毕业设计（论文）基于NRF905的室内温湿度监控系统的设计与实现

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1、毕业设计(论文)材料 专业班级专业班级 通信工程 061 班 姓姓 名名 指导教师指导教师 所在学院所在学院 信息科技学院 2010 年年 5 月月 总总 目目 录录一、毕业设计(论文)二、指导老师评语表三、评阅人评阅表四、答辩记录表五、答辩委员会评语表 毕 业 设 计 (论 文) 题题 目目基于 NRF905 的室内温湿度监控系统的设计专专 业业 通信工程 班班 级级 姓姓 名名 指导教师指导教师 所在学院所在学院 信息科技学院 完成时间：2010 年 5 月 承 诺 书我谨此郑重承诺：本毕业设计（论文）是本人在指导老师指导下独立撰写完成的。凡涉及他人观点和材料，均依据著作规范作了注释。如有

2、抄袭或其它违反知识产权的情况，本人愿接受学校处分。 承诺人（签名）： 年 月 日基于基于 NRF905NRF905 的室内温湿度监控系统的设计的室内温湿度监控系统的设计与实现与实现信息科技学院通信工程专业 摘摘 要：要：本项目的目的是设计一个温湿度监控系统，实现用短信准确的控制节点进行温湿度检测，并将采集到的数据反馈到基站内。本文首先介绍无线通信技术的背景，提出了一种基于无线射频模块和温湿度传感器，实现无线控制温湿度数据采集系统的总体设计方案。其次，根据设计方案，比较和分析的不同公司各类芯片，实现由 STC 公司单片机芯片 STC89LE516RD、西门子公司 TC35i-GSM 模块、NOR

3、DIC 公司的 NRF905 模块，瑞士 Scnsirion 公司 sht11 温湿度传感器等组成的温湿度监控系统硬件平台。着重介绍 TC35i模块、NRF905 模块、单片机 STC89LE516RD 芯片、串口、电源等电路原理图。接着，给出该硬件平台上基站和节点的单片机程序流程图，利用单片机 C 语言实现基站和节点程序的设计。最后，给出了系统的实物图。该系统体积小、功耗低、电路简单，可以方便安装和实现实时监控。本系统在实际应用中具有一定的可行性，可以应用到工业、农业生产等很多领域，具有一定的应用价值。关键词：关键词：单片机、NRF905、TC35I、温湿度传感器The Design and

4、 Implementation of Indoor Wireless Temperature and Humidity Control System Based on NRF905 Zhuxubing, Major in Communication Engineering, College of Information Science and TechnologyAbstract: The aim of this project is to design a temperature and humidity monitoring system. In order to using SMS ac

5、curate control node detection, temperature and humidity and collected data feedback to the base station. This article first describes the background of wireless communication technology, propose a module based on radio frequency and temperature and humidity sensors, to achieve wireless control of te

6、mperature and humidity data acquisition system and the overall design. Secondly, according to the design, analysis and compare different kinds of chips of different companies. Carry out a temperature and humidity monitoring system hardware platform implementation by chip STC89LE516RD of STC company

7、microcontroller , Siemens TC35i-GSM module, the NRF905 module of NORDIC company,sht11 temperature and humidity sensor of the Swiss company Scnsirion. Focuses on the circuit schematic of TC35i module, NRF905 modules, monolithic STC89LE516RD chip, serial port, power . Next, give the flowchart of hardw

8、are platform base station and nodes of single-chip program. use of single-chip C language implementation process of base station and nodes. Finally, given the systems physical diagrams. This is a small volume, low power consumption system, simple circuit , you can easily install and implement real-t

9、ime monitoring. This system has certain possibilities that can be applied to industrial and agricultural production in practice , and so many areas, it has a certain application value. Keywords: GSM；STC89LE516；NRF905；temperature and humidity sensors目 录1 绪 论 .11.1 引言 .11.2 无线通信技术的论述 .21.3 论文的研究内容 .41

10、.4 论文的工作 .52 基础理论知识介绍 .52.1 GSM 技术介绍.52.2 3G 技术介绍 .62.3 WLAN（无线局域网技术）技术介绍 .62.4 无线射频技术介绍 .72.5 WiMax（全球微波互联接入）技术.73 系统的硬件设计 .83.1 系统硬件设计思路 .83.1.1 基站设计 .83.1.2 节点设计 .93.2 硬件选型 .103.3 基站电路硬件设计 .113.3.1 单片机 STC89LE516 结构概述及外围电路设计.113.3.2 西门子 TC35i 模块介绍及外围电路设计.123.3.3NRF905 模块介绍以及外围电路设计.133.3.4 串口电路 .1

11、53.3.4.1 串行通信概述 .153.3.4.2 串行通信接口 RS-232.163.3.4.3 串口通信电路设计 .173.3.5 电源电路 .183.3.6 基站电路硬件总图 .203.4 节点电路硬件设计 .203.4.1 STC89LE516 外围电路设计.203.4.2 SHT11 模块介绍以及外围电路设计.213.4.3 电源模块设计 .223.4.4 节点硬件总图 .234 系统软件设计 .244.1 节点程序流程 .244.2 基站程序流程 .254.3NRF905 数据发送流程图.264.4NRF905 数据接收流程图.274.5SHT11 数据采集流程图.285 系统整

12、体调试 .305.1 系统实物图 .305.2 温湿度结果图 .306 结束语 .32致 谢 .33参考文献 .3411 绪 论1.1 引言今天，我们已经真正进入一个无线技术无所不在的时代。在家中，使用便利的无绳电话；出门在外，使用手机和远方的亲人通话，发短信；开车，GPS 系统为我们导航指路；工作，使用无线网卡可以随时随地进行网上办公，等等。在信息和知识已成为社会和经济发展的战略资源和基本要素的时代中，人们更加需要随时随地获取信息，原来点对点的固定电话通信方式已远不能满足需求了。人类需要宽带的无线通信技术，来满足多媒体化、普及化、多样化、全球化和个性化的信息交流。无线技术给人们带来的影响是无

13、可争议的。如今每一天大约有 15 万人成为新的无线用户，全球范围内的无线用户数量目前已经超过 2 亿。这些人包括大学教授、仓库管理员、护士、商店负责人、办公室经理和卡车司机。他们使用无线技术的方式和他们自身的工作一样都在不断地更新。随着无线通信技术的进步，无线通信和无线网络将迅速地向我们日常生活中的各个方面扩展。嵌入式的无线通信和无线网络正在向我们走来，以无线片上系统为核心的低功耗、小体积、低价格嵌入式无线通信和无线网络系统近年来得到了迅速地发展，已经产生出无数的新应用和新市场。在工农业生产和日常生活中，为保证各项工作在某恒定的温度和湿度范围内安全进行，对温湿度的测量及控制具有极其重要的意义。

14、比如电力、电信设备及各类运输工具组件的过热故障预知监控，空调系统的温湿度监控，医疗与健诊的温湿度监控，化工、机械、温室、大棚等设备温湿度监控等。对这些场合的温湿度监控，如果采用人工方式，不仅耗费大量的人力、物力，而且实时性差，准确度低，特别在一些存在热源的生产基地，在短时间内温湿度可能发生剧烈的变化，无法采用人工进行准确测量和管理，否则可能造成重大事故。如果采用有线传输方式将传感器与主控机相连必然使系统布线复杂、成本增加、故障率高且难以维修，而价格低廉、体积小、功耗低、性能稳定、传输距离长的无线通信芯片的出现，使无线温湿度监测成为可能1。在这种环境下，进一步研究无线技术，显然是很有意义的。这次

15、我要设计的主要内容利用无线传输模块短信控制系统。在这次设计的硬件过程中，主要以模块为中心设计的。21.2 无线通信技术的论述通信技术和通信产业20世纪80年代以来发展最快的领域之一。不论是在国际还是在国内都是如此。这是人类进入信息社会的重要标志之一。通信就是互通信息。从这个意义上来说，通信在远古的时代就已存在。人之间的对话是通信，用手势表达情绪也可算是通信。以后用烽火传递战事情况是通信，快马与驿站传送文件当然也可是通信。现代的通信一般是指电信，国际上称为远程通信2。1897年，马克尼使用800Khz中波信号进行了从英国至北美纽芬兰的，世界上第一次横跨大西洋的无线电报的通信试验，开创了人类无线通

16、信的新纪元。在无线通信初期，受技术条件的限制，人们大量使用长波及中波进行通信。20世纪20年代初人们发现的短波通信，20世纪60年代卫星通信兴起前，他一直是远程国际通信的重要手段，并且目前对应急通信和军用通信依然有一定实用价值。20世纪40年代到50年代产生了传输频带较宽、性能较稳定的微波通信，成为长距离大容量地面干线无线传输的重要手段。模拟调频传输容量高达2700路，亦可同时传输高质量彩色电视信号；尔号逐步进入中容量至大容量数字微波传输。80年代中期以来，随着频率选择性色散衰落对数字微波传输中断影响的发现及一系列自适应衰落对抗技术与高状态调制与检测技术的发展，使数字微波传输产生了一个革命性变

17、化。特别应该指出的是20世纪80年代到90年代发展起来的一整套高速多状态自适应编码调制解调技术与信息号处理及信号检测技术，对现今卫星通信、移动通信、全数字hdtv传输、通用高速有线/无线接入，乃至高质量磁性记录等诸多领域的信号设计与信号处理及应用，发挥了重要作用。随着国民经济和社会发展的信息化，人们要通信息化开创新的工作方式、管理方式、商贸方式、金融方式、思想交流方式、文化教育方式、医疗保健方式以及消费与生活方式。无线通信也从固定方式发展为移动方式，移动通信发展至今大约经历了五个阶段：第一阶段为 20 年代初至 50 年代初，主要用于舰船及军有，采用短波频及电子管技术，至该阶段末期才出现 15

18、0MHZ VHF 单工汽车公用移动电话系统 MTS。第二阶段为 50 年代到 60 年代， 此时频段扩展至 UHF450MHZ，器件技术已向半导体过渡，大都为移动环境中的专用系统，并解决了移动电话与公用电话网的接续问题。第三阶段为 70 年代初至 80 年代初频段扩展至 800MHZ，美国 Bell 研究所提出了蜂窝系统概念并于 70 年代末进行了 AMPS 试验。3第四阶段为 80 年代初至 90 年代中，为第二代数字移动通信兴起与大发展阶段，并逐步向个人通信业务方向迈进；此时出现了 D- AMPS、TACS、ETACS、GSM/DCS、cdmaone、PDC、PHS、DECT、PACS、P

19、CS 等各类系统与业务运行。第五阶段为 90 年代中至今，随着数据通信与多媒体业务需求的发展，适应移动数据、移动计算及移动多媒体运作需要的第三代移。移动通信开始兴起，其全球标准化及相应融合工作与样机研制和现场试验工作在快速推进，包括从第二代至第三代移动通信的平滑过渡问题在内。当前，中国是世界各国通信技术运营商和设备制造商关注的焦点，大家都希望在中国的市场上占有自己的发展空间和市场份额。移动通信在中国发展十分迅速，中国移动通信的走向一直为世人所瞩目。1987 年 11 月，我国广东正式开通了第一个 tacs 制式模拟蜂窝移动通信系统，实现了移动电话用户“零”的突破。1994 年底，广东又首先开通

20、了 GSM 数字蜂窝移动通信系统，至 1995 年，全国已 15 个省、市也相继开通了 GSM 移动通信网。迄今为止，全国各省、自治区、直辖市面上都建设了 GSM 网，实现了国内和国际的全自动温游。目前我国正在积极准备在 21 世纪初期开展第三代移动通信的商用试验。从 1987 年至今，我国移动电话用户数的增长很快，尤其是 GSM 网更是以人们始料不及的速度在迅猛发展。这主要是因为 GSM 系统在技术和经济方面均比 tacs 系统有较大的优势，更重要的是我国在 GSM 运营领域引入了竞争机制，促进了 GSM 网的发展。我国的移动通信用户已超过了 8000 万，位居世界第二。截止 2008 年六

21、月，中国市场上的 GSM 手机用户已突破 5.425 亿户，目前仍在以每月 850 多万的新增用户不断增长，目前 GSM 网络的覆盖范围已遍及全国各地村镇。近 20 年来，我国在移动通信领域的科研、设备生产等方面也取得了可喜的进步。国产移动通信设备交换系统、基站和手机等都已经投入应用，第三代移动通信系统的开发和研究也正与世界同步。可见，中国无线通信在运营业与制造业上已取得了第一阶段的成功。无线通信技术的研究历史并不长，但发展非常迅速，相比于有线网络系统有着不可比拟的优势。同时，无线通信技术在商业，军事，科研等方面的应用上也是越来越广，越来越受到重视。虽然如此，但是无线通信技术仍然有巨大的发展和

22、应用空间，未来的用户也能通过这个技术对无线网络服务提出更高的要求，实现更多的业务。41.3 论文的研究内容本毕业设计主要是熟悉西门子公司的 GSM 模块 TC35i 系列，STC89LE516 单片机，NRF905 模块、sht11 温湿度传感器、电容、电阻、发光二极管等一些电路元件；掌握Protel99 开发软件的运用，在该软件下熟练的运用完成各种电路原理图和 PCB 图设计的要求；学会运用各方面知识，设计室内无线温湿度监控系统。这次设计的系统网络原理框图如下图 1.1 所示：P PC C机机基基站站串串口口手机终端GSM网络节节点点节节点点节节点点：基基站站：节节点点图 1.1 系统原理框

23、图本系统包括一个基站和多个节点。节点主要通过温湿度传感器进行温湿度数据的采集，并将采集的数据通过低功耗的射频收发模块发送给基站。基站主要通过低功耗的射频收发模块与节点通信，接收来自各个节点采集的温湿度数据包，通过手机模块与用户手机短信通信，通过串口与 PC 机的通信。系统原理框图如图 1 所示，首先，各个节点通过温湿度传感进行温湿度数据的采集，并将采集的数据包配置上基站的地址，当信道空闲时将数据包发送给基站。其次，基站通过低功耗的射频收发模块接收来自各个节点的数据。基站接收到数据包后，对数据包进行分析和处理。最后，基站将所有节点接收到的温湿度数据汇总，通过手机模块以短信的方式发送给用户或者通过

24、串口将数据传输给上位机。51.4 论文的工作本次设计是基于无线传输模块，GSM 模块，温湿度传感器的室内温湿度监控系统设计，首先是根据设计要求画出设计电路框图，然后根据框图选者芯片类型，再根据芯片的性能，芯片的市场价格以及操作问题选者具体的芯片，之后根据选者好的芯片对各个芯片进行解说以及和各个模块的连接方法，最后将各个模块电路组合成一张完整的基站电路和节点电路，电路完成后要进行电路的芯片的测试，必须设计几个程序，然后进行调试工作。最后编写基站总程序和节点程序，完成整体的调试。62 基础理论知识介绍2.1 GSM 技术介绍GSM 全名为：Global System for Mobile Comm

25、unications，中文为全球移动通讯系统，俗称全球通，是一种起源于欧洲的移动通信技术标准，是第二代移动通信技术，其开发目的是让全球各地可以共同使用一个移动电话网络标准，让用户使用一部手机就能行遍全球。我国于 20 世纪 90 年代初引进采用此项技术标准，此前一直是采用蜂窝模拟移动技术，即第一代 GSM 技术（2001 年 12 月 31 日我国关闭了模拟移动网络） 。目前，中国移动、中国联通各拥有一个 GSM 网，为世界最大的移动通信网络。GSM 系统包括 GSM 900：900MHz、GSM1800：1800MHz 及 GSM1900：1900MHz 等几个频段3。GSM（全球移动通信系

26、统）是一种广泛应用于欧洲及世界其他地方的数字移动电话系统。GSM 使用的是时分多址的变体，并且它是目前三种数字无线电话技术（TDMA、GSM 和 CDMA）中使用最为广泛的一种。 GSM 将资料数字化，并将数据进行压缩，然后与其它的两个用户数据流一起从信道发送出去，另外的两个用户数据流都有各自的时隙。GSM 实际上是欧洲的无线电话标准，据 GSM Mou 联合委员会报道，GSM 在全球有 12 亿的用户，并且用户遍布 120 多个国家。因为许多 GSM 网络操作员与其他国外操作员有漫游协议，因此当用户到其他国家之后，仍然可以继续使用他们的移动电话。GSM 系统有几项重要特点：防盗拷能力佳、网络

27、容量大、手机号码资源丰富、通话清晰、稳定性强不易受干扰、信息灵敏、通话死角少、手机耗电量低。目前世界上主要的两大 GSM 系统为 GSM 900 及 GSM1800，由于采用了不同频率，因此适用的手机也不尽相同。前者发展的时间较早，使用的国家较多，后者发展的时间较晚，使用的国家也较少。物理特性方面，前者频谱较低，波长较长，穿透力较差，但传送的距离较远，而手机发射功率较强，耗电量较大，因此待机时间较短；而后者的频谱较高，波长较短，穿透力佳，但传送的距离短，其手机的发射功率较小，待机时间则相应地较长。 GSM 及其他技术是无线移动通信的演进，无线移动通信包括高速电路交换数据、通用无线分组系统、基于

28、 GSM网络的数据增强型移动通信技术以及通用移动通信服务。72.2 3G 技术介绍“3G” （英语 3rd-generation）或“三代”是第三代移动通信技术的简称，是指支持高速数据传输的蜂窝移动通讯技术。3G 服务能够同时传送声音(通话)及数据信息(电子邮件、即时通信等)。代表特征是提供高速数据业务。 相对第一代模拟制式手机(1G)和第二代GSM、CDMA 等数字手机 (2G)，第三代手机（3G）一般地讲，是指将无线通信与国际互联网等多媒体通信结合的新一代移动通信系统。3G 与 2G 的主要区别是在传输声音和数据的速度上的提升，它能够在全球范围内更好地实现无线漫游，并处理图像、音乐、视频流

29、等多种媒体形式，提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务，同时也要考虑与已有第二代系统的良好兼容性。为了提供这种服务，无线网络必须能够支持不同的数据传输速度，也就是说在室内、室外和行车的环境中能够分别支持至少 2Mbps(兆比特/每秒)、384kbps(千比特/每秒)以及 144kbps 的传输速度（此数值根据网络环境会发生变化)。2.3 WLAN（无线局域网技术）技术介绍无线局域网络(Wireless Local Area Networks； WLAN)是相当便利的数据传输系统，它利用射频(Radio Frequency； RF)的技术，取代旧式碍手碍脚的双绞铜线(Coaxial)

30、所构成的局域网络，使得无线局域网络能利用简单的存取架构让用户透过它，达到信息随身化、便利走天下的理想境界。无线局域网技术 WLAN（WiFi） ，其技术标准为 802.11，可实现十几兆至几十兆的无线接入。我国目前发展的主要是 802.11b 标准的 WLAN 网络，支持 11Mbps 的无线接入。作为近年来的一项新技术，WLAN 在欧美等国快速发展，在我国近两年也得到了几大运营商的追捧。2.4 无线射频技术介绍无线射频译自英文 Radio Frequency Identification，简称为 RFID，是 20 世纪 90 年代兴起的一种非接触式的自动识别技术。射频技术（RFID） 相对

31、于传统的磁卡及 IC 卡技术具有非接触、阅读速度快、无磨损等特点。无线射频技术在阅读器和射频卡之间进行非接触双向数据传输，以达到目标识别和数8据交换的目的。阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信号，当射频卡进入发射天线工作区域时产生感应电流，射频卡获得能量被激活；射频卡将自身编码等信息通过卡内置发送天线发送出去；系统接收天线接收到从射频卡发送来的载波信号，经天线调节器传送到阅读器，阅读器对接收的信号进行解调和解码然后送到后台主系统进行相关处理；主系统根据逻辑运算判断该卡的合法性，针对不同的设定做出相应的处理和控制，发出指令信号控制执行机构动作。与传统的条型码、磁卡及 IC 卡相比，射频卡具有非

32、接触、阅读速度快、无磨损、不受环境影响、寿命长、便于使用的特点和具有防冲突功能，能同时处理多张卡片。在国外，射频识别技术已被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域。目前生产射频技术 RFID 产品的很多公司都采用自己的标准，国际上还没有统一的标准。目前，可供射频卡使用的几种射频技术标准有 ISO10536、 ISO14443、ISO15693 和ISO18OOO。应用最多的是 ISO14443 和 ISO15693，这两个标准都由物理特性、射频功率和信号接口、初始化和反碰撞以及传输协议四部分组成。2.5 WiMax（全球微波互联接入）技术WiMAX 全称为 Worldwi

33、de Interoperability for Microwave Access,即全球微波互联接入。WiMAX 的另一个名字是 802.16。WiMAX 是一项新兴的宽带无线接入技术，能提供面向互联网的高速连接，数据传输距离最远可达 50km。WiMAX 还具有 QoS 保障、传输速率高、业务丰富多样等优点。WiMAX 的技术起点较高，采用了代表未来通信技术发展方向的 OFDM/OFDMA、AAS、MIMO 等先进技术，随着技术标准的发展，WiMAX 逐步实现宽带业务的移动化，而 3G 则实现移动业务的宽带化，两种网络的融合程度会越来越高。WiMAX 是一种广域网(WAN)技术。 服务供应商

34、部署一个网络的塔，这启用访问过许多英里。 互联网连接后内的任何地方可立即使用覆盖区域。93 系统的硬件设计3.1 系统硬件设计思路根据图 3.1 的系统原理框图，这个系统主要包含两大模块：基站和节点。节点模块主要通过温湿度传感器进行温湿度数据的采集，并将采集的数据通过低功耗的射频收发模块发送给基站。基站模块主要通过低功耗的射频收发模块与节点通信，接收来自各个节点采集的温湿度数据包，通过手机模块与用户手机短信通信，通过串口与 PC 机的通信。下面对这两个模块作详细的介绍：P PC C机机基基站站串串口口手机终端GSM网络节节点点节节点点节节点点：基基站站：节节点点图 3.1 系统原理框图3.1.

35、1 基站设计基站是整个系统的核心模块。主要功能是是实现与用户短信通信，与节点通信，与上位机的通信，是系统数据的处理中心。10单单片片机机G GS SM M模模块块串串口口无无线线射射频频模模块块手手机机上上位位机机图 3.2 基站原理框图基站的原理框图如图 3.2 所示。图中可知，基站主要有单片机，GSM 模块，无线射频模块，串口 3 个部分组成。GSM 模块是典型的 GSM 终端，通过单片机的 AT 指令控制可直接与手机用户进行短信通信。无线射频模块是近距离通信模块，通过单片机的控制与其他节点通信。串口是基站与上位机的通信接口，接收上位机数据或把各种数据发送到上位机，以便做进一步的处理。单片

36、机是系统的 CPU，完成系统初始化，GSM 模块的短信收发控制，无线射频模块的数据收发控制。3.1.2 节点设计节点主要是进行温湿度数据的采集。其功能是通过温湿度传感器进行温湿度信息的采集，再通过无线传输模块将采集进来的温湿度信息发送给基站。无无线线射射频频模模块块单单片片机机温温湿湿度度传传感感器器图 3.3 节点原理框图节点原理框图如图 3.3 所示。从图可知，节点主要有单片机，无线射频模块，温湿度传感器 3 个部分组成。无线射频模块和基站一样，是近距离通信模块，主要是通过单片机的控制完成接收基站命令包和反馈采集的温湿度数据包发送给基站。温湿度传感器能对节点周围的环境进行高精度的温湿度测量

37、。单片机是系统的 CPU，主要完成系统上电初始化，通过无线射频模块接收到数据并进行译码，如果接收到的数据为控制指令，单片机则根据控制指令进行温湿度的测量，测量完成后再通过无线射频模块发送温湿度数据包给基站。113.2 硬件选型目前市场上GSM模块种类比较多，西门子的TC35系列模块性价比很高，操作简单，并且已经有国内的无线电设备入网证。因此本项目的GSM模块选用西门子TC35i。无线数据传输模块市场上也是比较多的，其中NRF905配置简单，并且功耗低，传输距离相对较远，所以无线射频传输模块采用基于NRF905的无线射频模块。由于STC89LE516单片机芯片1280字节的RAM数据存储器，63

38、K字节的Flash程序存储器，存储器容量大，操作简单，可通过串口直接擦写程序等优点，因此单片机芯片选用STC89LE516RD。由于温湿度传感器SHT11 集温度传感器和湿度传感器于一体，采用SHT11 进行温湿度实时监测的系统具有精度高、成本低、体积小、接口简单等优点；另外SHT11 芯片内部。集成了14 位AD 转换器，且采用数字信号输出，抗干扰能力也比同类芯片高，因此温湿度传感器采用sht11芯片。系统硬件原理框图如下：基站硬件原理框图单单片片机机STC89LE516RDT TC C3 35 5i i模模块块串串口口N NR RF F9 90 05 5模模块块手手机机上上位位机机图 3.

39、4 基站硬件原理框图节点硬件原理框图N NR RF F9 90 05 5模模块块单单片片机机S ST TC C8 89 9L LE E5 51 16 6R RD DS SH HT T1 11 1芯芯片片图 3.5 节点硬件原理框图123.3 基站电路硬件设计3.3.1 单片机 STC89LE516 结构概述及外围电路设计STC89LE516 是具有带 ISP 功能的 Flash EPROM 的低功耗微控制器。ISP 功能的 Flash EPROM 可用于固件升级。它的指令集同标准的 8051 指令集完全兼容。STC89LE516 包含64K 字节的 FLASH 存储器；1280 字节片内 RA

40、M；4 个 8 位双向、可位寻址的 I/O 口；一个附加的 4 位 I/O 口 P4；3 个 16 位定时/计数器及一个串行口。为了方便用户进行编程和验证，STC89LE516 内含的存储器允许电编程和电读写，通过串口进行烧写程序。这次设计主要选用 STC LE516 作为控制器，用来对 GSM 模块数据的输出与输入和控制 NRF905 模块。其外围电路如下图 3.6。图 3.6 单片机 STC89LE516 外围电路STC89LE516 由 40 个引脚组成，本次设计中有 1 个引脚接地，1 个引脚接 3.3V 电压，RXD 和 TXD 分别与 GSM 模块 TC35i 的 RXD 和 TX

41、D 直接相连用来数据的输出与输入，P0 口接 8 个 LED 用来显示控制的状态，P2 口用来接外接按键，引脚 9、18、19 外接电容、晶振、电阻、按键共同构成了单片机最小系统。133.3.2 西门子 TC35i 模块介绍及外围电路设计 目前，国内已经开始使用的 GSM 模块有很多，而且这些模块的功能、用法差别不大。本设计采用的是西门子 TC35 系列的 TC35i。TC35i 模块主要由 GSM 基带处理器、GSM 射频模块、供电模块（ASIC） 、闪存、ZIF 连接器、天线接口六部分组成。通过 ZIF 连接器与单片机实现电路接口，通过该接口读取或发送 TC35i 模块中的数据，将是 TC

42、35i 模块的应用核心4。TC35i 的主要特性与技术指标包括以下几点：(1)频带：双频 EGSM900 和 GSM1800( GSM Phone 2 + )；(2)支持数据、语音、短消息和传真；(3)高集成度(54.5mm36mm6.85mm)；(4)重量：18g；(5)电源电压：单一电压 3.35.5V；(6)波特率：可选波特率 300bps115kbps,自动波特率 4.8115kbps；(7)电流消耗：空闲模式小于 3.5mA,语音模式平均 300mA,峰值 2.3A ,掉电模式（Power down) 100A；(8)温度范围:正常操作-20+55,存放-30+85；(9)SIM 电

43、压：3V/1.8V；TC35i 共有 40 个引脚,通过一个 ZIF( Zero Insertion Force) 连接器引出7。这 40 个引脚可以划分为 5 类，即电源、数据输入/输出、SIM 卡、音频接口和控制。第 114 脚为电源部分，其中 15 为电源电压输入端 VCC+，610 为电源地 GND,11、12 充电引脚 , 13 对外输出电压(供外电路使用)，14 为 ACCU-TEMP 接负温度系数的热敏电阻；2429 为 SIM卡引脚，分别为 CCIN、CCRST、CCIO、CCCLK、CCVCC 和 CCGND；3340 为语音接口用来接电话手柄；15、30、31 和 32 脚

44、为控制部分，15 为点火线 IGT(Ignition)，当TC35i 通电后必须给 IGT 一个大于 100ms 低电平，模块才启动，30 为 RTC backup，31 为Power down，32 为 SYNC；1623 位数据输入/输出分别为DSR0、RING0、RxD0、TxD0、CTS0、RTS0、DTR0 和 DCD0。TC35i 外围电路见图 3.7。14图 3.7 TC35i 外围电路TC35i 的 18 脚 RXD 和单片机的 RXD 第 10 脚连接，TC35i 的 19 脚 TXD 和单片机的TXD 第 11 脚连接，进行数据输入/输出。TC35i 的启动端第 15 引脚

45、连接按键，上电后可以给一个低电平信号 TC35i 就会登陆 GSM 网络，登陆成功通过 32 引脚连接着的 LED 可以查看，如果登陆成功 D1 LED 就会闪烁5。TC35i 的 15 接电源 4.4V，610 接地。TC35i使用外接式 SIM 卡, 2429 为 SIM 卡引脚，SIM 卡同 TC35i 是这样连接的：SIM 上的C_IO、C_CLK、C_RST、GND 和 C_VCC 通过 SIM 卡阅读器与 TC35i 的同名端直接相连。TC35i 上的 CCIN 与 CCVCC 相连，这种连接方式是由 SIM 卡阅读器决定的。ZIF 连接座的 CCIN 引脚用来检测 SIM 卡是否

46、插好，如果连接正确，则 CCIN 引脚输出高电平，否则为低电平。3.3.3NRF905 模块介绍以及外围电路设计NRF905 模块如图 3.8 所示。15图 3.8 NRF905 模块NRF905 模块主要是由 32 管脚的 NRF905 芯片，在外部接无线射频线路，以及系统晶振和信号输出排针引脚组成，NRF905 工作在 433/868/915Mhz 的 ISM 频段。NRF905 芯片由一个完全集成的频率调制器，一个解调器的接收器，一个功率放大器，一个晶体振荡器和一个调节器组成。NRF905 有 4 种工作方式：1） 、典型 ShockBurst TX 模式 2） 、典型ShockBurs

47、t RX 模式 3） 、掉电模式 4） 、STANDBY 模式。因为芯片工作电压在 1.9V-3.6V，因此系统中采用 3.3V 的电压供电。NRF905 在基站电路中的运用主要是通过采用针插的方式。本身 NRF905 芯片是 32 管脚，但是实际需要的只有 14 管脚，所以在考虑到整体电路的方便性和实用性，在实际电路中结合 NRF905 模块各个脚功能只需设计成 14 管脚的插口。NRF905 外围扩展电路图如3.9 所示。NRF905 模块的工作电压采用 3.3V 供电，该模块可分为三种接口：模式控制接口、SPI 接口、状态输出接口。模式控制接口由 PWR 、TRX_CE、TX_EN 组成

48、控制由NRF905 组成的高频头的四种工作模式：掉电和 SPI 编程模式；待机和 SPI 编程模式；发射模式；接收模式。SPI 接口由 CSN、SCK、MOSI 以及 MISO 组成。在配置模式下单片机通过 SPI 接口配置高频头的工作参数；在发射/接收模式下单片机 SPI 接口发送和接收数据。状态输出接口为：提供载波检测输出 CD，地址匹配输出 AM，数据就绪输出 DR。16图 3.9 NRF905 电路3.3.4 串口电路3.3.4.1 串行通信概述数据通信的基本方式可分为并行通信与串行通信两种：并行通信：是指利用多条数据传输线将一个数据的各位同时传送。特点：传输速度快，适用于短距离通信。

49、串行通信：是指利用一条传输线将数据一位位地顺序传送。特点：通信线路简单利用电话或电话线路就可以实现通信，降低成本，适用于远距离通信，但传输速度慢。串行通信方式串行通信：分为同步通信（SYNC）与异步通信（ASYNC）两种方式。（1）异步通信及其协议异步通信以一个字符为传输单位，通信中两个字符间的时间间隔是不固定的，然而在同一个字符中的两个相邻代码间的时间间隔是固定的。通信协议（通信规则）：是通信双方约定的一些规则。（2）同步串行通信及其规程同步通信以一帧为传输单位，每个帧中包含有多个字符。在通信过程中，每个字符间的时间间隔是相等的，而且每个字符中各相邻代码间的时间间隔也是固定的。（3）数据传送

50、方式根据数据传送方向的不同有以下三种方式如图 3.10 所示：17 （a）单工方式 （b）半双工方式 （c）全双工方式图 3.10 串口数据传输方式 单工方式：只允许数据按照一个固定的方向传送，即一方只能作为发送站，另一方只能作为接收站。 半双工方式：数据能从 A 站传送到 B 站，也能从 B 站传送到 A 站，但是不能同时在两个方向上传送，每次只能有一个站发送，另一个站接收。通信双方可以轮流地进行发送和接收。 全双工方式：允许通信双方同时进行发送和接收。这时，A 站在发送的同时也可以接收，B 站亦同。全双工方式相当于把两个方向相反的单工方式组合在一起，因此它需要两条传输线。3.3.4.2 串

51、行通信接口 RS-232（1）RS-232C 标准介绍RS-232 是由美国电子工业协会（EIA）正式公布的，在异步串行通信中应用最广泛的标准总线。RS-232C 标准（协议）的全称是 EIA-RS-232C 标准，其中 EIA(Electronic Industry Association)代表美国电子工业协会，其中 RS 是 Recommended Standard 的缩写，代表推赠标准，232 是标识符，C 代表 RS-232 的最新一次修改（1969 年） ，在这之前，有过 RS-232A、RS-232B 标准，它规定连接电缆和机械、电气特性、信号功能及传送过程。现在，计算机上的串行通

52、信端口（RS-232）是标准配置端口，已经得到广泛应用，计算机上一般都有 12 个标准 RS-232C 串口，即通道 COM1 和 COM2。（2）RS-232C 电气特性EIA-RS-232C 对电器特性、逻辑电平和各种信号线功能都作了明确规定。在 TXD 和 RXD 引脚上电平定义：逻辑 1(MARK) -3V-15V；逻辑 0(SPACE)+3+15V在 RTS、CTS、DSR、DTR 和 DCD 等控制线上电平定义：信号有效（接通，ON 状态，正电压）+3V+15V；信号无效（断开，OFF 状态，18负电压)=-3V-15V以上规定说明了 RS-232C 标准对逻辑电平的定义。对于数据

53、（信息码）：逻辑“1”的传输的电平为-3V-15V，逻辑“0”传输的电平为+3V+15V；对于控制信号；接通状态（ON）即信号有效的电平为+3V+15V，断开状态(OFF)即信号无效的电平为-3V-15V，也就是当传输电平的绝对值大于 3V 时，电路可以有效地检查出来；而介于-3+3V之间的电压即处于模糊区电位，此部分电压将使得计算机无法准确判断传输信号的意义，可能会得到 0，也可能会得到 1，如此得到的结果是不可信的，在通信时候体现的是会出现大量误码，造成通信失败19。因此，实际工作时，应保证传输的电平在(315)V 之间。 （3）RS-232C 机械连接器及引脚定义目前，大部分计算机的 R

54、S-232C 通信接口都使用了 DB9 连接器，本设计就是采用DB9 连接器，下表 3.1 来介绍 DB9 和输出接口的引脚定义。表 3.1 DB9 和输出接口的引脚定义9 针 RS-232 串口（DB9）引脚简写功能说明1CD载波侦测（Carrier detect）2RXD接收数据（Receive）3TXD发送数据（Transmit）4DTR数据终端准备（Data Terminal Ready）5GND地线（Ground）6DSR数据准备好（Data Set Ready）7RTS请求发送（Request To Send）8CTS清除发送（Clear To Send）9RI振铃指示（Ring

55、Indicator）3.3.4.3 串口通信电路设计RS-232C 规定的逻辑电平与一般微处理器、单片机的逻辑电平是不同的，例如：RS-232 的逻辑“1”是以-3-15V 来表示的，而单片机的逻辑“1”是以+5V 来表示的，两者完全不同。因此，单片机系统要和电脑的 RS-232 接口进行通信，就必须把单片机的信号电平（TTL 电平）转换成计算机的 RS-232C 电平，或者把计算机的 RS-232C 电平转换成单片机的 TTL 电平，通信时候必须对两种电平进行转换。实现这种转换的方法可以使用分立元件，也可以使用专用 RS-232 电平转换芯片。目前较为广泛地使用专用电平转换芯片，如19MC1

56、488、MC1489、MAX232 等电平转换芯片来实现 RS-232 电平到 TTL 电平的转换。MAX232 是单电源双 RS-232 发送/接收芯片，采用单一+5V 电源供电，外接只需 4 个电容，便可以构成标准的 RS-232 通信接口，硬件接口简单，所以被广泛采用。单片机和计算机 RS-232 接口电路如下图 3.11 所示： 图 3.11 串口电路图中的 C13、C14、C10、C11 是电荷泵升压及电压反转部分电路，产生 V+、V-电源供 RS-232 电平转换使用，C12 是 VCC 对地去耦电容，其值为 0.1F，五个电容安装时必须尽量靠近 MAX232 芯片引脚，以提高抗干

57、扰能力。3.3.5 电源电路电源的设计如下图 3.12。除提供整个模块的 3.3V 工作电压外，最主要的是为 TC35i 模块提供 4.4V 工作电压。图 3.12 电源电路 120图 3.13 电源电路 2TC35i 模块工作电压为 3.35 V，稳定工作电压 4.4V 左右，在启动连接登陆网络的传输过程中要求电源能提供 2A 的峰值电流、不大于 400 mV 的压降，因为在数据传输过程中当电压的波动大于 400 mV 时，TC35i 模块认为工作电压过低而自动关闭 TC35i 模块，因此在设计 TC35i 模块的电源时必须考虑电压下降的可能性，保证最小电压高于 4V。如图 3.13，NRF

58、905 模块需要 3.3V 电源，因此我们用 AMS1117 芯片，转化成 3.3V 的直流电源。213.3.6 基站电路硬件总图图 3.14 基站整体电路 基站电路包含 TC35i 接口、Sim 卡接口，单片机 STC89LE516RD，NRF905 接口，串口电路、电源电路、按键、指示灯等部分，具体电路如图 3.14。3.4 节点电路硬件设计节点的硬件电路设计主要包括：NRF905 模块接口电路，STC89LE516 单片机电路，电源电路，sht11 芯片电路、按键等等。由于节点中的 NRF905 模块接口电路、串口电路和基站中的类似，只是管脚不同，因此在节点模块设计中不做重复。3.4.1

59、 STC89LE516 外围电路设计STC89LE516RD 外围电路设计如图 3.15 所示22图 3.15 STC89LE516RD 外围电路设计STC89LE516RD 单片机的工作电压在 3.3.V。P0 口到 P3 口，均用排针外部引出，18，19 管脚为外接晶振管脚。P35-P37 和 P2 口外接 NRF905 模块。3.4.2 SHT11 模块介绍以及外围电路设计SHT11 是瑞士 Scnsirion 公司推出的一款数字温湿度传感器芯片。该芯片广泛应用于暖通空调、汽车、消费电子、自动控制等领域。主要特点如下：高度集成，将温度感测、湿度感测、信号变换、AD 转换和加热器等功能集成

60、到一个芯片上；提供二线数字串行接口 SCK 和 DATA，接口简单，支持 CRC 传输校验，传输可靠性高；测量精度可编程调节，内置 AD 转换器(分辨率为 812 位，可以通过对芯片内部寄存器编程米选择)；测量精确度高，由于同时集成温湿度传感器，可以提供温度补偿的湿度测量值和高质量的露点计算功能；封装尺寸超小(7.62 mm5.08mm2.5 mm)，测量和通信结束后，自动转入低功耗模式；高可靠性，采用 CMOSens 工艺，测量时可将感测头完全浸于水中。23温湿度传感器 SHT11 将温度感测、湿度感测、信号变换、AD 转换和加热器等功能集成到一个芯片上，其内部结构如图 2 所示。该芯片包括

61、一个电容性聚合体湿度敏感元件和一个用能隙材料制成的温度敏感元件。这两个敏感元件分别将湿度和温度转换成电信号，该电信号首先进入微弱信号放大器进行放大；然后进入一个 14 位的 AD 转换器；最后经过二线串行数字接口输出数字信号。SHT11 在基站电路中的运用主要是通过采用针插的方式。本身 SHT11 芯片是 8 管脚，但是实际需要的只有 4 管脚，所以在考虑到整体电路的方便性和实用性，在实际电路中结合 SHT11 模块各个脚功能只需设计成 4 管脚的插口。SHT11 外围扩展电路图如 3.16 所示。图 3.16 SHT11 电路由于 SHT11 是属于直插式温湿度传感器，并且采集进来的温湿度数

62、据能自动转化为数字信号，因此在 sht11 的电路设计中只需要做一个 4 脚的排针，不需要 A/D 电路就可以直接将温湿度数据通过 PD2 和 PB4 传输给单片机（PD2 是连接 SHT11 的 SCK 管脚，PB4 是连接 SHT11 的 DATA 管脚） ，另外 SHT11 的工作电压在 2.4V5.5V，因此节点里的 3.3V的电压能保证 SHT11 正常工作。3.4.3 电源模块设计在节点中的设计中各个模块的工作电压统一在 3.3V。如图 3.17 所示24图 3.17 节点电源设计电源电路中，首先通过外接一个 5V 的电压从 J9 进入，经过电容 C1 和电容 C2 的滤除交流电压

63、，再通过 7805 芯片的 5V 稳压作用，最后输入给 AMS1117 芯片，转化成 3.3V 的直流电源，然后供给各个模块使用。3.4.4 节点硬件总图图 3.18 节点电路原理总图如图，中间是 STC89LE516RD 单片机，周围分布节点其他硬件电路。254 系统软件设计4.1 节点程序流程节点程序流程图如下图 4.1 所示。节点模块上电复位后，进行模块的初始化。单片机通过配置 SCK 和 DATA 脚给温湿度传感器的发送启动通信时序，再给温湿度传感发送命令进行温湿度的测量，如果 2 秒内没有完成测量就会提示错误并进行重新测量直到测量正确为止；如果测量完成，单片机就能将温湿度数据通过 D

64、ATA 管脚采集进来。单片机此时再将 NRF905 配置成数据发送模式，将采集到的温湿度数据发送给基站。发送完成后，对节点进行测量时间延时，延时完成后则返回系统初始化。 系系统统以以及及各各模模块块初初始始化化N N给给传传感感器器发发送送启启动动通通信信时时序序测测量量定定时时1 1m mi in nN NR RF F9 90 05 5模模块块设设置置成成发发射射模模式式将将温温湿湿度度数数据据发发送送给给基基站站发发送送完完毕毕？N NY YY YY Y读读取取温温湿湿度度数数据据给给传传感感器器发发送送命命令令进进行行数数据据测测量量测测量量完完成成？N N图 4.1 节点程序流程图26

65、4.2 基站程序流程基站程序设计的如图 4.2 所示，基站系统上电后，首先进行各个模块的配置和初始化，将 NRF905 设置成数据接收模式，等待节点发送过来的温湿度数据。基站收到节点的温湿度数据包后，对数据包进行分析和处理，判断出节点的编号并保存内容，如果接收到的内容无效则删除接收到的数据，并且返回继续等待节点发送过来的数据。其次数据保存好后，基站继续等待接收其他节点的数据，其他节点的温湿度数据发送给基站后，基站对数据的分析和处理和前面的流程一样。当基站接收到所有的节点温湿度数据时，基站则将所有节点的温湿度数据进行分析和汇总，如果节点采集数据里面有超过预警值的，基站就将超过预警值的节点编号以及

66、该节点的温湿度数据以短信的形式发送给用户，如果各个节点温湿度都正常，则不给用户发送短信。最后再将汇总的数据通过串口发送给上位机。这样基站就实现了能在节点所在的环境里进行温湿度的监控。系系统统以以及及各各模模块块初初始始化化是是否否收收到到所所有有节节点点的的数数据据Y YN N将将达达到到告告警警值值的的节节点点温温湿湿度度数数据据发发送送给给用用户户判判断断识识别别内内容容是是否否有有效效将将数数据据发发送送通通过过串串口口发发送送给给上上位位机机N NN NR RF F9 90 05 5模模块块设设置置成成接接收收模模式式Y Y识识别别接接收收到到的的节节点点地地址址并并保保存存内内容容等等待待接接收收到到节节点点的的数数据据N NY Y删删除除内内容容读读取取接接收收到到的的温温湿湿度度信信息息发发送送完完毕毕？N NY Y温温湿湿度度值值达达到到告告警警值值? ?Y YN N图 4.2 基站程序流程图274.3NRF905 数据发送流程图典型的 RF905 发送流程分以下几步： A. 当微控制器有数据要发送时，通过 SPI 接口，按时序把接收机的地址和要发送的数据送传给 RF9