2.2短距离无线通信 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,短距离无线与移动通信技术也经历了一个快速发展的阶段,WLAN技术、蓝牙 技术、UWB技术,以及紫蜂(zigBee)技术、射频识另J(RFID)技术等取得了令人瞩目的成 就。短距离无线通信通常指的是100m以内的通信,分为高速短距离无线通信和低速短



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距离无线通信两类。高速短距离无线通信最高数据速率>lOMbits,通信距离<lOre,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<l Mbits,通信距 离<10m。典型技术有蓝牙、紫蜂和低速UWB。 目前国内外几种主流的短距离无线通信技术包括【4】:高速WPAN技术,目前主要应 用于连接下一代便携式消费电器和通信设备。它支持各种高速率的多媒体应用、高质量 声像配送、多兆字节音乐和图像文档传送等IS];UBW高速无线通信技术,包括 MB.OFDM、DS.UWB;Wireless USB技术,Wireless USB是一个全新无线传输标准, 可提供简单、可靠的低成本无线解决方案,帮助用户实现无线功能【6】。此外,还有低速 WPAN技术和IEEE802.15.4/Zigbee,ZigBee是一种低速短距离无线通信技术。它的出发 点是希望发展一种拓展性强、易建的低成本无线网络,强调低耗电、双向传输和感应功 能等特色[71。ZigBeePHY和MAC层由IEEE802.15.4标准定义。IEEE802.15.4a是作为 802.15.4的一个补充,其物理层的标准可能采用低速UWB技术。蓝牙底层(PHv层和 MAC层)协议的标准版本为IEEE802.15.1,大多数标准的制订工作还是由蓝牙小组(SIG) 负责;RFID是一种非接触的自动识别技术,其基本原理是利用射频信号和空间耦合(Eg 感或电磁耦合)传输特性实现对被识别物体的自动识别。RFID技术的发展得益于多项技 术的综合发展,包括芯片技术、天线技术、无线技术、电磁传播技术、数据交换与编码
技术[8】等。

在国内,应用这些短距无线通信技术开发的系统,广泛应用到国民经济的各个领域 中:如无线数据采集传输系统,车辆监控,小型无线网络,无线抄表,工业数据采集系 统,无线遥控系统,生物信号采集,水文气象监控,机器人制造,无线232数据通信等 等。这些应用为国家和企业节省了大量人力物力,使我们现代办公和生活更加方便安全。
1.3课题研究意义及内容

1.3.1智能节电控制系统研究的意义 “十一五’’能源规划要求,按照“全面推进、突出重点”的原则,着力抓好重点工业、 交通运输、建筑、商业和民用领域的节能环保工作【91。智能节电控制系统是在紧贴国家 要求,专门针对民用照明节电领域开发的一套先进的智能型节电控制系统,填补了市场 上缺少该类产品的空白。 该智能节电控制系统在低成本、使用便捷、可靠可扩展等方面相比其他类似系统取
.4

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得了有效的改进,主要表现在以下两方面: 1、在建筑通信方面采用基于RF的短距离无线通信技术,可以有效地克服传统有线 网络需要预先设计线路,布线过程复杂,设计完工后很难进行改造,使用时不能灵活挪 动终端设备,特别是对旧楼的智能化改造尤其不便等弊端,节省施工费用,重定位能力
强,灵活性高。

2、在智能控制方面,以PC机作为总控制单元(上位机),现场作为分控制单元(下 位机),通过预设的信息协作工作,两控制单元通过无线通信网络进行信息传递,完成 节电控制,可以有效地解决高校教室等场所粗放管理带来的电能浪费和高校后勤管理高
费用等问题。 此外,该节电装置后,在节能的同时也延长了负载的使用寿命,节约了设备损耗带

来的成本,同时也可控制其他用电设备(如教室电风扇)从而达到节能的效果。 基于无线网络的智能节电控制系统运用现代科学技术、手段和先进设施、装备,增 加建筑节电工作的科技含量,逐步实现信息资源数字化,信息传输网络化,信息管理智
能化是节电管理工作的发展方向和实际需求。当前,构建数字化的教室管理系统和信息

管理系统,可以极大地提高管理者的工作质量和工作效率,提高其预见能力和决策水平, 从而达到节约能源,造福社会的效果。
1.3.2课题主要研究内容

本课题拟将短距离无线传输领域的最新技术应用于照明节能领域,建立一套基于无 线网络的照明及用电设备节电控制系统,本着“以人为本’’和“绿色照明"的节能理 念,基于主动红外探测技术,利用光感、人数、时间等因素以及无线传输技术来控制诸 如教室、办公室等公共场所照明的控制系统。 本系统主要分为两部分:现场控制部分和无线通信控制部分。现场控制部分主要利 用红外对射光束探测人的进出,由微控制器计算人数,同时结合光感、时间等条件进而 控制光源,以达到节电的目的,该部分由我的同学刘贵国同学负责设计实现;无线通信 控制部分主要通过基于RFID的短距离无线通信技术将现场实时信息传送到主控机(值 班室PC),并通过预设的信息,如课程表等对照明和其他用电设备进行控制,从而达到 节能效果。同时,由于该系统主要针对高校教室设计,所以在该系统中还将加入呼叫系 统,用来方便上课老师,特别是使用多媒体的老师在遇到问题时呼叫维修师,该部分主



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要有我来设计完成。

本文共分七章,全面介绍课题研究所做的工作以及调试遇到的问题和解决方法,各 章内容安排如下: 第一章:描述项目开发的实际需求背景及国内外相关研究的发展现状和趋势;简要 介绍课题研究的主要内容;同时对论文结构作了说明。 第二章:描述短距离无线通信的技术背景,对基于射频(I强)的无线通信网络的组 成、工作原理、关键技术以及一些特性指标作了讨论。 第三章:对系统的总体架构作了详细描述。 第四章:讨论了无线通信模块的硬件详细设计,包括硬件选型和外围电路设计。 第五章:讨论了通信协议和无线通信网络模型选择和设计,完成单片机控制单元软 件、nRF905收发软件以及串行口通信软件的详细设计。 第六章:讨论智能控制软件的设计和实现。 第七章:对前期开发的原型系统作了充分的测试,并对测试结果进行了分析。 第八章:对课题研究进行总结和展望,并提出了系统下一步的扩展方案。 本人在论文中主要完成了全部软件系统和无线通信部分的硬件设计和开发工作,同
时完成了对原型系统的测试和分析,最后提出了系统下一步的扩展方案。



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第二章短距离无线通信技术发展

目前,随着计算机和通信技术的迅速发展和普及和智能设备的长足进步,短距离无 线通信网络凭借其在可靠性、扩展性与易用性等方面的优势已经越来越受到人们的关注。 特别是当前远程办公人数和远程家庭型小企业数量不断增长,无线网络被越来越多的人 所接受。 根据人们的需求和建筑物的条件,有许多理由让人们选择使用无线通信网络技术而
不是传统的有线网络技术【17.19】: (1)成本

在许多情况下,安装一个无线网络比常规的有线网络要便宜,特别是在施工不便和 其他方面有限制的时候更能显示出优势。无线网络可以提供一个简单直接的解决方案, 当购置了新的设备或调换房间,重新规划的时候,重新布置网络联接只是简单的挪动计
算机。 (2)可靠性

有线网络的线路本身会有一些金属接头生锈、渗水、人为的意外切断线路或者网络 的联接不良而造成线路中断,导致通信线路失效,破坏网络的数据交换,而排查故障往 往需要花费大量的时间。而无线网络会大大地降低此类故障的发生率。
(3)移动性

选择无线网络的一个最突出的理由就是它的移动性。在无线通信节点覆盖的区域, 你将不会局限于只在某些地方进行通信,如你可以坐在沙发上或卧室的床上舒适地访问
互联网。

目前使用较广泛的近距无线通信技术是蓝牙(Bluetooth)。无线局域网802.1 l(Wi.Fi) 和红外数据传输(trOA)。同时还有一些具有发展潜力的近距离无线技术标准它们分别是: Zigbee、RFID、超宽频(UWB)、短距通信NFC、Wi.Media、GPS、DECT、无线1394 和专用无线系统等。它们都有其立足的特点,或基于传输速度、距离、耗电量的特殊要 求;或着眼于功能的扩充性;或符合某些单一应用的特别要求;或建立竞争技术的差异 化等。但是没有一种技术可以完美到足以满足所有的需求。



2.1

I rDA、B

Juetooth和W卜Fi

关于短距离无线数据通信,目前最为成熟的三个标准是红外(IrDA)、蓝牙
(Bluetooth)和802.1 1(Wi.Fi)。

2.1.1红外技术(I rDA)【4】

红外技术可以说是无线连接技术的鼻祖,由红外数据协会(IrDA,Infrared

Data

Association)提出并推行的一种无线协议,这种通信方式使用850nm的红外光来传输数据
:和语音。红外线数据协会IrDA(Infrared Data Association)成立于1993年。起初采用IrDA

标准的无线设备仅能在lm范围内以1 15.2kb/s速率传输数据,后来很快发展到4Mb/s,
以及16Mb/s的速率。

kDA是一种利用红外线进行点对点通信的技术,是第一个实现无线个人局域网
(PAN)的技术。目前它的软硬件技术都很成熟,在小型移动设备,如PDA、手机上广

泛使用。事实上当今每一个出厂的PDA及许多手机、笔记本电脑、打印机等产品都支持
IrDA。

IrDA的主要优点是无需申请频率的使用权因而红外通信成本低廉,并且还具有移动 通信所需的体积小、功耗低、连接方便、简单易用的特点。此外,红外线发射传输还具 备小角度(30度锥角以内),短距离,直线数据传输,保密性强,传输速率较高等传输特
点。 IrDA的不足在于它是一种视距传输,同时要求通信设备的kDA装置必须对准,而 且位置相对固定,中间不能被其它物体阻隔,因而该技术只能用于2台(非多台)设备之

间的连接,无法用于移动设备。最后,IrDA设备的核心部件….红外线LED是一种不耐 用的器件,频繁使用会让其寿命大减,而蓝牙就没有诸如此类的限制。 IrDA目前的研究方向是如何解决视距传输问题及提高数据传输率。
2.1.2蓝牙技术(BIuetooth)【10】

蓝牙无线技术是在1994年由爱立信公司提出,1998年爱立信、诺基亚、东芝、IBM、 Intel等公司联合开发了蓝牙1.0标准,于1999年7月向全球公布。在短短几年里,全球
已有2500多家公司先后加盟Bluetooth SIG(特别利益集团),其目的是为了开发和促进全



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球范围内在2.4GHz ISM(I业、医疗、科学1频段的低成本、短距离的无线通信的解决方 案。

这项技术的诞生,是以因特网的数据通信和移动通信技术高速发展为基础,又是现 代信息社会实现计算机、互联网和通信互联,保证每个人每件智能设备能随时随地、方 便地连接网络上的关键。它定位在现代通信网络最后10.100米,像一种无处不在的数字 化神经末梢一样,把现有的各种信息化设备在近距离内连接起来。它能够在lO米的半径 范围内实现单点对多点的无线数据和声音传输,数据传输带宽可达1Mbps。Bluetootll工 作在全球开放的2.4GHzlSM频段,使用跳频频谱扩展技术,通信介质为2.402GHz到 2.480GHz的电磁波。一台Bluetoom设备可同时与七台Bluetootll设备建立连接,在有效 范围内可越过障碍物进行连接,没有特别的通信视角和方向要求。此外,Bluetoom还具 备功耗低、通信安全性好、支持语音传输、组网简单等特点。 但Bluetootll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练,其自身的技术也有待于不断完善和提高。 虽然存在着一些缺点和不足,但蓝牙无线技术是信息技术发展的一个热点,它代表 宽带无线接入技术的一个发展方向。我国人口众多,拥有全球最大的家电、移动通信和 计算机网络,因此发展蓝牙技术有着更广阔的应用前景和巨大的潜在市场,它将给人们 的工作、生活方式带来深刻的变革。 蓝牙技术的创新应用和潜在的应用【1 o】: ?应用于机场环境的旅客移动通知
?集装箱或行李的跟踪 o)L童监护跟踪设备 ?基于蓝牙的防盗系统

?移动支付(电子钱包)
?基于蓝牙的收费管理 ?基于蓝牙的电子病历 ?基于蓝牙的医学临床监护 ?面向残疾人的服务 ?自动的抄表系统



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2.1.3 Wi-F

i技术(I EEE

802.1 1

a/b/g[11】【12】)

Wi.Fi(Wireless Fidelity)也是一种无线通信协议,它是以太网的一种无线扩展,理论 上只要用户位于一个接入点四周的一定区域内,就能以最高约1 1Mb/s的速度接入web。
它基于IEEE802.1
la、IEEE802.1

lb、IEEE802.119和IEEE802.11n,与蓝牙一样,同属于

短距离无线通信技术。Wi.Fi速率最高可达11 Mb/s。虽然在数据安全性方面比蓝牙技术 要差一些,但在电波的覆盖范围方面却略胜一筹,可达100m左右,传输距离室外达300m, 不用说家庭、办公室,就是小一点的整栋大楼也可使用。最初的IEEE 802.11规范是在 1997年提出的,称为802.11b,主要目的是提供WLAN接入,也是目前WLAN的主要 技术标准,他的工作频率也是2.4GHZ,与无绳电话、蓝牙等许多不需频率使用许可证 的无线设备共享同一频段。起先,Wi.Fi元件昂贵,兼容性不好,安全性也不能令人满 意,随着时间推移,这些问题逐步得到解决,且随着Wi.Fi协议新版本,如802.1la和 802.119的先后推出,Wi.Fi的应用将越来越广泛。 Wi.Fi的缺点是射频和基带协议较为复杂、实现成本高、功率消耗大(平均功耗为 lW),硬件实现需要较大的空间,一般不能实现嵌入式应用。Wi.Fi除了作为网络接入
技术以外,在其他对于低功耗、低成本等要求高的领域和设备上的应用还很少,比如移

一动电话和PDA。 Wi.Fi未来最具潜力的应用将主要在SOHO(Small
Office Home

Office)、家庭无线网

络以及不便安装电缆的建筑物或场所。目前这一技术的用户主要来自机场、酒店、商场 等公共热点场所。 更多新的Wi.Fi标准正在制定之中。速度更快的802.119使用与802.11b相同的正交
频分多路复用调制技术,工作在2.4 GHz频段,速率达54 Mb/s。比目前通用的802.11b

快了5倍。802.119标准本质上扩展了802.11b在2.4 GHz频段的性能,通过使用OFDM
技术,获得了54 Mb/s的高速,并且完全向后兼容802.1 1b,他将最终取代802.1la。

2.2新兴的无线通信技术

随着科技飞速发展,最近,几种新兴的短距离无线传输技术凭借其独有的特点进入
了我们的视线。

10

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2.2.1紫蜂(ZigBee)技术【13】

ZigBee是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术,是一组基于IEEE批准通过的 802.15.4无线标准研制开发的,有关组网、安全和应用软件方面的技术标准,主要用于 近距离无线连接。主要适合于承载数据流量较小的业务,可以嵌入各种设备中,同时支 持地理定位功能。它有自己的无线电标准,允许在数千个微小的传感器之间相互协调实 现通信。这些传感器只需要很少的能量,以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感 器传到另一个传感器,所以它们的通信效率非常高。其目标市场是工业、家庭以及医学 等需要低功耗、低成本无线通信的应用。相对于现有的各种无线通信技术,ZigBee技术
是最低功耗和成本的技术。

根据ZigBee之技术本质,ZigBee具有下列特性: (1)功耗低、时延短、实现简单。装置可以在使用电池的驱动下,运行数月甚至数年, 低功耗意味着较高的可靠性和可维护性,更适合体积小的众多应用;ZigBee传输速率低, 使其传输信息量亦少,所以信号的收发时间短,其次在非工作模式时,ZigBee处于睡眠 模式,这对省电极为有利。另外,在工作与睡眠模式之间的转换时间短,一般睡眠激活 时间只有15ms,而装置搜索时间也不过为30ms。 (2)n--丁靠度高。ZigBee的MAC层采用碰撞避免(CSMA/CA)机制,采用完全确认 的数据传输机制,每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息,此机制保证了系统 信息传输的可靠度;同时,通过为需要固定带宽的通信业务预留专用时隙,还可避免发
送数据时的竞争和冲突。

(3)高度扩充性。每个ZigBee网络最多可支持255个设备,每个ZigBee设备又可以 与另外254台设备相连接。若通过网络协调器,则整体网络最多可达到65000多个ZigBee 网络节点。这一点对于大规模传感器阵列和控制尤其重要。 (4)装置、安装、维护的低成本。ZigBee装置可以在标准电池供电的条件下(低成本), 而不需要任何重换电池或充电操作(低成本、易安装)。ZigBee在其内部自动可配置和网 络装置的冗余等方面的简化更是提供了较低的维护费用。另外电池供电可使装置的体积 和面积都得到有效的降低,从而降低一系列与之相关的成本。 (5)协议简单,国际通用。ZigBee协议栈只有Bluetooth或其它IEEE
802.1 1的1/4或

更小,这种简化对低成本、可交互性和可维护性非常重要。IEEE 802.15.4的PHY层的 使用可以支持欧洲的868MHz的频段、全球美洲和澳洲的915MHz的频段和现在已经被

山东建筑大学硕士学位论文 广泛使用的2.4GHz的频段,这使得该协议具有旺盛的生命力。 (6)自配置。802.15.4在媒体接入控制层中加入了关联和分离功能,以达到支持自配

置的目的。自配置不仅能自动建立起一个星状网,而且还允许创建自配置的对等网。在 关联过程中可以实现各种配置,例如为个人域网选择信道和识别符(ID),为器件指配 16位短地址,设定电池寿命延长选项等。

2.2.2超宽带技术(UWB,Ultra Widebar)d)【14】

超宽带技术UWB(Ultra Wideband)是另一个新发展起来的无线通信技术,起源于20

世纪50年代末,此前主要作为军事技术在雷达等通信设备中使用。随着无线通信的飞速 发展,人们对高速无线通信提出了更高的要求,超宽带技术又被重新提出,并备受关注。 UWB通过基带脉冲作用于天线的方式发送数据,窄脉冲(小于1 ns)产生极大带宽的信号。
脉冲采用脉位调f1]d(Pulse
Position

Modulation,PPM)或二进制移相键控(BPSK)调制,UWB

被允许在3.1~10.6 GHz的波段内工作。

UWB可提供高速率的无线通信,保密性很强,发射功率谱密度非常低,被检测到 的概率也很低,在军事通信上有很大的应用前景。此外UWB通信采用调时序列,能够 抗多径衰落,因此特别适合高速移动环境下使用。更重要的是,UWB通信又被称为是 无载波的基带通信,几乎是全数字通信系统,所需要的射频和微波器件很少,因此可以 减小系统的复杂性,降低成本。 与当前流行的短距离无线通信技术相比,UWB具有巨大的数据传输速率优势,在 无线通信方面的创新性和利益性已引起了全球业界的关注。可以说,低成本、低功耗、 高速率、简单有效的UWB通信正是人类所期望的梦幻般的无线通信方式。 当然,UWB技术也存在自身的弱点。主要是占用的带宽过大,可能会干扰其他无 线通信系统,因此其频率许可问题一直在争论之中。另外,有学者认为,尽管LBICB系 统发射的平均功率很低,但由于其脉冲持续时间很短,瞬时功率峰值可能会很大,这甚 至会影响到民航等许多系统的正常工作。 但是学术界的种种争论并不影响UWB的开发和使用,2002年2月美国通信协会 (FCC)批准了UWB用于短距离无线通信的申请。相对于军事等领域,商业和消费等应用 领域,UWB还是新鲜事物,但据报道,一些公司已开发出UWB收发器,用于制造能够 看穿墙壁、地面的雷达和图像装置,这种装置可以用来检查道路、桥梁及其他混凝土和

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沥青结构建筑中的缺陷,可用于地下管线、电缆和建筑结构的定位。另外,在消防、救 援、治安防范及医疗、医学图像处理中都大有用武之地。此外,UWB的一个非常有前 途的应用是汽车防撞系统。戴姆勒克莱斯勒公司已经试制出用于自动刹车系统的雷达。 UWB最具特色的应用将是视频消费娱乐方面的无线个人局域网(PANS),UWB有可能在
10m范围内,支持高达1 10Mb/s的数据传输率,不需要压缩数据,可以快速、简单、经

济地完成视频数据处理。
2.2.3射频识别技术(RFlD)和NFC技术【15】【16】

射频识别技术,即RFID(Radio

Frequency

Identification),它利用射频信号的空间耦

合或雷达反射的传输特性,实现对物体的自动识别。识别工作无须人工干预,可工作于 各种恶劣环境等优点,受到越来越多的关注,其关键技术之——防碰撞技术也成为众多 科研人员研究的对象。 RFID可被广泛应用于安全防伪、工商业自动化、财产保护、物流业、车辆跟踪、停 车场和高速公路的不停车收费系统等。从行业上讲,RFID将渗透到包括汽车、医药、食 品、交通运输、能源、军工、动物管理以及人事管理等各个领域。然而,由于成本、标 准等问题的局限,RFID技术和应用环境还很不成熟。主要表现在:制造技术较为复杂, 智能标签的生产成本相对过高:标准尚未统一,最大的市场尚无法启动;应用环境和解 决方案还不够成熟,安全性将接受很大考验。
NFC(Near
Field

Communication,近距离无线传输)是由Philips、NOKIA和Sony主

推的一种类似于RFID(非接触式射频识别)的短距离无线通信技术标准。和RFID不同, NFC采用了双向的识别和连接,在20cm距离内工作于13.56MHz频率范围。 NFC最初仅仅是遥控识别和网络技术的合并但现在已发展成无线连接技术。它能快 速自动地建立无线网络,为蜂窝设备、蓝牙设备、Wi.Fi设备提供一个“虚拟连接”, 使电子设备可以在短距离范围进行通讯。NFC的短距离交互大大简化了整个认证识别过 程,使电子设备间互相访问更直接、更安全和更清楚,不用再听到各种电子杂音。 NFC通过在单一设备上组合所有的身份识别应用和服务,帮助解决记忆多个密码的 麻烦,同时也保证了数据的安全保护。有了NFC,多个设备如数码相机、PDA、机顶盒、 电脑、手机等之间的无线互连、彼此交换数据或服务都将有可能实现。此外,NFC还可 以将其它类型无线通讯(如Wi.Fi和蓝牙)“加速”,实现更快和更远距离的数据传输。

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总而言之这项新技术正在改写无线网络连接的游戏规则。但NFC的目标并非是完全
取代蓝牙、Wi.Fi等其他无线技术而是在不同的场合、不同的领域起到相互补充的作用。 所以如今后来居上的NFC发展态势相当迅速1

2.3本系统使用的短距离无线通信技术 在本系统中所用的短程无线通信技术是RF技术,它是通过无线通信射频芯片
nRF905来实现的。这是因为:

1、在日益发展的无线通信业务中,频率资源己经十分宝贵,应选用与其它应用无冲 突的频段。2.4GHZ是日常生活中的常用频段,如果选择在此频段工作会带来设备冲突 及相互干扰,而nRF905的发射频率是915MHz,目前在这一频段的应用较少。 2、对比于蓝牙芯片、zigBee等芯片,nRF905价格低廉,性能较强,基本符合智能 节电系统的应用要求。 3、相比于IrDA,RF技术不受光波传输性质的限制。 4、硬件设计、软件编程相比蓝牙技术而言要简单的多。
所以,本系统中的短程无线通信技术采用RF技术并根据此技术选择相应的硬件资

源。同时,现有的短程无线通信技术也对本系统的硬件和软件设计具有一定的借鉴和指
导作用。

总之,采用RF技术的优点有: l、有利于后期开发。可根据系统的要求来开发相应的功能,不会造成功能的冗余。 2、有利于系统抗干扰能力的控制。可根据实际测试结果,扩展硬件设备和增加软件 算法来提高系统传输的可靠性。 3、性价比较高。开发成本低,性能优越。
2.4本章小结

无线通信技术是本课题的基础,本章首先将无线通信技术与传统的有线通信技术做 了比较,介绍了选择无线通信技术的优势。从两方面简单介绍了现在比较流行的短距离 无线通信技术的优缺点。给出本系统所选择的无线通信技术。

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第三章系统总体设计

基于短距离无线通信技术的智能节电控制系统由智能节电控制终端、无线通信网络、 智能控制软件三部分组成。智能终端在节电现场通过一系列指令进行节电控制;无线通 信网络主要负责智能终端与控制室(PC,智能控制软件)的信息交互;智能控制软件则 负责对实时数据进行处理,从而更智能的实现节电控制。

3.1系统设计思路和目标

本系统的设计思路是结合RF射频无线传输技术的发展优势,开发一套基于无线网

络的照明及用电设备节电控制系统,即实现独立的智能终端设备与RF无线通信技术的
直接接入,从而通过无线网络与远端主机(PC机)进行通信。在智能设备终端上要完成

数据存储和处理,识别人数,控制现场的照明设备以及数据发送等工作,并通过RF无
线通信技术将实时数据传送到远端主机,主机端可以对现场实时数据实现实时处理显示, 如现场光照、人数显示等。也可通过信息交互对该设备终端进行远程控制,如通过预置 课程表控制教室照明等。此外,本系统还可以实现对多媒体教室设备的使用状态的动态 监控,及时掌握多媒体教室动态信息。 智能节电系统的目标是以系统和应用集成为核心,实现系统全过程的集成和优化, 扩充与强化系统的综合服务能力,提高现有节电系统的综合效率,同时注重系统的实用 性、可靠性和开放性。

1、实用型。以实用性为系统建设与实施的首要原则,使得系统与用户的交互性好,
容易操作,步骤简单,同时能够满足用户的实际工作需求。

2、可靠性和易维护性。为满足系统要求的最后目标,必须保证系统设备以较高的可
靠性长时间连续正常运行,同时要求系统的识别设备必须具备较好的易维护性。

3、开放性。由于应用需求和系统功能的复杂性,未来的系统必然是一个复杂的大系
统和典型的异构环境。因此,对节电设备必须强调和注重系统的开放性,使系统可以根 据需要,方便地扩充、修改、调整和升级,避免设备资源浪费。

3.2系统的总体架构和组成

系统总体架构分为主控室和现场节点:主控室(Pc)装有智能控制软件,主要负责
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后方数据处理显示以及通过预设信息进行智能节电控制;现场节点装有智能节电控制终
端,根据现场光照强度以及后方控制信息等进行照明等用电设备的节电控制,图3.1为 系统总体架构框图。

图3.1系统总体架构框图

系统为了满足安全可靠,有足够抗干扰能力,经济合理,方便使用的设计要求,采 用了模块化设计思想。采用模块化设计可以使系统结构清晰,不仅容易设计也容易管理 和修改,方便系统测试和调试,有助于提高系统的可靠性和可修改性,同时,模块化设 计也有助于系统开发的组织管理。 基于上述模块化思想,将系统设计分为RF无线通信模块、远端主机控制模块和智 能节电控制终端模块,见图3.2。本课题主要完成RF无线通信模块及远端主机控制模块 的设计实现,此部分又分为硬件模块设计和软件模块设计两大部分。硬件部分重点论述 了基于RF技术的无线通信模块的设计实现以及无线通信模块与主机(PC机)通信接口

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的设计实现;软件部分首先重点完成无线通信模块的收发设计以及无线通信网络模型的 选择和搭建,接着解决通过串口与主机(PC机)进行数据通信的软件实现,最后完成主 机(PC机)端智能节电控制软件的编写。

图3.2系统模块框图

3.2.1短距离无线通信模块

短距离无线通信模块分为硬件部分和软件部分,见图3.3。硬件部分主要包括射频收 发模块和单片机控制模块,软件部分主要实现通信模块的数据发送和接收。

图3.3无线通信模块框图

17

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霉正
畜均
器然




SPl输入 ;N 拐S 赛挲

i ‘∥∥j



壶警 C




SPI输出

乏邑i



l ;种控制信焉


飞发

:7



智能控II 制终端i|

Il



图3.4收发模块硬件结构

软件部分:软件部分主要在硬件平台的基础上实现数据的接收与发送,使用Keil Uvision3单片机软件开发平台,基于C语言完成单片机程序设计,完成收发芯片工作模 式转换、转发地址判断等功能的实现。





开始



、)



MCU初始化



配置nRF905

I丢掉数据卜}eQ望兰堑>
YES


√r\\√1l
置发送模式 发送数据

置接收模式
接收数据


传送给 终端或PC

图3.5收发模块软件流程

3.2.2远端主机控制模块 远端主机控制模块由硬件部分(PC机、无线收发模块和PC与单片机接口)和软件
部分(智能节电控制软件)组成。

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软件部分即智能节电控制软件系统,是硬件部分功能的扩充,其核心是人机交互与 远程控制,它实现了对实时现场数据的存储和分析处理。智能节电控制软件系统采用C/S (客户端/服务器)架构,以VC++为开发平台,采用模块化设计方式进行系统设计编程实 现,系统主要包括通信控制模块、数据库管理模块、参数设置模块、数据实时查询模块 等功能模块;采用SQLServer2000作为后台数据库,存储各种实时数据以及课程表等预 置信息纪录。

图3.6远端主机控制模块组成

硬件部分,采用PC机作为后端智能控制软件的运行载体,并与无线收发模块通信, 将控制命令和相关信息通过无线收发模块传送给各智能节电控制终端,同时可实时查询 现场状态及各种信息,从而实现智能化、自动化远距离节电控制。 这部分硬件设计主要考虑无线通信模块与PC机的通信接口设计,也就是单片机与 PC机的通信接口设计。使用单片机自身带有的串口可以很方便地实现单片机之间、单片 机和PC之间的串行通信。串行通信的优点在于实现方式简单,缺点在于通信速度较慢。 但对于通信距离相对较近且对通信速度要求不高的信息交换设备和外部存储设备,如终 端、打印机、逻辑分析仪、磁盘等,采用串行通信方式交换数据完全可以满足需要,因 此该技术在现阶段使用非常普遍。同时,在实时控制和管理方面,采用多台单片机组成 的分级分布控制系统中,各CPU之间的通信一般也都采用串行方式。因此,结合本系统

的实际需求和应用环境,采用通用串行接口实现无线通信模块与Pc机的通信完全可以
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山东建筑大学硕士学位论文 满足系统功能需要。

3.3本章小结

本章首先介绍了基于短距离无线通信技术智能节电控制系统的设计思路和目标,并 以模块化设计思想介绍了整个系统的构成,包括智能控制终端、短距离无线通信模块和 远端主机控制模块,给出了各模块的设计实现思路和系统的总体设计。

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第四章无线通信模块硬件设计

短距离无线通信模块是整个系统设计中的重点,需要满足通讯质量、通讯距离、通
讯速度、组网方便、抗干扰、便携、易于布控和低功耗等要求。

在实际设计中主要从以下几方面考虑: l、微型化 模块应该在体积上足够小,保证对目标系统本身的特性不会造成影响,或者造成的
影响可忽略不计。 2、扩展性和灵活性

模块需要定义统一、完整的外部接口,在需要添加新的硬件部件时可以在现有节点 上直接添加,而不需要开发新的节点。当然,部件的扩展性和灵活性应该以保证系统的
稳定性为前提,必须考虑连接器件的性能。 3、稳定性和安全性

要求模块的各个部件都能在给定的外部环境变化范围内正常工作。在给定的温度、 湿度、压力等外部条件下,模块的处理器、无线通讯模块、电源模块要保证正常的功能。
另外,模块硬件在恶劣环境下要能够稳定工作。 4、低成本

低成本是该模块的基本要求。只有低成本,才能大量地布置在目标区域中,表现出 无线网络的各种优点。低成本对模块各个部件都提出了苛刻的要求。首先,供电模块不 能使用复杂而且昂贵的方案。其次,能源有限的限制又要求所有的器件都必须是低功耗 的。最后,模块不能使用精度太高、线形很好的部件,这样会造成模块成本过高。 无线通信模块分为硬件和软件两部分(见图3.3)。 4.1无线通信模块硬件选型及芯片简介 无线通信模块硬件部分是整个系统的基础,它完成了数据采集的功能,为信息管理 系统提供基础性数据。系统硬件的设计和实现是整个射频监控系统成败的关键。 无线通信模块硬件部分由控制模块和收发模块构成。它们相互配合、相互协作来完 成数据、命令采集的功能。 控制模块主要完成的功能有:

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1、接收收发模块发送的数据。
2、将信号数据、命令等信息通过串口传输给计算机或智能终端。 收发模块主要完成的功能有:

1、自动搜索识别接收无线射频信号。 2、根据用户设置完成数据信息的接收与发送。 下面详细介绍一下无线通信模块的设计实现。

4.1.1控制模块MCU的选型

处理器模块是无线传通信模块的控制核心,所有的收发模式转换、功能协调、通讯 协议、数据整合和数据转储程序都将在这个模块的支持下完成,所以处理器的选择在无
线通信模块设计中是至关重要的。

无线通信模块使用的处理器应该满足如下要求: 1、外形尽量小。处理器的尺寸往往决定了整个节点的尺寸。
2、功耗低。

3、运行速度要尽量快。这样系统能够在最短的时间内完成必须完成的工作,但同时 速度快的处理器功耗也大,所以在考虑处理器运行速度的时候需要细致权衡。 4、要有足够的外部通用VO端口。 5、成本要尽量低。低成本的要求是网络化的必要前提。处理器在通信节点成本中占 有很大的比例。 6、有安全性保证。在某些特殊的应用场合,处理器的安全功能也是考虑的一个重要 方面。一方面要保护内部的代码不被非法成员窃取,另一方面能够为安全储存和安全通 信提供必要的硬件支持。 综合考虑各种因素,我们选择ATMEL 89S52单片机作为无线通信模块的控制MCU。 AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系统可编程Flash 存储器。AT89S52使用ATMEL公司高密度非易失性存储器技术制造,与工业80C51产 品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器。 在单芯片上,AT89S52拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使得AT89S52为众 多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。 AT89S52具有以下标准功能:8k字节Flash,256字节RAM,32位VO口线,看门

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狗定时器,2个数据指针,三个16位定时器/计数器,一一个6向量2级中断结构,全双工 串行口,片内晶振及时钟电路。另外,AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作,支持2种软 件可选择节电模式。空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口中 断继续工作。掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止, 直到下一个中断或硬件复位为止。 综上所述AT89S52是功能强大的MCU,适用于本系统设计的需要。由于AT89S52
是一款应用广泛的单片机,这里我们就不作过多介绍,详见附录。

4.1.2无线通信芯片选择

无线收发芯片的种类和数量比较多, 在射频模块设计中的选择是至关重要的,正确
选择可以减小开发难度,缩短开发周期, 降低成本,更快地将产品推向市场。选择无线

收发芯片时应考虑需要以下几点因素: 1、收发芯片的数据传输速率和是否需要进行曼彻斯特编码。采用曼彻斯特编码的芯 片,在编程上会需要较高的技巧和经验,需要更多的内存和程序容量,并且曼彻斯特编 码大大降低数据传输的效率,一般仅能达到标称速率的一半。而采用串口传输的芯片, 应用及编程非常简单,传送的效率很高,编程也方便。nRF905的数据传输速率最大是 100kbps,尽管经曼彻斯特编码后的传输速率降低为50kbps,但仍高于同类产品的传输速 率。同时数据的传输采用曼彻斯特编码可以满足数据可靠性传输的要求,这一点对于智
能节电系统的应用来说也是非常重要的。

2、收发芯片所需的外围元件数量。芯片外围元件的数量直接决定产品成本,因此应 该选择外围元件少的收发芯片。有些芯片似乎比较便宜,可是外围元件使用很多昂贵的 元件如变容管、声表滤波器等;有些芯片收发分别需要两根天线,会大大加大成本。 3、发射功率。在同等条件下为了保证有效和可靠的通信应该选用发射功率较高的产 品。但是也应该注意,有些产品号称的发射功率虽然较高,但是由于其外围元件多,调 试复杂,往往实际的发射功率远远达不到标称值。nRF905的发射功率通过调整RF偏压 电阻值最大可达到+10dBm。 4、收发芯片的封装和管脚数。较少的管脚以及较小的封装,有利于减少PCB板面 积,降低成本,也有利于开发和生产。nRF905芯片的外部连接是相当简单的,只需外接 几个简单的元件,就可以实现单片无线接收和发射。

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5、功耗。作为在智能节电控制系统中使用的无线通信单元,必须选择综合功耗较小
的产品,nRF905的功耗在同等发射功率下是最小的,满足系统要求。 表4.1几种无线收发芯片性能比较 芯片类型 I吐江401
/NORDIC 433 2.7~5.O

l疆江905
/NORDIC 433/868/91 5 1.9~3.6

TI强6900
/TI 868/915 2.2—3.6

RF2915

旷家
通信频率(MHz)

瓜FMD
433/868/91 5 2.4—5.O

工作电压∽
是否需要曼彻斯
特编码 调制方式 最大数据

不需要

不需要

需要

需要

FSK

GFSK

FSK

FSK

20Kbps

100Kbps

30Kbps

9.6Kbps

传输速率 发射电流(mA) 接收电流(InA) 最大输出功率 外围元器件数量
8~18 10 l1 12.5 +lOdbm 50 34 27 6.8 Odbm

+10dbm

+4.5dbm

约10个

约10个

约50个

约50个

常用无线射频收发芯片主要有nRF401、nRF905、TRF6900和RF2915,表4.1是这
几种芯片的主要性能比较。

从表中可以看出,相比其它几种芯片,Nordic公司的nRF905无线射频收发一体芯 片功耗低,数据传输速率最快,所需外围元器件最少,输出功率最大,并且采用了比FSK 调制抗干扰能力更强的GFSK调制,数据传输更加稳定可靠,因而本系统选用nRF905
作为无线数据传输芯片。 下面简单介绍一下nRF905射频收发芯片的性能。 nRF905是丹麦Nordic VLSI公司推出的一款单片无线收发一体芯片,是目前集成度

较高的无线数字传输产品,具有性能优异、功耗低、使用方便等特点。nRF905工作于 433/868/915MHz三个ISM(-1-_业、科学和医学)频道,采用32脚QNF封装,芯片尺寸 为5mm*5mm。nRF905由频率合成器、功率合成器、晶体振荡器和调制器组成,外围元 件少,不用外加声表面振荡器,外部连接元件包括一个基准晶振、RF偏压电阻、外部天 线等几个部分,基本无需调试,只需简单编程即可工作,这给研制及生产带来了极大的
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方便。 nRF905芯片使用低功耗设计,并且有多种工作模式可供选择,发射功率和接受灵敏 度可以调节,工作电压范围宽1.9 ̄3.6V,适合于低电压工作场合,接收状态下的工作电 流为12.5mA,发射状态下的工作电流为1 lmA,待机模式下的工作电流为40uA,掉电 模式下的工作电流为2.5uA。工作模式之间和信道之间的切换时间短,见表4.2。
表4.2模式转换时间 模式切换 最大时间
3ms
6509s 650I-ts 5509s 550}_ts


关机一待机 待机一发送 待机一接收 接收一发送 发送一接收

天线可采用PCB环形天线或单端鞭状天线,发射功率最大为+10dBm。接收灵敏度 为460dBm,在开阔地传输距离一般可达600m以上。在地形复杂时会缩短距离,这与使 用环境、干扰、系统调谐有关。nRF905工作电压1.9.3.6V之间,工作方式为全双工,内 置完整的通信协议和CRC校验电路,采用SPI(串行外设接口,详见附件)与微控制器通 讯,它自动处理字头和cRc(循环冗余码校验),使用极为方便,只需将要发送的数据和 接收机地址送给nRF905,nRF905自动完成数据打包(加字头和CRC校验码)发送,在接 收中有载波检测和地址匹配检测引脚,接收到正确的数据包时,自动移去字头、地址和
CRC校验码,然后通知微处理器读取数据。

nRF905采用抗干扰能力强的高斯频移键控(GFSK)调制方式,抗干扰能力强,能很 好的减少噪声环境对系统性能的干扰。相比于常规的FSK调制方式,GFSK调制方式能 有效的减少由于频率的突发式切换所造成的信号在主要频段之外比较大的频谱旁瓣,这 是因为GFSK在调制载波前采用了高斯滤波器,高斯滤波器平缓了输入信号的相位变化, 大大压缩了信号频谱的旁瓣,因此在同等带宽下可以传输更高速率的数据【2¨。 综上所述,采用nRF905射频收发芯片作为无线通信模块的中心部件来实现无线通 信功能不失为一种理想的选择。

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4.2硬件电路实现

系统所设计的无线通信模块采用AT89S52单片机和nRF905射频芯片作为主要元 件,实现了数据收发的硬件电路设计。本模块也设计了单片机外围电路,按键测试部分、 RS232串口部分,这些外围电路用来监控数据收发的过程及检测所设计的系统的有效性 和可靠性。 由于nRF905是收发一体的射频无线通信芯片,因此无线通信模块的接收和发送电 路是一样的。

图4.1无线发射接收电路原理图

4.2.1

nRF905外围电路设计

nRF905只需要几个简单的外围器件就可以实现收发功能(nRF905管脚说明详见附 件),图中XCl、XC2是参考晶振的输入、输出端,外接参考晶振为16MHz,通过内 部的频率合成器合成所需的工作频率。为达到最大的发射功率,RF偏压电阻值为22K。, 外部天线使用差分方式连接到nRF905的ANTI端和ANT2端,天线端负载阻抗为400。 当nRF905工作在接收模式时,引脚ANTl和ANT2提供了Iu到LNA(低噪声放大器) 输入;当nRF905工作在发射模式时,引脚ANTI和ANT2提供了PA(功率放大器)的输 ,出。功率放大器是两个开路输出三极管,配制成差分配对方式。在图4.1中,差分天线 的电容e3的值决定着发射频率的频段,本设计中采用3.3pF,发射频率为433MHz。
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nRF905通过一个连接器与单片机连接,按照工作特点将nRF905与单片机的接口分
为三组: 1、模式控制接口 该接口由TX
EN、TRX

CE、PWR UP引脚组成,分别与单片机P1.叽P1.2口连接,

控制选择实现四种工作模式:

两种节电模式:掉电和SPI编程模式、STANDBY和SPI编程模式;
两种活动模式:ShockBurst TX(发射模式)、ShockBurst R.X(接收模式)。 表4.3模式控制表
PWR 0 1 l 1 TRX CE X O l 1 TX EN X X O 1

工作模式

掉电和SPI编程模式
待机和SPI编程模式

接收模式
发射模式

nRF905采用VLSI公司的ShockBurst技术,使得nRF905能够提供高速的数据传输, ShockBurst技术将与RF协议有关的高速信号处理放到芯片内部,这样可以尽可能的节 能,同时降低系统费用(低速处理器也可进行高速射频收发),而且数据在空中停留时
间短,因此抗干扰能力强。

nRF905提供给主控制器一个SPI的配置接口,通过ShockBurst工作模式在RF以最 大速率进行连接时降低数字应用部分的速度来降低在应用中的平均电流消耗。在
ShockBurst

RX模式中,地址匹配AM和数据准备就绪DR信号通知主控制器一个有效

的地址和数据包已经各自接收完成;在ShockBurst TX模式中,nRF905自动产生前导码 和CRC校验码,数据准备就绪DR信号通知主控制其数据传输已经完成。总之,这意味
着降低MCU的存储器需求也就是说降低了MCU的成本,同时也缩短了软件开发的周 期。 2、SPI接口
SPI(Serial Peripheral

interface),是一种高速的,全双工,同步的通信总线,并且

在芯片的管脚上只占用四根线,节约了芯片的管脚,同时为PCB的布局上节省空间,提 供方便,正是出于这种简单易用的特性,现在越来越多的芯片集成了这种通信协议 nRF905的SPI接口由MISO、MOSI、SCK、CSN引脚组成,分别连接单片机的P1.7、
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P3.2-P3.4口。在配置模式下,单片机通过SPI接口配置nRF905的工作参数;在发射、
接收模式下,单片机通过SPI接口向nRF905发送和接收数据。 3、状态输出接口

提供载波检测输出CD(连接P1.4口)、地址匹配输出AM(连接P1.5口)、数据
就绪输出DR(连接P1.6口)。 影响传输距离的天线选型设计:

天线作为无线通信不可缺少的一部分,在无线信道中的接口作用在于它具有能量转
换的功能,它能把发射设备产生的高频电流形态的能量转换成电磁波能量,同时又能把

电磁波能量变换成高频电流形态的能量。因此,天线是一种具有特殊功能的能量转换器, 其转换能量的作用具有可逆的性质,即同一副天线可以用作发射,也可以用作接收,发 射天线和接收天线之间具有互易的特性【221。发射时,把高频电流转换为电磁波;接收时, 把电磁波转换为高频电流。 天线作为通信系统的重要组成部分,其性能的好坏直接影响通信系统的指标,在选 择天线时必须首先注重其性能。具体说有两个方面,第一选择天线类型;第二选择天线 的电气性能。选择天线类型的意义是:所选天线的方向图是否符合系统设计中电波覆盖 的要求;选择天线电气性能的要求是:选择天线的频率带宽、增益等电气指标是否符合
系统设计要求。

所有的天线和其他电子元件一样,至少需要两点连接。对于鞭形天线,则必须由一 端和地相接,天线和地线层之间的电路在两者间形成磁场,当电流流过场的时候便形成 了整个电路。鞭形天线的设计简单,只需要将一个1/4波长的天线垂直地面和射频模块
相连就可以了,可以简单的用相应长度的铜线来代替。

由于无线通信环境的不确定性,预测各种环境下的传输效果是不可能的。因为传输 距离也要取决于以下因素的影响:路径损耗,建筑物影响,人体影响,外界干扰,多径 现象,周围环境的吸收等,因此传输距离根据实际情况而定。由于单鞭天线传输效果要 好一些,所以本系统的射频收发电路是按照单鞭天线来设计的。在本课题研究的短距离
无线收发系统中,天线部分使用的是50 Q单端天线,根据目前实际测试效果来看,100m

的有效通讯距离,还是可以满足一般系统要求的。

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4.2.2单片机外围电路设计 单片机主要完成两个方面的工作:一方面完成对射频芯片通信过程的控制,另一方 面通过RS232总线与上位机和智能终端相连。 由于AT89S52内部没有集成SPI接口,因此通过软件模拟的方法来实现与nRF905 的SPI通信。硬件连接上,由P1.7口、P3.2、P3.3、P3.4口连接到nRF905模块相应的
引脚上。

AT89S52单片机有一个全双工的串行通讯口,所以他与PC或者其他单片机之间可 以方便地进行串口通讯。进行串行通讯时,单片机是通过自身的串口采用异步通信方式 (UART)与串行传送信息的外部设备相连,而PC机通信使用RS232通信协议,由于单片
机的I/O采用的TTL逻辑电平和RS232C的电气特性完全不同,RS232C的逻辑0电平

规定为+5~+15V之间,逻辑1电平为.5~.15V之间,因此将PC机和单片机连接进行穿 行通信时必须进行电平转换。 虽然可以用几个三极管就可以实现电平模拟转换,但是还是用专用芯片更简单可靠。 这里采用专用芯片MAX232进行转换,利用9针串口线作为PC机与单片机连接的物理 介质,采用三线制连接方式,即9针串口只连接其中的3根线:第5脚的GND、第2 脚的RXD、第3脚的TXD,其中PC机和单片机的发送数据TXD与接收数据RXD交 叉连接,两者的地线GND直接相连.其它信号线不用,见图4.2,采用软件握手的方式实 现通信控制。这是最简单的串口通信连接方法,但是对我们来说已经足够使用了。 PO口设计了按键和发光二极管显示部分,目的是测试系统能否正常工作。当按下系 统板上的按键后,另一块系统板上对应的红色LED点亮,表示数据发射接收成功,两块 系统板均可进行双向数据的高速传输与控制。同时,为了方便单片机程序的烧录,模块 还设计了程序下载接口,下载数据通过下载排针与ISP相连接到PC,运用相关软件进行
下载。

采用单片机最小系统结构选择其它单片机外围电路元件,见图4.3。

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图4.2串1:2电路原理图

图4.3单片机外围控制电路原理图 4.3本章小结

本章着重介绍了无线通信模块的研究与开发,结合给予短距离无线通信技术的智能 节电系统的要求和实际应用,提出了射频收发芯片的选用标准,同时简要介绍了本系统 选用的nRF905射频芯片的性能指标。在AT89S52单片机的基础上,运用nRF905射频 芯片,完成了数据收发的硬件电路设计,实现了基本的数据接收和发射。

30

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第五章通信协议及无线收发模块软件设计

基于短距离无线通信技术的智能节电控制系统中有两种通信方式:用于无线收发模 块和PC机通信的有线的RS232通信和无线射频通信。由于有线通信和无线通信存在较 大的差别,因此需要分别对有线和无线通信进行协议设计。 5.1无线通信模块与PC机通信协议 计算机与无线通信模块的通信采用RS232C通信,主要是基于以下几个原因: 1、RS232C通信速率已经完全能满足智能节电系统的要求; 2、RS232C通信比较简单,并且易设计开发。

众所周知,RS一232C使用一3至lJ-25v表示数字…o,,使用3v到25v表示数字“1”,
RS.232C在空闲时处于逻辑“1”状态,在开始传送时,首先产生一位起始位,起始位为一 个宽度的逻辑“0”,紧随其后为所要传送的数据,所要传送的数据最低位开始依此送出, 并以一个结束位标志该字节传送结束,结束位为一个宽度的逻辑“1”状态。以上信号在通 信过程中可以全部或部分使用,最简单的通信仅需TXD、RXD及GND即可完成,其他 的握手信号可以做适当处理或直接悬空,本设计即采用三线制连接方式。(RS232接口 简介详见附件)
参数设定: 波特率:9600
bps

数据位数:8 bit 校验:无校验 停止位:1
bit

5.2无线通信协议

通信息道是数据从发射到接收的一个通道,它包括产生数据流、编码、发射、接收、 解码,其结构框图如图5.1所示。与有线信道相比,无线信道是极其复杂的系统。对有 线信道来说,其传输质量是可以控制的。通过选择合适的材料与精心加工,可以确保在 有线传输系统中有一个相对稳定的电气环境。而无线信道是一个开放的环境,众多的无 线信号都在同一个空间中传播,因此在无线信道中不可避免地存在着影响通信质量的噪
3l

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声的干扰,需要采取措施来提高系统的抗干扰能力,这就需要无线通信协议。

图5.1无线信道模型

协议就是指一些规则,简单的说就是为了能相互理解,必须用同一种语言说话。在

简单的数据传输中,通信只朝一个方向进行,从发射端到接收端。通信可能在发射端和 接收端之间受到外界的干扰而使数据发生错误,因此需要协议来保证接收端能够正确接
收到从发射端发来的数据,并确定所接收数据是否是实际数据。 一个基本的无线数据传输协议应达到以下的目的:

1、最小的杂项开销:所涉及的无线数据传输协议应该是有效的,协议必须增加一些 信息到主要信息中,包括信息包识别代码,错误检验等,增加信息的数量必须是所需信
息中最少的。 2、有效性:协议必须能可靠的将有用数据从错误数据中分离出来。通常是在数据流

中嵌入错误检验格式来实现。奇偶校验、校验和、CRC都是检错码的常用格式。 3、可靠性:一个协议如果能够纠正数据的错误,则认为该协议是可靠的。 4、优化的无线功能:一个无线协议应该以一种能充分利用收发模块的方式工作。
协议将数据分割成一定格式的数据,并增加一些额外的信息(用于检验纠正错误),

这个过程叫封装。在接收端,协议去掉这些额外信息,只留下初始信息,这个过程叫做 解封装。封装的实现是在无线通信模型中的数据链路层实现的。

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图5.2无线通信协议栈

本系统的无线通讯协议栈如图5.1所示,可以分为三层。 第一层为物理层,物理层在两个网络设备之间提供透明的比特流传输,为激活、维 持和释放端系统之间的物理链路定义了电气、机械的特性和标准。这些特性如电压、电 压变化的时序、物理数据速率、最大传输距离、物理连接器和其它在物理层规范中定义 的类似特性,本系统中,物理层由nRF905实现。 第二层为数据链路层,它也是由nRF905实现,其数据包格式如图5.2所示,即嵌入
式的Shock Burst,可以将应用层上的数据重新分拆,加上数据包头,地址,CRC校验后

发送出去,数据链路层是无线通讯协议栈极其重要的一层,可以根据信息的要求,可靠
的将数据以帧的形式从一段发送到另一段。

在数据帧发送之前,介质访问控制层(MAC,数据链路层的子层)必须首先以某种 方式获得通信连接。nRF905采用类似冲突检测的载波侦听机制进行通信连接。当nRF905 处于接收模式时,如果在已编程的频段有射频载波出现,则载波侦听引脚(CD)置为高电 平,这种特性对于避免在同一频率的不同的发射器发送的载波碰撞是非常有效的。因此 不管无线发射器在何时发射数据,都会在发射前侦听相应的频段是否空闲,在监测到接 收器不忙的时候,设备开始传输数据。
第三层为应用层,用户可以根据自身需求开发出自己的协议。

图5.3数据链路层数据包格式

图5.4应用层数据包

根据实际的使用情况,我们自己开发出应用层通信协议,其数据包格式如图5.3所

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示。其具体内容可以概括如下:
数据包的说明:

1、包的总长:8字节。
2、数据包格式:

(1)目标地址位:4字节,目标地址,由上位机控制软件设置。 (2)命令数据位:2字节,表示数据包的用途,即发送的命令。定义如下: 第一个字节表示控制命令: 0x00自习,正常计数开灯 0x01上课,根据实时光照度控制开关灯 0x02考试,根据实时光照度控制开关灯 0x03查询,查询实时节点教室状态 0xff全部关灯,人数清零
第二字节表示节点教室状态:

Oxff无效,发送控制命令时填充 如果是上课或者考试:
0x00光照良好,未开灯

0x01光照欠佳,灯开
如果是自习: 0x00光照良好,未开灯 Ox料 自习人数

(3)Oxl 1,Ox22?标志位数据,用于判断接受或发送的数据是不是有效的控制数据。

此数据由微控制器发给nRF905后,nRF905还会对其进行包装,加入字头和CRC
校验。需要说明的是,为了增加数据传输的可靠性,且考虑实际实用,建议数据包的长

度不要太大,如果有较长数据,可以分为多个数据包传送。 5.3无线通信网络模型设计 楼宇中随着距离的不同,传输的数据会出现不同程度的丢失情况,并且具有方向选 择性。同时,受楼板与房间隔断的影响,楼宇中无线传输距离有限,覆盖率不高,传输 质量不稳定,因此,选择一个合适的无线通信模型是整个系统能否正常准确工作的关键。

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由于楼宇环境中非视线路径条件明显,因此运用中继技术,在每个节点设计路由表, 通过无线通信的多点跳传实现网络延伸,能够提供较大距离的网络覆盖和快速稳定的数 据传输【23】。无线多点跳传自组织网络是一组带有无线收发装置的移动节点组成的一个多 跳的临时性自治系统,可以快速构建起一个无中心分布控制的移动通信网络,每个网络 节点既是通信终端也是中继站,网中的每个节点地位相等。

⑧……

……@……@ ……@

⑤……@_…

_…@

图5.5多点跳传无线网络模型

楼宇无线多跳自组织网络的逻辑结构图如图5所示,基于射频模块的网络节点,作 为网络的基本组成部分,可以随意移动或处于静止状态。设计网络的多点跳传路由协议, 当节点采集并发送数据信息传输距离较远时,则通过多个中继点跳传至中间节点,由中 间节点转发传输到远端目标节点,从而实现楼宇中宽覆盖远距离的无线通信。 现代化楼宇建筑,高度越来越高,楼层越来越多,楼层面积越来越大,结构越来越 复杂,传统简单的无线多点跳传网络模型已经无法适应现代楼宇通信地需求,考虑到实 际楼宇建筑的结构环境,在本系统中,创新性的引入楼层子无线网络,将分层子无线通 信网络与多点跳传网络模型相结合,形成分层多点跳传无线通信网络模型,如图: 1、以楼层为分界,将整个楼宇通信网络按楼层分为若干子通信网络,每个子网的距 离主机节点最近的节点选作子网主机点,与主机节点组成一个多点跳传无线通信网络, 实现楼层间无线网络覆盖; 2、每个楼层的子网络,以楼层主机节点为中心,以多点跳传网络模型为基础,组成 一个多点跳传无线通信网络,实现楼层无线网络覆盖。

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图5.6分层多点跳传网络模型

为了更好的利用无线网络资源,提高数据传输的可靠性和信道的利用率,我们对5.2 节所述的无线通信协议进行一下改进:

图5.7数据包格式

l、对应用层数据包格式进行扩展,将目标地址分化为源地址、目标地址和中继节点 地址,其中中继点地址由相关节点根据路由表查找并自动写入数据包。数据格式如图5.7, 其中地址格式为[层码,子网节点编号】,例如306号房间,地址码为[03,006]。 2、无线收发节点采用广播的方式向邻近的中继节点发送数据,既:需要发送时,先 进行载波监听,确认同一频道无其他正在发送的工作点,则实现通信链路,开始发送数 据。邻近节点收到广播数据,进行数据解封装,并校验是否为有效数据,若无效则丢弃 并发送NAK,若数据有效,则进行地址比较,假设目标地址为[D,x】,中继地址为[M,

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X】,当前节点地址【N,X】,源节点地址为[S,X】,X为任意节点编号: 1、首先比较目标地址,如果【D,x]=[N,X】,则此节点就是目标节点,提取数据信 息,进行相应的操作,并发送ACK通知源节点(一般为主机节点)数据已收到,发送
方式同此步骤; 2、如果此节点与目标节点地址不符,则比较中继节点,如果M=N,则表示目标节 点与当前节点在同一层,也就是属于同一子网,则依据X查找子网路由表,进行转发;

如果M≠N,则要根据N查主节点网路由表,根据路由路经,重写中继节点地址,进行 数据封装,再以广播方式重新发送数据包,进行楼层间转发,以此类推,最终传送到目
标节点,完成通信: 3、如果两个地址都不符合,则丢掉数据。

(a)接收流程

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配置nRF905为 发送模式 0 查路由表 确定中继地址

封装数据





-l


7l

反坯戥媚岜 发送数据包



jr
返同

(a)发送流程
图5.8工作点数据收发流程

5.4无线通信模块软件设计 在前面章节中我们已经详细地介绍了无线通信系统模块硬件的原理及其组成,本章 将介绍无线通信模块软件部分的设计。本模块软件部分的设计分为两部分:无线收发芯 片软件编程和单片机控制软件编程。 软件的设计相对于硬件设计来说要复杂得多,它涉及了无线通信模块内部的软件设 计、单片机控制系统的软件设计等工作,并且系统大部分功能的实现需要通过软件来实 现。如果说硬件设计保障系统的稳定,那么软件设计的成功与否是整个系统是否能够正 常工作和便于扩展的关键。 系统的软件开发基于Keil51uVision3开发平台,所用程序使用标准C语言及开发工 具支持的扩展C语言编写实现。 5.4.1无线通信芯片软件设计 nRF905的软件设计包括nRF905的初始化配置程序、接收程序及发送程序三部分。
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5.4.1.1

nRF905初始化配置软件设计洲

nRF905的所有配置操作都是通过SPI进行的,SPI接口的工作方式通过SPI指令进 行设置,一条SPI指令用来确定执行什么操作。

图5.9 SPI接口结构

SPI接121由状态寄存器、射频配置寄存器、发送地址寄存器、发送数据寄存器和接 收数据寄存器5个寄存器组成,通过5个寄存器组成执行寄存器的回读模式来确认寄存 器的内容。 如图5.9所示(各寄存器内容说明见附件):
◆状态寄存器(Status Register)

包含数据准备好引脚(DR)状态信息和地址匹配引脚(AM)状态信息。 ◆I心配置寄存器(RF
Configuration

Register)

寄存器包含收发器配置信息,如收发器的频率,输出功率等。 ◆发送地址寄存器(TX—Address) 寄存器包含目标接收机的地址,字节长度由配置寄存器设置。
◆发送有效数据寄存器(TX Payload)
?,

、一

寄存器包含待发送的有效ShockBurst数据包的数据,字节长度由配置寄存器设置。 ◆接收有效数据(RX
Payload)

寄存器包含接收到的有效ShockBurst数据包的数据,字节长度由配置寄存器设置, 在寄存器中的有效数据由数据准备就绪(DR)指示。

39

山东建筑大学硕士学位论文 所有的寄存器长度都是固定的。但是,在ShockBurst Rx和ShockBurstTx模式中
TX Address,TX

payload,RX payload的字节数需在配置寄存器中设置,寄存器中的内

容在进入任何一种节电模式时均不丢失。系统上电后单片机首先配置nRF905模块,先 将PWR、TX
EN、TRX

CE设置为配置模式,单片机通过SPI接口将配置数据移入nRt905

通信芯片,在掉电和待机模式工作后,配置内容仍然有效,配置数据只有当电源撤出后 才会丢失。
配置寄存器格式为:

f+————————————一10字节(80位)——————————————————叫
图5.10配置寄存器格式 配置寄存器格式说明见表5.3。

本系统nRF905配置内容如下: ◆配置输出功率为+6db,低功耗方式,工作在433MHz频段 ◆配置RF工作频率,由配置寄存器中的CH NO和HFREQ PLL设置
工作频率由公式给出:F=(422.4+CH—NOd/1 0)*(I+HFREQ-PLLd)MHz--422.4

◆配置CRC校验位,允许CRC校验,8为校验位 ◆配置RX、TX有效地址宽度为4字节 ◆配置RX、TX有效数据宽度为32字节 ◆配置输出时钟,禁止输出时钟 ◆配置晶振频率,16MHz
为方便配置程序编写,定义结构体RFConfig,存储nRF905配置命令数据:
●’‘‘‘。‘。‘‘‘。。‘‘’。。。。。。‘’。。‘’。。。。’’。‘’’’。’。。’’’’一一一。’’。。。。‘’’‘‘’。。。。。’’‘‘。’’’’。。‘‘’‘‘’‘。’‘‘‘‘‘。。。‘。‘。。。‘。‘‘。‘。‘。。。’。。’。’’‘。’

!typedef ; { i { ;code ; { !
10,

struct

RFConfig

//Radio Frequency配置

! { i ! ; !

unsigned unsigned

char char

n:

buf[10]:

i)RFConfig;
RFConfig RxTxConf=






;}:

Ox01,OxOc,0x44,Ox20,Ox20,Oxcc,Oxcc,Oxcc,Oxcc,0x58




;10——10 ox01——cH_No=1 ;Oxoc——一HFREQ_PLLd20,433MHZ,Reduced ;0x20一——接收有效载荷宽度32字节 ;Ox20——一发射有效载荷宽度32字节 ;0x58——~输出时钟禁止,16MHz晶振,8位循环冗余码校验和使能木/
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:/,I
:‘

: :

register

; {





fRF=(422.4+CH_NOd/10)木(I+HFREQ_PLLd)MHz=422.4 i
power,6db

;Ox44-————————————一发射、接收地址的宽度是4字节

; i ; ; i

;0xcc,0xcc,0xcc,Oxcc——一接收地址

表5.3 RF配置寄存器说明

参数

位宽

说明 同HFREQ_PLL一起设置中心频率(默认=180d)
FRF=(422.4+CH—NOd/1 0)宰(I+HFREQ-PLLd)MHZ

CH NO



设置PLL在433或868/915MHz模式(默认=O)
HFREQ-PLL


“0”.工作在433MHZ

“1”.工作在868/91 5MHZ

PA

PWR

输出功率默认值=00


00.10dBm

01.2dBm

10+6dBm

11+10dBm

RX RED

PWR

降低接收模式电流消耗至1.6mA灵敏度降低默认值=O


0一正常模式1.低功耗模式 重发数据如果TX寄存器的TRX CE和TX EN被设置为
AUTO

RETRAN



高默认值=O
RX

0.不重发数据

1.重发数据包

AWF

RX地址宽度默认值=100


001.1字节RX地址宽度100.4字节RX地址宽度 TX地址宽度默认值=100
TX AⅥ下 3

001.1字节TX地址宽度100.4字节TX地址宽度
RX

PW

RX接收有效数据宽度默认值=100000


000001.1——1 00000.32字节RX有效数据宽度
TX

PW

TX有效数据宽度默认值=1 00000


000001.1——1 00000.32字节TX有效数据宽度
RX地址使用字节依赖于RX AFW
RX ADDRESS 32

默认值=E7E7E7E7h

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输出时钟频率默认值=11
UP_CLK_FREQ


00.4MHZ

01.2MHZ

10一1MHZ

1 1—500KHZ

输出时钟使能默认值=1
UP CLK EN 1

0.没有外部时钟

1-外部时钟信号使能

晶体振荡器频率必须依据外部晶体的标称频率设置
XoF 3

默认值=100
01

000.4MHZ 100.20MHZ

001.8MHZ

01

0.12MHZ

1.16MHZ

CRC校验允许默认值=1
CRC EN 1

0.不允许
CRC

1.允许

MODE

CRC模式默认值=1


0.8位CRC校验位

1.16位CRC校验位

nRF905无线通信模块配置子程序由Confi99050函数完成。

i/木木术木木木木木木宰宰木木,Ic,Ic木木木木木木木木术木术木木术:l:宰木木木:.::.:木木木术水木:lc木木木木木木木木木宰半木木木宰宰:I:爿c木木,Ic木木木木木木木木木术术术木:l:木木丰:lc术水/ i
!//function i ; ; ! ; ; ! ! ; }
CSN=I: void Confi9905

0:

i ; ; ! //Spi
enable
te

i/木木木木木木木木木车车木:I:宰术木:Ic木木:lc木水半木木木木木木木木木木木:Ic:l::lc:I:木:I:宰木:Ic宰宰木,lc,lc木木木木水木水木木木木爿c幸水木宰木宰木丰丰木:l=:Ic木木木木:lc丰术:I:术:l::I::I:/ ;
Confi9905(void) ! {
unsigned CSN=0: SpiWri char i: for write


spi

command

j j i i i i }

te(wC):

//Wri

config

command写放配置命令 words写放配置字

for(i=O:i<RxTxConf.n:i++)//Write { SpiWrite(RxTxConf.buf[i]):

configration

//Disable



Spi

;.7...........................,.一.........................................................................................j
I-...-.--..--.......--.-.--_.-,-一----.........-....---........-...----.-...--...--?-??---------.-?......????-_??-?-?-???-_J

不论是配置nRF905,还是通过nRF905进行收发数据,都需要通过对nRF905SPI 接口的读写实现的,相应的配置信息和待发送的数据以及接收到的数据都要通过SPI口 写入nRF905或输出到单片机。对nRF905进行读、写操作时,必须通过CSN的由高到 低的跳变来使能nRF905SPI口,因此,对SPI操作的关键在于时序,时序的正确性才能 保证数据的有效性,所以,对nRF905的数据读写操作必须符合SPI接口的读写时序。 SPI接口读、写操作时序如图5.11所示。

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趼I读操作

SPI写糠椎

图5.ii SPI读写操作时序

当CSN为低时,SPI接口开始等待接受一条指令,任何一条新指令均由CSN由高
到低的转换开始。常用SPI接口命令见表5.2。
表5.2 SPI接口常用有效命令

指令名称

指令格式

操作

写配置寄存器AAAA指出写操作的开始字节字节数 W_CONFIG(WC)
0000AAAA

量取决于AAAA指出的开始地址 读配置寄存器AAAA指出读操作的开始字节字节数
0001AAAA

R_CONFIG(RC) W
TX PAYLOA D

量取决于AAAA指出的开始地址
00100000.

(WTP)
R TX PAYLOA D 00100001

写TX有效数据1.32字节写操作全部从字节0开始 读TX有效数据1.32字节读操作全部从字节0开始

(RTP) W
TX ADDRES S 00100010

(WTA)
R TX ADDRES S

写TX地址1—4字节写操作全部从字节0开始 读TX地址1.4字节读操作全部从字节0开始 读RX有效数据1.32字节读操作全部从字节0开始

0010001 1

(RTA)
R RX PAYLOA D

(RRP)

00100100

根据表5.2指令形式,在程序中定义各个命令对应的数据,方便程序编写:
●。‘。‘‘‘。。。‘‘。。。。一‘’一。。。。‘’。。。4’’。。。。。。。。。。。‘‘‘‘’‘。’’。’‘‘。‘‘‘‘‘。。。‘’’。‘。‘’‘’。。‘。‘。。。。。。。。’’’。‘‘’。。。‘。。’’。。。。‘。’。。’。’’’。。。‘‘’



#define #define #define #define #define #define

Wc RC 1盯P RTP WTA RTA

Ox00//写配置寄存器命令 OxlO//读配置寄存器命令 Ox20//写TX有效数据命令 Ox21//读Tx有效数据命令

; i ; ; j i

{ i, i
i i

0x22//写TX地址命令
0x23//读TX地址命令

j_………?-??--?-???--。…-..---.------.-------?-.------..---…??…-????---…。……….……----…….……-…-.-J; #define RRP 0x24//读RX有效数据命令

由于AT89S52自身没有SPI接口,因此要采用单片机I/O模拟SPI接口与nRF905

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的SPI口连接,用软件模拟SPI通信。根据硬件管脚连接(见图4.1、4.3)和相应的读 写时序,设计编写以下两个程序实现SPI口数据读写操作:
Void

SpiWrite(unsigned char);
SpiRead(void);

//写操作nRF905 //读操作nRF905


unsigned char

●‘。’’’’’’。‘‘‘‘‘’’’一‘‘‘‘‘‘。。--一一。‘‘‘‘‘‘一一。’’’’‘‘‘‘‘。。’’。。’‘。’’‘----‘‘‘‘‘‘。。-一一’。‘‘‘‘‘。。’’。。‘。‘‘‘’‘’。’’’’‘。。。一‘’。。。。。。。‘‘一一。’

;/木木木木木木木木木木木,Ic木木木木木木爿c木木半木木:I=牢爿c术车木木:I=宰木木木木木宰木木木木木木木木木木木木木木木木木木木木:Ic木水术爿c木木木木木木:lc木木:lc宰木木木木木木术木木/ //写操作函数SpiWrite 0:
/木掌宰,I:lc:I【枣木宰水书,k宰木拳术木木木乖木木木木木木木书木木宰木木木木木;I:=I:宰,Ic木宰木宰=Ic木木木木木木木水水水木术枣宰木木宰:I::I::I:木,Ic木木木,Ic木,Ic木木木木木枣木木,lc木爿c/
void

SpiWrite(unsigned
char

char

byte)


unsigned i;

DATA_BUF=byte:

//Put

function’s parameter

into



bdata variable

for(i=O:i<8:i++) { if(flag)
MOSI=I; else MOSI=O; SCK=I: DATA_BUF=DATA_BUF<<I: SCK=O:

//Setup //Put

byte circulation bi ts

DATA BUF.7

on

data line

//Set clock line high

//Shift DATA-BUF //Set
clock line low

) ) /木枣木木木木木木拳:I;木术:Ic木木术木木:l=木木木宰木:I:术木木:Ic木宰木爿c术木爿c木木:Ic,Ic术丰木掌木木木卑:l::I::I:丰术:I:术:l:术木木木木水枣木木木木木木木木木木枣木木木宰宰宰,Ic木木木/ //读操作SpiRead(): /木木木枣木水枣木:Ic术木木木木木木木爿c木木半半木丰木木半术木木水木木木丰:I=术,I:木木木:lc木术爿c木木丰水:Ic木木木木爿=木:l;爿:木木:Ic车:Ic木木木宰木宰宰木车木木=Ic木木水术术木车术木/
unsigned char
fI【

SpiRead(void)

unsigned

char

i:

for(i=O:i<8:i++) {
DATA_BUF=DATA_BUF<<I: SCK=I:

//Setup

byte circulation bits

//Right

shift

DATA BUF

//Set clock line high

if(MISO)
flagl=l: else flagl=0:

//Read

data

; ;


SCK=O:

//Set clock line low

) //Return funct ion parameter} DATA_BUF: ………_?…一………-……………‘…-……---●-o●…---…-…?…---●-●---‘……………●-………●………●}
return

山东建筑大学硕士学位论文

5.4.1.2无线数据收发软件设计 前面我们根据nRF905的特性和要求,实现了对nRF905芯片的初始化配置以及SPI 接口的程序模拟实现,下面,我们来设计实现nRF905模块的收发程序。 在第三章和第四章我们曾经介绍过,nRF905的收发功能采用采用丹麦Nordic公司
的VLSI ShockBurst技术,该技术使nRF905能够提供高速的数据传输而不需要昂贵的高

速MCU来进行数据处理和时钟覆盖,从而可以简单的通过软件编程实现数据收发。
1、

nRF05发射模式软件设计(ShockBurstTX) nRF905发射流程可分为以下几步:

A、当微控制器(MCU)有数据要发送时,通过SPI接口,按时序把接收机的目的
地址(TX—address)和需要发送的有效数据(TX__.payload)J送传给nRF905相应的SPI

接口寄存器,SPI接口的速率在通信协议和器件配置时确定;
B、微控制器(MCU)置高TRX CE和TX EN,激发nRF905的Shock
Burst

TX发

送模式;
C、nRF905的Shock
Burst

TX发送:

(1)系统自动上电,射频寄存器自动开启;

(2)数据打包(加前导码字头和CRC校验码);
(3)发送数据包(1 OOkbps GFSK曼切斯特编码);

(4)当数据发送完成,数据发送完毕引脚(DR)被置高;
D、如果AUTO RETRAN被置高,nRF905不断重发,直到TRX CE被置低; E、当TRX CE被置低,nRF905发送过程完成,自动进入Standby空闲模式。

由发送时序图可以看出,ShockBurstTX工作模式保证,一旦发送数据的过程开始,
无论TRX EN和TX EN引脚是高或低,发送过程都会被处理完。只有在前一个数据包

被发送完毕,新的模式才被激活,nRF905才能接收下一个待发送的有效数据包。发送流
程如图5.12。

程序中通过void TxPacket(void)i函数实现数据发送:
;void TxPacket(void)

//发送数据
i:




j {



i i

unsigned char



//spi使能,准备写入SPI命令 //写入数据命令

//Confi99050:
CSN=O;

SpiWrite(WTP):

i ;

45

山东建筑大学硕士学位论文 ; for(i=O:i<32:i++) { SpiWrite(TxBuf[i]): }
CSN=I:




; ; ! j ; ; ! ;


//写32位待发送的数据 //Spi禁止 { } ; ;

Delay(1):
CSN=O:

SpiWrite(WTA): for(i=O:i<4:i++) {

//写入地址命令 //写入4字节地址


; ; i



SpiWrite(RxTxConf.buf[i+5]): )
CSN=I: TRX_CE=I:





//Spi
disable





//置TRX_CE为高,开始发送数据
//while(DR!=1): //发送完毕,置TRX_CE为低





;Delay(1): {TRX_CE=o:
2、

;.......!。......................................…...............................................….....................j
nRF905接收模式软件设计(ShockBurstRX) nRF905接收流程可分为以下几步:
A、当TRX CE为高、TX EN为低时,nRF905进入ShockBurstRX接收模式; B、650us后,nRF905不断进行载波监测空中信息,等待接收数据;

C、当nRF905检测到与接收频率相同的载波时,载波检测引脚(CD)被置高; D、当nRF905接收到一个有效的相匹配的地址时,地址匹配(AM)引脚被置高; E、当nRF905接收一个正确的数据包(CRC校验正确)完毕后,nRF905自动移去 字头、地址和CRC校验位,然后把数据准备就绪(DR)引脚置高; F、微控制器(MCU)把TRX—CE置低,nRF905进入Standby空闲模式; G、微控制器(MCU)通过SPI口,以一定的速率把数据移读取到微控制器内; H、当所有的数据接收完毕,nRF905把DR引脚和AM引脚置低; I、nRF905此时可以进入ShockBurstRX接收模式、ShockBurstTX发送模式或 PowerDown关机模式。

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图5.12 nRF905发送流程图

当nRF905正在接收一个数据包时,TRX CE或TX EN引脚的状态发生改变,nRF905 就会立即把其工作模式改变,数据包则丢失。尽管如此,当单片机接收到AM引脚的信
号之后,它就知道nRF905正在接收数据包,因此,它可以决定是让nRF905继续接收该

数据包并等待DR信号,还是进入另一个工作模式。 程序中通过void RxPacket(void)函数实现数据接收:
●‘。。‘。’。‘’。。。。’。。‘’’‘’‘。‘。。+。。‘。。。。‘。‘‘‘‘‘。。‘’’‘。。’‘‘。’’‘‘。。’‘。‘。’。。。。’。。。。。‘?。’’’’。。。’’。’。‘。。。。。。。。。’’‘‘‘‘。‘’。。’。’‘‘‘。。。。’

;void RxPacket(void) ; { ; i ; { i ; i
unsigned TRX_CE=O:






i:

char

j //设置nRF905为standby模式 //Spi使能,准备写入spi命令 //写SPI入读取命令 ; ; ; ; ; ;

CSN=O:

SpiWrite(RRP): for(i=O:i<32:i++) { RxBuf[i]=SpiRead():

//读取32字节数据,存入buffer

47

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:。‘‘’。’。i。。。‘‘’’’’。’。。’’。’。。。。。‘‘‘。。’’’。。‘。。。’’’’。‘。。。。。‘。。。。‘‘’。’。’’。‘‘‘。‘‘‘’’‘。。‘’。。。。’‘‘。。。‘。。。。。‘’。。。。。‘…’。‘’…。。‘‘j
?




● ● I




CSN=I:

//Disable

spi




from PO

{ ; ;

while(DRI lAM):
//Buffer E0]output

;PO=RxBuf[0]: TRX_CE=I: }

port…


; ;

图5.13 nRF905接收流程图

5.4.2单片机控制系统的软件设计 单片机负责接收用户命令,处理要发射的数据和接收到的数据,进行信息发送目标 地址判断,通过路由表选择合适路径并控制无线射频收发模块进行数据转发,实现正确 收发数据。单片机和射频收发器的通信采用串口的方式进行,并通过中断来激发状态转 换。对应于nRF905发射和接收模式的不同工作步骤,软件编写被分成接收部分和发射 部分,分别完成接收和发射的控制。软件采用c语言编写。

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单片机控制程序主要包括系统初始化、RS232串口通信、无线传输控制以及无线通
信网络路由实现等四部分组成,系统流程如图5.9。

开始

初始化 单片机I/o口

接收数据

初始化
232串口

逸秽油鬻



初始化nRF905

有路由表查出 转发路径

配置nRF905 接收模式

配置nI强905 发送模式

二f

/≮八

返回

、准备好≯

图5.9单片机控制流程图

上电后单片机先对自己进行复位初始化,然后初始化串口和nRF905,设置其工作状 态,工作频率,发射功率等参数,然后进入等待状态,关闭不需要用的部件,降低功耗。 当收到来自用户的命令或者由内部串口中断产生的发送数据命令后,单片机进入数据发 送流程:装载数据到nRF905,设置nRF905到发送模式并发送数据,然后设置nRF905 切换到接收模式,等待接目标节点的确认信息;当nRF905检测到空中有有效数据载波 则产生接收命令,单片机进入数据接收流程:读取数据,判断地址,决定是否需要转发, 如果不需要则进行数据处理等并通知源节点,如果需要转发,则按照无线通信网络协议, 查找相应路由表,准备数据,然后将nRF905切换到发送模式,转发数据。 5.4.3单片机端串口通信程序设计 AT89S52内部的串口是一个标准的全双工串口,其中与串行口直接相关的两个寄存 器是SCON(串口控制和状态寄存器)和PCON(特殊功能寄存器),寄存器说明见附

49

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件。

串口在使用前,必须要对它进行初始化编程,串口初始化主要是对产生波特率的定 时器/计数器T1、串口控制寄存器和中断寄存器进行初始化,确定定时/计数器、串口和 中断工作方式、设置串行通信波特率,步骤如下: (1)确定定时/计数器T1的工作方式 (2)确定定时/计数器T1的装入初值 (3)确定串行口的工作方式
(4)确定中断方式 (5)启动定时器/计时器T1

本系统中,设置AT89S52定时器/计数器T1工作方式控制寄存器TMOD=0x21,工 作方式选择位M1M0为10,定时器/计数器T1被设定为工作模式2,THl、TLl的时间 常数为OxFD;设置AT89S52串行口的控制寄存器SCON=0x50,工作方式选择位SMOSMl 为11,选择串行通讯使用方式1,REN=I,允许串口接收;特殊功能寄存器PCON.7=0, 即波特率选择位SMOD=0,波特率设定为9600bit/s,采用中断方式实现串口通信。 单片机程序中与串口相关的设置由void Inituart(void)i函数实现。在程序的开始部分
调用void InitlO(void)、void Inituart(void)函数,完成对串口的初始化设置,通过串口中

断子程序实现串口通信,程序实现如下。
i//宰木:lc宰木术,lc木木木水木半术木木木术丰木木=.=,I:术宰书=Ic水木木木宰:Ic木木木:lc术术木术木木水卑木木木木木 ;//初始化串口 {//串木:I:丰木枣木料木木木木木木木木,Ic木水木木木=I=术木木木丰:Ic木术术宰木木木木木木木木宰木半木:Ic宰木木 i { j

!void { i

{ ;

Ini tuart(void)

l ;
i ; }

SCON=0xS0://模式1

!TMOO=Ox21://定时模式2
IE=0x90:

//一一=9600===一==设置串口通讯寄存器 //波特率9600BPS,晶振.0592MHZ


; l ; ; { i

!PCON=0x00; ;THI=0xFD;//

;TLI=0xFD,//计数器初值 ! )


;//木木宰:Ic宰:lc枣木木木木木木幸木木木木木木木木木木:.=木:I::I::Ic木木木木木木木枣木料木:.=木木术木,Ic:lc丰料 i//串口中断子程序,实现串口数据传输
;//宰枣木宰掌木术木宰宰拳木木宰掌掌事宰母宰奉:Ic宰木事幸木术宰宰木木木木宰宰拳术术枣木木木丰拳幸掌木掌宰 :void serial()interrupt ; {




; ;




:’

u玎s.19ned char temp: ●..?--.---^-.一.--......---_.-.o...-...-......--.--.....-.--.--....-----.....….--????--????-??.?-.---??-????…-?----…。J



50

山东建筑大学硕士学位论文 if(RI) {
temp





踞UR
“ S 朗 d —a d r
R I=0
W .1

t ;C

S{
a Se a





if(temp--=Oxl 1) { send[send_adr]=temp;
send_adr++;


break:
case

1:

send[send_adr]=temp:
send_adr++:

break:
case

2:

send[send_adr]=temp:
send_adr++: break:
case

3:

if(temp==Ox22) { send[send_adr]=temp: )

break: default: send_adr=O;

send[O]=send[1]=send[2]=send[3]=Oxff;
break:

.上.........…】.......................】.................................................................................j
5.5本章小结 本章主要对无线通信模块软件设计进行说明,包括无线通信协议和串口通信协议的 设计和实现,无线通信网络模型的选择和改进,以及无线收发芯片的配置操作软件设计, 数据发送及接收的流程和软件设计,单片机控制软件设计等软件实现;介绍了部分功能 函数的实现代码。

51

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第六章智能节电控制软件设计

基于短距离无线通技术的智能节电系统的智能控制软件系统是整个节电控制系统的
关键控制软件,是后端控制中心的核心,担负着对控制数据的存储、查询和分析,以及 控制命令的发出等任务。

6.1功能需求分析及总体设计 +一般的软件需求分析包括业务需求、用户需求、功能需求和非功能需求等需求分析, 针对智能节电控制系统的软件设计,下面从这几个方面进行一下简单分析:
系统软件的业务和用户需求就是要描述和介绍用户对软件功能的需求,本系统中,

智能节电控制软件是智能节电控制系统的一部分,为整个控制系统提供人机交互软件和 系统控制接口,这是智能节电控制系统对上位机控制软件提出的总体上的目标要求。在 节电系统控制软件使用过程中,用户可以通过控制软的通信控制进行无线数据通信,实 现对各应用节点教室的节电控制,同时可得到各教室节点的实时状态;通过软件修改相 应的参数调整系统工作状态;进行数据的存储为控制系统提供控制依据等。 智能节电控制软件是基于短距离无线通信的智能节电控制系统的控制核心,其主要 功能可分为三大部分:数据通信、节电控制、数据管理。 1、数据通信:主要功能是设置串口参数,通过串口与无线通信模块进行信息交互, 将相应的控制命令等信息传送给无线通信模块或接收无线模块接收到的现场实 时数据,包括串口设置、串口通信控制等子功能; 2、节电控制:主要功能是根据数据库中的各种控制依据,分析数据,选择相对合 适的控制方式,将控制命令通过系统的数据通信功能发送命令,实现对节点教 室的节电控制,包括手动控制、定时控制和自动控制等功能;
3、数据管理:主要功能是将智能节电控制所需的控制资源数据存入数据库,为节 电控制提供必需的控制依据,包括课程表、教室信息、校历信息以及管理员权

限等数据信息,并提供对相应信息的查询和编辑功能; 智能控制软件整体由控制资源数据库和智能节电控制平台组成,实现以上介绍的三 大功能模块,具体包括教室管理、节电控制、数据库管理、信息查询、参数设置以及权
限设置等功能。系统总体结构如图6.1所示。

52

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图6.1智能控制软件总体结构

系统运行后,判断使用权限,设置相应参数,随后可选择手动控制、定时控制和自 动控制等控制方式,通过串口与无线收发模块进行信息传递,将节电控制命令送给无线 通信模块,发送给相应节点教室,实现节电控制。其工作流程如图6.2所示。

图6.2智能控制软件工作流程

53

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智能节电控制软件同样采用模块化设计思想进行设计实现,以实现功能为基础,划 分功能模块,主要包括节电控制模块、通信模块、数据库管理模块、系统参数设置模块、
查询模块等功能模块以及主界面、登入界面等非功能模块。系统功能模块图如图6.3所

示。

图6.3智能控制软件系统功能模块图

6.2软件详细设计及实现

智能节电控制软件使用Microsoft Visual 言平台,采用C/S架构进行软件开发设计。

Studio

2005开发系统,基于Visual C++语

Microsoft Visual Studio开发系统是一套开发工具【27】【281,旨在帮助软件开发人员(无 论是新手还是专家)应对复杂的挑战并创建创新的解决方案。Visual Studio的目的是改

进开发流程,帮助人们更轻松地实现突破、获得更令人满意的结果。
Visual

C++不仅是一个C++编译器,而且是一个功能强大的可视化软件集成开发环

境(Integrated Development Environment.IDE)[27】【28】,自1 993年Microsoft公司推出Visual

C++1.0后,随着其新版本的不断问世,Visual C++已成为专业程序员进行软件开发的首 选工具。虽然近些年来微软公司推出了一系列开发工具和开发语言,如Visual
Visual C++.NET、 C++6.0

c群等,但实际应用中,Visual C++6.0平台始终占据主导地位。利用Visual

的MFC库,依靠强大的编译器以及网络与数据库的开发能力,可以开发出功能强大的 应用程序。 C/S(Client/Server)结构,即大家熟知的客户机和服务器结构。目前大多数应用软

山东建箭大学硕士学位论立

件系统都是ClientJServer形式的两层结构,虽然相比现在流行的B/S(Browser/Server) 结构,即浏览器和服务器结构,C/S结构存在一些不做,如升级维护较复杂、开发成本 较高等,但其在数据库开发、通信控制等方面还是存在一定的优势,并且技术经验相对 成熟,因此,结合本系统的实际需要,故本系统采用C/S结构进行软件设计,实现各功 能模块,完成系统集成。 下面,针对各功能模块进行详细设计:
6 2

1系统登A界面和主界面设计 系统登录模块主要实现用户权限判断和登入系统的功能,包括用户名与密码的确认,

权限确认等,如用户名和密码正确则进入系统,并根据权限提供相应的功能.如果不正 确则给出相应的提示。 系统的登录模块是系统启动的第一个界面,见图6.4,系统登入见面提示用户输入用 户名和密码,当点击确定的时候,用户名和密码分别传递给与控件相关联的成员变量 msrtName和mSrtPassword,然后在数据库的用户信息表中查询当前臀录用户的信息,进 行数据库查询比较操作,对当前用户进行验证:如果用户名和密码都正确,则允许进入 系统,更新用户的登录时叫,读取用户权限,并进入系统主界面,提供与权限相应的功 能:否则,登录失败,系统自动提示你所输入信息的错误内容,如果是如果用户名币确 而密码错误,则读取错误计数器,若错误满三次,则退出系统,否则显示对应提示,错 误计数器减一,返回登入界面。具体查询操作实现方式在数据管理模块中详细介绍。

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(b)系统登八流程
圉6

4系统登八界面和流程

系统登八成功后,进入系统主界面,如图6 5。主界面显示足否成功连接数据库、用 户权限、己登入时间等信息,同时提供各种操作按键,通过点击相应按键,进行各种操
作。

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6.2.2数据通信功能模块设计 数据通信功能模块的主要功能就是实现主机PC与无线收发模块的数据传输管理, 前面已经介绍过,两者是通过串口与相连,因此,此模块主要解决Windows下串口通信
控制。

在Windows环境下,串口是系统资源的一部分。应用程序要使用串口进行通信,必 须在使用之前向操作系统提出资源申请要求(打开串口),通信完成后必须释放资源(关闭 串口)。串行口在Win32中是作为文件来进行处理的,而不是直接对端口进行操作,对 于串行通信,Win32提供了相应的文件I/O函数与通信函数,通过了解这些函数的使用, 可以编制出符合不同需要的通信程序。与通信有关的结构和Windows API函数共有30 多个,详细说明可参考MSDN帮助文件。
在Visual C++环境下实现串行通信的方法有三种[27】.[331:

1、使用vC++提供的串行通信控件MSComm; 2、单线程下利用API函数,通过自定义串口通信类实现; 3、多线程下自定义类实现串行通信;
MSComm (Microsoft Communications Contr01)是Micorsoft公司提供的简化

Wnidows下串行通信编程的Active X控件,控件在串口编程时非常方便,程序员不必花

时间去了解较为复杂的API函数,而且在VC、VB、Delphi等语言中均可使用。实际 上,采用Mscomm控件是间接地调用了API函数,其执行过程比直接调用API要复杂。 对程序员来说,在程序编成实现串口通行上Mscomm简单得多,但编程的灵活性较差。 控件虽然简单易用,但由于必须拿到对话框中使用,在一些需要在非对话框中实现 通信的应用场合下,控件的使用显得捉襟见肘。API函数是附带在Windows内部的一个 极其重要的组成部分。Windows的32位API主要是一系列很复杂的函数和消息集合。 它可以看作是Windows系统为在其下运行的各种开发系统提供的开放式通用功能增强 接口。利用API函数实现串口通信的编程方法功能强大,灵活性好,但原理上比较复杂, 需要编程人员对串口的硬件工作原理有较深入的了解。 多线程下自定义类实现串口通信,虽然灵活准确且C 法复杂,在简单系统中一般不采用此类方法。 根据不同需要,选择合适的方法,将达到事半功倍的效果,综合考虑,本系统采用 Windows API函数实现串口通信。




U利用率较高,但其实现方

57

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Windows的32位API主要是一系列复杂的函数和消息集合,Windows环境下对串 行端口和其他通信设备进行操作,均被作为文件进行处理,其中涉及到大量API函数, 操作起来比较复杂。串口的打开、关闭和读写等操作所用的API函数与操作文件的函数
相同: ◆通过CreateFile()函数打开串口; ◆通过CloseFile()函数关闭串口; ◆通过DCB结构、CommProp()、GetCommProperties()、SetCommProperties

()、GetCommState()及SetCommState()等函数设置串口状态; ◆通过函数ReadFile()和WritFile()等函数读写串口。 下面来详细介绍本论文中串口通信的实现原理。 自定义串口通信类Class CWSerialPort,在此类中实现串口通信,具体通过如下步骤 实现: 1、打开串口,设置默认参数,取串口句柄,旬柄贯穿整个通信过程; 在VC++中使用CreateFile()函数打开串口,打开成功后将返回串口的句柄,该 旬柄将被用于后续的通信操作,并贯穿整个通信过程。串口打开后,通过调用
GetCommstate(m hComm,&dbc)读取当前串口设备控制块DCB(Device
control

Block)设

置,修改后通过SetCommstate(m hComm,&dbc)将其写入。同时,还要设置读写缓冲

区大小并初始化以及设置超时值(异步通信需要)。 程序中串口本论文自定义OpenPort()函数,通过调用相关API函数实现打开串口 和默认参数设置等:其中参数为串口属性参数,包括串口号、通信频率、数据位数等。 具体实现编码见附录。
OpertPort(LPCTSTR
LPDataArriveProc Port,hat Baudrate,int DataBits,int StopBits,int Parity,

proc=NULL,DWORD userdata=O);

2、关闭串口,释放旬柄; 本论文自定义ClosePort();调用API函数实现串口关闭,具体实现代码见附录。 3、串口数据读写操作;

本论文中主要运用API函数ReadFile0与.晰teFileO,同时编写读取线程函数
ReadPortThread0实现串口数据的读写操作,具体实现程序代码见附录。

58

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6.2.3数据管理功能设计 6.2.3.1数据库设计 对于数据库的选择,考虑系统实际应用情况,系统存储的数据为课程表等简单信息,
由Micro Office Access实现数据库功能完全可以满足系统实际需要,它具有界面友好、

易学易用、开发简单、接口灵活等特点,是典型的新一代桌面数据库管理系统。其主要
特点如下:

(1)完善地管理各种数据库对象,具有强大的数据组织、用户管理、安全检查等功能。 (2)强大的数据处理功能,具有客户服务器(C1ient/Server)结构和相应的数据库安 全机制,同时具备事务处理/出错回滚能力等。 (3)可以方便地生成各种数据对象,利用存储的数据建立窗体和报表,可视性好。 .(4)Access主要用于中小型应用系统,或作为客户机/服务器系统的客户端数据库。 本系统数据库主要存储用户信息、课程表、时间安排等一系列用于节电控制的判断 依据数据,系统中的所有节电控制功能完全是以数据库为中心的,服务器和客户机之间 的通讯也是通过数据库完成的。因此,数据库在整个系统中发挥着十分重要的角色。在 客户机/服务器体(C/S)结构下,要求数据库表的设计要非常合理和有效,这样才能为 以后的工作打好基础。在本系统数据库表的设计中,主要考虑到以下几个表:
表6.1用户登入信息表(Tab—POST) 序号
l 2 3 4

名称
Name
Password Power Other

数据类型 文本 数字 文本 文本 表6.2周表(Tab—WEEK)

大d'/类型
50

中文说明 用户名 密码 用户权限 备注

长整型
50 50

序号
l 2 3

名称 Week
Sdate Odate



数据类型

大小/类型
50

中文说明 周数 起始日期 结束日期

文本
时间/日期 时间/日期

短日期 短日期

59

山东建筑大学硕士学位论文 表6.3作息时间表(Tab—WRTime) 序号
1 2 3 4

名称
Lesson

数据类型 文本 时间/日期 时间/日期 文本

大小/类型
50

中文说明 节次 起始时间 结束时间 作息时值

Stime Otime
Season

长时间 长时间
50

表6.4课程表(Tab—Lessontime) 序号
1 2 3


名称 Week
Lesson

数据类型
文本 文本 文本

大小/类型
50 50 50

中文说明 周次 节次 教室号 星期

Room
Daofweek

数字

整型

6.2.3.2数据管理软件设计 数据管理功能只要包括对课程表、周表、作息时间表以及用户信息表数据的录入和 存储,查询和修改,登入用户身份判断等功能,采用vC++编成实现所有功能。Visual
C++

作为数据库开发的前端开发工具,凭借它对数据库应用的全面支持,以及访问速度快、

占用资源少等优势,而广泛应用于数据库应用程序的开发中。ViusalC++中包含了开发数 据库应用的全方位的支持,并提供了多种多样的访问技术ODBC、MFC
OLEDB和ADO等【341。 表6.5 VC++访问数据库方式比较
ODBC、DAO、

技术指标
访问费关系数据库

ODBC

DAo

oLE DB

ADO

不能 慢 差 能 复杂

不能



能 快 好 不能 简单

访问速度 访问稳定性
底层控制

一般 一般
不能 简单

快 好


代码繁简

一般

本系统选用了ADO作为程序对数据库的存取工具。ADO(ActiveX数据对象)是

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Microsoft开发数据库应用程序的面向对象的新接口,并试图用它取代DAO和
RDO(Remote
Data

Objects,远程数据对象),它提供了访问OLEDB的应用程序编程接口,

而且,它是基于COM接口的技术,使用这些技术可以直接对数据库的驱动程序进行访 问,大大提高了访问速度。
Visual

C++提供ActiveX控件或者用ADO对象两种方式开发应用程序。使用ActiveX

控件开发应用程序是开发ADO应用程序最简单的方法,它在应用程序中使用了Microsoft
ADO控件和Microsoft
Data

Grid控件,就像在应用程序中使用其他的控件一样,大大简

化了程序设计,甚至不必编写任何代码就能产生一个基本的ADO访问数据库的程序应
用。而使用ADO对象开发应用程序可以使程序开发者更容易地控制对数据库的访问, 提高效率,产生更加符合用户需求的数据库访问程序。 ADO对象结构类似于OLE DB,但并没有很强的对象层次,所有的对象都可以独立 的创建和使用。因此,大多数情况下,用户只需要创建并只使用需要处理的对象。
下面的几个常用对象类组成了ADO接口【36】:

Connection:用于表示与数据库的连接,以及处理一些命令和事务。 Command:用于处理传送给数据源的命令。
Recordset:用于处理数据的表格集,包括获取和修改数据。

Field:用于表示记录集中的列信息,包括列值和其他信息。 Parameto':用于对传送给数据源的命令之间来回传送数据。 Property:用与操作在ADO中使用的其他对象的详细属性。
Error:用于获得可能发生的错误的详细信息。

有关ADO原生对象具体的属性、方法和事件,ADO的程序员手册中会有详细的介
绍,这里不再赘述。 下面简单介绍一下本论文实现数据库应用程序的基本方法,详细实现代码见附录。

l、在VC中使用ADO,必须首先初始化ADO,引入ADO类型库,类似我们用#include
来引入函数库,本设计在stdafx.h头文件中用下面语句引入ADO类型库:
#import ”CAProgram Files\Common Files\System\adohmsadol 5.dU”no_namespace

rename(”EOF","adoEOF”)rename(,BOF","adoBOF’!)

2、通过Connection声明一个指向Connection对象m pConnection用来实现和数据

● ●●

源的连接:m_pConnection.Createlnstance(”ADODB.Connection”);///创建Connection对象 m_pConnection?>Open(”Provider=Microsoft.Jet.OLEDB.4.O;Data
61

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Source=testmdb“,…¨…,adModeUnknown);///连接数据库 3、通过Recordset声明定义Recordset对象mA)Recordset,读取数据库记录集,然后 通过Recordset对象实现对数据库表中记录数据的添加、删除操作:
mA)Recordset

Createlnstance(“ADODB Recordset”);

m-pRecordset->Open(”SELECT+FROM useB”,variant_t((IDispatch+)

theAppmA)Cormection,true),adOpenStatic,adLockOptimistic,adCmdTex0;,/i卖取数据库记
录集

通过Recordset对象mA’Recordset调用类成员函数实现数据的查找读取和添加修改:


oRecordset->PutCollect(…1:∥添加

mA)Recordset->GetCollect( 关闭数据库连接

1:∥读取,//,具体实现和参数要求见附录和说明文档

数据库操作结束后,关闭相应连接并释放对象: mA)Recordset?>CIose0; mjRecordset->Release();
mA)Connection一>Close(); mA’Connection->Release0;

软件通过vc++设计开发人机交互界面,直观可视化实现数据录入和查询显示、修
改编辑等。

图6 6系统数据库管理界面

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6 2

4节电控制功能模块设计 节电控制模块是以上面两个功能模块为基础,实现各种控制功能的模块,主要包括

手动控制、定时控制、自动控制以及参数设置等功能。 下面简单介绍一下个功能模块:
●手动控制

手动控制是本系统中最基本的控制方式,在实际应用中,主要用于节点教室的即时 单独控制,用柬处理一些突发事件,比如突然的天气变化导致光照变暗等。此外,手动 控制还用来进行系统的检测和试验,确定系统的控制命令的收发是否正常。


图6 7系统手动控制界面

?定时控制 系统定时控制,是种半自动控制方式,可以用于考试时期或者各种活动期间。管 理员选择需要控制的节点教室,然后选择所需要的操作,设定命令发送时间,然后运行 系统,系统就会根据设定时怕J,进行时间判断,当到达设定时I训时,系统就会向设定的
教室节点发送相应的控制命令,实现节电控制。

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图6 8系统定时控制界面

●自动控制

系统自动控制是本系统的创新点,自动控制子系统会显示当天的日期、周次、星期 以及准确时间。管理员运行系统,系统首先读取数据库中的控制依据数据,如当日的课 程表以及作息时间等,包括教室,节次,星期和周次,并显示在列表中,然后运行自动 控制系统。系统就会按照读取的控制依据信息进行自动控制,例如101室,第1周,星 期一,1,2节有课,那么系统运行后,就会根据这些信息,结合数据库中作息时间安排 表,进行时间比对,当时间到达第一节课上课时间前五分钟,系统就会发送相应的控制 命令进行控制,如开启节点教室的照明灯具,当时间到达下课后5分钟后,系统则发送 相应命令关闭教室灯具,并自动转为自习模式,从而实现节电控制。

围6.9系统自动控制界面

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6.3本章小结

本章主要介绍了智能节电控制软件系统的设计与实现,以及系统主要工作界面。首 先介绍了软件系统的功能分析、总体结构设计和模块划分,随后介绍了个功能模块的设 计和实现,包括非功能模块、通信模块、控制依据数据模块和节电控制模块。同时简单
介绍了软件的开发平台和关键函数。

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第七章系统调试与性能测试
对于系统的设计开发来说,系统调试、运行分析和性能测试是非常关键的一项内容, 它关系着整个系统是否能够正常使用以及使用条件和使用范围等。本章就基于短距离无 线通信技术的智能节电控制系统的调试以及调试过程中的问题解决和系统性能测试做详 细地阐述。 系统的调试是对系统设计工作的不断修正和改进的过程,是应用系统设计不可缺少 的一部分。在系统设计中由于各种主观因素的影响往往难以完全预测,实验开发板和模 块多少会出现一些硬件和软件的错误,因此难以立即正确实现预期的各种功能,这就需 要通过调试来发现错误并加以改正。 当整个基于短距离无线通信技术的智能节电控制系统的全部硬件和系统软件的设计 开发工作都完成以后,要对系统进行调试,调试的过程按照系统模块划分,采用层次化 的和单元化的方式。整个系统调试和测试包括智能终端的调试测试、无线通信模块的调 试测试、智能控制软件的调试测试以及系统集成的综合调试测试。现主要针对无线通信 模块、智能控制软件的调试测试和两者集成调试做一些研究。
7.1系统抗干扰注意事项

7.1.1无线通信模块PCB制作抗干扰

印制电路板(PCB板)的设计和制作直接关系到射频通信模块的性能,PCB分成射频 通信电路板和单片机控制电路板两部分,通过IDC 14双排插座连接。 ‘对于射频收发模块的电路PCB设计而言,电磁兼容性要求每个电路模块尽量不产生 电磁辐射,并且具有一定的抗电磁干扰能力,因此,元器件的布局直接影响到电路本身 的干扰及抗干扰能力,这也直接关系到所设计系统的性能,所以在进行射频收发模块电 路PCB设计时除了要考虑普通PCB设计时的布局外,主要还需考虑如何减小射频通信 电路中各部分之间的相互干扰,如何减小电路本身对其它电路的干扰以及电路本身的抗 干扰能力。同时,根据实际经验,对于射频通信电路通信效果的好坏不仅取决于射频收 发模块电路板本身的性能指标,还取决于与CPU处理板间的相互影响,因此,在进行
PCB设计时,合理布局显得尤为重要。

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下面讨论一下射频通信电路PCB板的布局: I、首先确定射频通信模块PCB板与控制单片机系统的接口在PCB板上的位置,必 须注意要使接口方便两模块的物理连接和系统总体封装的要求: 2、因为射频无线通信芯片nRF905体积较小,外围元器件相对简单,因此射频通信 模块的体积也不会很大,如图7 1,所以,PCB板设计时要充分考虑905芯片与外围元
器件的排列,以nP心905芯片为中心,确定出相应的位置;

3、认真分析电路结构,对电路进行分块处理,充分考虑通信模块天线的位置,本系
统采用单端连接的50xq阻抗天线:

4、根据单元电路在使用中对电磁兼容性敏感程度不同进行分组,对于电路中易受干 扰的部分的元器件在布局时还应尽量避开干扰源(比如单片机控制板上单片机的干扰
等1。

综上,为了实现最佳性能PCB板最少有两层,包括一个地网层。nRF905直流工作 电源应该尽可能靠近VDD引脚并用高质量RF电容滤波,最好在小电容旁并一个大的表 贴电容如4 7uF胆电容。nRF905工作电源应进行滤波处理并与任何数字电路的电源分离, PCB板避免使用长电源线,器件的所有地VDD和VDD的旁路电容必须尽量靠近riP-.F905 芯片。如果PCB板的地网层在上面,VSS引脚应该直接连接到地网层:如果PCB板的 地网层在下面最好的方法是在VSS引脚最近的地方打一过线孔,每个VSS引脚最少应
有一个过线孔。完全摆动的数字数据或控制信号不应靠近晶体和电源线。

实现元器件在PCB板上的合理布局后,布线也要充分考虑,对于射频通信模块的电 路,布线的走向、宽度、线间距的不合理设计,交叉干扰,另外,系统电源自身还存在 噪声干扰,所以在进行射频通信模块PCB板布线时一定要综合考虑,严格按照布线规则
合理布线。

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本系统的射频通信模块使用1 6mm厚度的FR.4双面板PCB板,板面设计的地网层 在底面,在板上项层元件的周围也有接地面以确保临近元件的充分接地,板的顶层接地 面通过很多过线孔与底面接地网连接,在天线下面没有接地网,PCB板如图7
2。

图7.1 nRF905通信模块PCB板

7 1

2软件抗干扰

尽管硬件设计和PCB制作中充分考虑了抗干扰因素,但是干扰很难完全消除,同时, 软件自身也需要抗干扰设计,因此,系统还需要软件抗干扰措旌: 本系统采用AT98S52白带的看门狗,进行抗干扰操作,其原理和功能是:在单片机 系统运行时,独立于CPU之外的看门狗通过检测单片机的状态信号,监视单片机的运行. 一旦发现CPU的运行不正常r如出现程序跑飞、死循环等情况1,它就会发出复位信号, 强制单片机系统重新启动。
AT89S52内部的看门狗包含一个14位计数器和看门狗定时复位寄存:器(WDTRST)。

将代码01EH和0ElH先后写入复位寄存器f地址为0A6H)激活看门狗功能,看门狗的14 位计数器便启动计数。在品振有效下,计数器每个机器周期将加1,当计数器计满(3FFFH) 溢出时,单片机的RST引脚上输出高电平脉冲,单片机系统复位重启,从0000H开始 重新执行程序。一旦看门狗被启动,除了硬件复位或看门狗溢出外,没有其他办法能使 其停止计数,因此,为避免看门狗计数器不必要的溢出,在看门狗运行期间,系统定时 复位看门狗。 2无线通信模块测试 在完成了系统原理图搭建、PCB板制作与元器件焊接后,就基本完成了基于nRF905 的无线通信模块的硬件制作,模块的硬件实物图如图7.3。



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图7 3无线通信模块实物图

无线通信模块控制软件源程序编写完后,在KEILVision2集成环境下进行编译,消 除各种语法和逻辑错误,然后进行编译、链接、定位,生成绝对目标文什“905
hex”,hex

文件是Intel和KEIL采用的结果输出目标文件格式,该格式程序可直接下载至雎片机内 部进行调试运行,实现系统所需的功能。 无线通信模块软硬件集成后,我们丌始进行各项功能调试和测试。
测试I:点对点无线通信 步骤:

1、选两块nRF905通信模块,上电,系统完成初始化: 2、按下其中一个通信模块上的LED控制按键,对应的LED灯将点亮,同时另外一 块通信模块上对应的红色LED灯也点亮,即表示数据传输成功; 此测试比较简单,实现无线通信模块的基本收发数据功能的测试。
测试2:串口通信测试 步骤:

1、将一块无线通信模块与计算机通过九芯串口电缆柏连,标记为l弓,取另外一块 无线通信模块,与l号实现无线通信,标已为2号。 2、在计算机上运行串口调试工具“串口调试助手”,用柬接收和显示无线数据。串口
设鼍设定为“9600,8,N,1一;

3、两无线通信模块E电,伽始化; 4、按2号无线通信模块上的按键,对应的LED灯将点亮,同时1号无线通信模块

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对应的按键指示LED点亮,同时将接收到的按键值数据通过串口发送到Pc,并 在串口调试助手上实时显示;

5、通过串口调试助手发送十六进制按键值OlH,1号模块对应按键的LED灯点亮, 同时2号模块对应按键LED指示灯点亮,实验完毕。 经过10次以上的测试】、测试2测试,无线通信模块和串口通信模块软硬件工作正
常,无线通信模块达到功能设计需求的要求,运行平稳。

图7 4串口调试助手v2



测试3:系统整体测试 步骤:

1、将一块无线通信模块与PC机通过9针串口线连接,作为主控端发射接收模块, 编号l号,安装于XX303西; 2、将另外三块无线通信模块分别与智能节电控制终端集成,并与试验显示灯板集 成,分别编号2,3,4号,分别安装到XX303东、XX304和XX403,模拟实际
应用环境和无线通信网络,进行系统测试;

3、运行智能节点控制软件,登入管理员模式,运行手动模式,进行控制操作,观察
记录数据: 4、运行定时模式,设定参数,运行系统 5、运行自动控制模式,读入数据库数据 观察已录数据; 进行全天自动运行,观察记录数据

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图7



XX303宴验系统原型



3试验分析
XX303西与主控节点相隔一面玻璃隔断,XX304与主控节点相隔一堵墙,XX403

在主控节点正楼上,相隔一层楼板。

试验中,直接点对点传送信息,XX303西、XX403与主控节点通信顺畅,基本没有
数据丢失,而XX304与主控节点通信,由于信号需要穿越玻璃隔板和墙体,所以通信不

是很稳定,存在数据丢失,经过试验测试,同一楼层,视线路径传输,可实现100m左 右通信距离;在非视线(受墙体、楼板等影响)路径下通信,可实现30m左右的通信距 离;楼层问通信,垂直距离内,靠近窗12附近,可实现5层楼(楼层高3m)通信传输, 随着信号穿越的墙体和楼板增多,无线通信模块在建筑物内的通信距离会越来越短,因
此,组织无线通信网络是必须的。

f司时,无线通信模块存在发送延迟和自动发送上一次发送操作的最后一条数据的问 题,经过问题分析发现,中继节点过人路由表会严重影响转发速度,并且nRF905在进 行收发模式转换时,会自动发送一条数据。 针对以上问题原因,我们将路由表进行压缩,同时选择效率较高的查找方法,在一 定程度上改进了模块转发速度,但nRF905 A动重发问题没有找到很好的解决方案,从 硬件上可通过硬件复位解决此问题,我们将复位键引出到模块壳上,每次发送前进行一 次人工复位,但这样操作较麻烦,对于设计应用也不切实际:于是,在软件上我们进行 修改尝试,每次发送前初始化nRF905,同时A动3次发送同数据,接收端进行同一数 据收到次数判断,判断是否接收数据,经试验,此方法在一定程度上可以解决问题,但

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无法达到满意效果。 综上所述,基于短距离无线通信技术的智能节电控制系统,整体结构设计正确,系 统采用的无线通信网络,经试验测试,可以较好的解决楼宇内无线通信受建筑物影响而 通信距离较短的不足,基本满足系统需求。同时,智能节电控制软件界面友好,操作简 单,软件运行稳定,试验原型系统软硬件搭建正确,通信距离和误码率基本达到系统设 计要求,但系统同时存在一定问题,如无线数据通信距离受环境等因素影响较大,中继 节点受路由节点表达小的影响使转发速率变慢,智能控制软件界面不够美观等问题,因 此,系统还需进一步测试,进行完善和改进。 7.4本章小结 本章主要介绍了系统整体功能和性能测试,包括测试方法和步骤以及试验分析。对 试验中出现的问题进行了简单的介绍分析,并提出对应的解决方法。根据试验测试可得 出结果:基于短距离无线通信技术的智能节点控制系统基本实现和满足设计需求的功能
和性能要求,但同时由于时间关系以及知识和相关技术的不足导致系统还存在比较多的

问题,还需进一步测试,完善和改进。

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第八章总结和展望

节能是国家发展经济的一项长远战略方针,而照明等用电设施是人们日常生活中不 可缺少的角色,随着我国发展和人们生活水平的提高,一栋栋智能大厦拔地而起,照明 等用电设备数量越来越庞大,用电量越来越高,但同时浪费现象也越来越严重。目前大 多数节电控制系统采用传统的基于控制电压或基于专人控制的节电控制方式,都存在着 严重弊端和诸多瓶颈,如对影响照明等设备的寿命和雇佣专人专门管理从而增加管理成 本等,同时,传统的建筑有线通信方式需要大量的布线施工、远程传输先天不足、系统 扩展升级有局限性,对陈旧房屋改造时较难实现等等,这些严重影响节电效果。对此, 本文积极响应国家建设节约社会、节约国家的要求,提出一种采用短距离无线通信技术 的智能节电控制系统,具体研究内容包括如下几部分: 1、比较现有短距离无线通信方式,确定本系统选用的方式; 2、实现智能节电系统的总体实现架构的设计; 3、实现无线通信模块软硬件实现的设计,搭建和硬件选型; 4、实现后端智能节电控制软件系统的设计与实现; 5、(智能节电终端的设计实现)宰; 6、系统集成调试与分析。 论文提出的基于nRF905射频短距离无线通信方式的智能节电控制系统的应用思路 和结构设计,从理论和原型系统试验上来说是可行的,然而,在实际应用中,还要解决 很多的问题。另外,本系统虽然能够实现无线数据的可靠传输,但要真正实用化和商品 化还要进行大量的试验测试和完善改进。总之,要想取得良好的节电效果还要做很多工
作。具体有以下几点:

1、对无线通信的安全性还需要进一步研究,确定一种有效的加密算法,以适用于更
广泛的领域;

2、对无线通信距离和无线通信网络的结构进行进一步的优化,以满足实际需要; 3、为实现产品化和实用化,还要进行无线通信抗干扰研究,进行大量试验测试; 4、相关的软件控制算法和结构也需要进行完善和改进。 总之,随着各种高科技技术的发展,如RFID、GIS技术等,可靠、实用、直观、操 作简单的智能节电控制系统必将很快应用于各种领域,节约能源,造福社会。

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附录
附录1

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图1.1 nRF905芯片结构框图
伐W∞,毗●”m’_%


圆圆圈圈图圈圈圈
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圆一

UP囡 一固 一团
叫习

圆晰 图一
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回一
回一

一固 团回回回回回回回 m W M∞●∞n _ M m
图1.2本系统采用的32L
QFN

回m

5x5衄封装的nRF905管脚分配

78

山东建筑大学硕士学位论文

表1.1 nRF905芯片管脚功能说明

管脚
l 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 王3 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 3l

名称
TRX—CE

P张一UP
uPCLK VDD VSS CD AM DR VSS MIS0 MOSI SCK CSN ZCl XC2 VSS VDD VSS VDD—PA ANTI ANT2 VSS IREF VSS VDD VSS VSS VSS VSS VSS OVl}O..1 V2

管脚功能 数字输入 数字输入 时钟输出
电源 电源

说明

使能芯片发射或接收
芯片上电

由晶体震荡器分频的输出时钟
电源+3V DC

数字输出 数字输出 数字输出
电源

地OV 载波检测 地址匹配 接收或发射数据完成 地OV SPI输出 SPI输入 SPI时钟 SPI使能 晶体震荡器1脚/外部时钟输入脚 晶体震荡器2脚 地OV
电源+3V 1)C

SPI接口 SPI接口 SPI时钟 ¥PI使能

模拟输入 模拟输出
电源 电源 电源

地Oy 给nRF905功率放大器提供的+1.8V电源 天线接口1 天线接口2 地OV 参考电流 地OV
电源+3V
DC

电源输出 射频输出 射频输出
电源

模拟输入
电源

电源 电源 电源
电源

地Oy 地OV 地OV 地OV 地0V de藕和的低压正数字电源输出
TX—EN一1

电源
电源

电源

32

TX—EN

数字输入

TX模式TX—B壮O RX模式

79

山东建筑大学硕士学位论文

表1.2 nRF905主要参数 参数 最低工作电压 最大发射功率 最大数据传输率(曼切斯特编码) 数值
1.9 10 lOO 11 12.5 -40to+85 .100 2.5

单位




输出功率为.10&时工作电流
接收模式时工作电流 温度范围 典型灵敏度 POWERDOwN模式时工作电流


mA mA


缸A



表1.3 nRF905配置寄存器内容
RF-Conf帔uration—ReRiste“R八D

字节撑


内容位【7l o】,MSB=BYr同
Bit[7s 01

初始化值
OllO

ll∞
0000



Bit[7:6]没用,AUTO

1LETRAN,S.X_旺D3Wlb

PA_r'嘲l:o]t

0000

HFREQ_PLL,ClI.-No【8】
2 3


Bit[T]没用,TX AFW[2:0],sit[3]没用,RX AFW[2:0] Bil【7:61没用,gX_rWR(5:01 sil【7:61没用,Tx3wM5:o]

0100 0010 OOlO E7 E7
E7 E7

01∞
0000 oooo

, 6


RX地址0字节 RX地址l字节 RX地址2字节
RX地址3字节




CRC一模式,
Ur_CLg_FREQ【t:01

CRC校验允许,XOF[2:0],

UP—CLK—EN,

lllO Olll

TX_PAYLOAD(R^V) 字节撑 h容位f7,01.MSB=Brr[71




初始化值
X X X X

TX PAYLOAD[7:0]



D:PA经OAD[15:S]

30
3l

TX PAYLOAD[247:240]

X X

TX_PAYLOAD[255:24S]

TX_ADDRESS(R/W)
字节撑


内容位【7:Ol?MSB=BIT[7]
TX_ADDRESS[7捌
TX ADDRESS[15:81

初始化德
E7




E7 E7 E7

rx_ADDRESS【23:16】 tX_ADDRESS【31:24)



RX PAYLO.&D(R)



字节≠f
O I

内容位【7:O】,MSB=BIT[?]
RX PAYLOAD[7:0]

韧始化值
X X X X

RX_PAYLOAD[15:S]

30
3l

RX PAYLoADf247:2401

X X

RX_PAYLOAD驻55二z4s]

山东建筑大学硕士学位论文

I STATUSREGISTER(R) I字节尊 内容位f7l o】,3ISB=BIT[7] I o AM。b/t[6]没用。DPo bit[4:0]没用 附录2 无线收发模块整体PCB

初始化值
E7

图2.1无线收发模块PCB

81

山东建筑大学硕士学位论文 附录3

智能控制软件主要类 回wserimort
豳wADODlg
2硒C/C++Header 2硒C/C++Header

固TimeDlg 豳TABDIg 豳StdAfx 固SetupDlg 固Eoomtab
洇rezotlree 旧property

2聆C/C++Header龟宴YtSeri alPort

6船c++Source
6 KB C++Source

2硒C/C++Header豳Wb山ODlg
3硒;c,c++Header

C臼TimeDlg


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