在单片机基础上的数据测控网络分析与研究

第一章绪论

1.1无线通信技术概述
电磁场理论"3作为无线通信技术的理论基础，由麦克斯韦在1873年建立。随后，1887年，赫兹通过实验验证了电磁场理论的正确性并发现了电磁波的存在。1895年，马可尼发明了无线电，并于1901年使用800KHZ中波信号进行了从英国到北美纽芬兰的世界上第一次横跨大西洋的无线电波通信试验，开创了人类无线通信的新纪元。无线通信技术以利用电磁波实现信息交换的一种通信方式，其信息传播速度相当于光速。可移动性、共享性、广播性等优点使得无线通信在许多应用中成为无可替代的选择，但高干扰、强衰落、窄带宽等缺点又影响了无线通信应用的普及。随着无线通信技术与计算机网络技术的发展以及第3代移动通信网络技术在全球范围内不断投入商用，人们开始意识到未来的无线网络不可能由某一个特别先进的无线技术组成统一技术、统一管理的网络，而将是多种技术同时存在、相互融合的、综合的解决方案。每种通信网络都具有自身的技术特点、通信速率、覆盖范围和使用区域，而且彼此融合使用可以很好的提高互补性。

1.2短距离无线通信技术的发展现状
无线通信系统因其不同的特性，分类也各不相同，按照通信距离可将无线通信系统分为：短距离无线通信系统和远距离无线通信系统。目前，短距离无线通信技术主要有以下几种。
1.2.1蓝牙技术蓝牙（Buletooth)是一种支持短距离通信（一般是10m之内）的无线电技术""，依据IEEE802. 15标准，工作在2. 4GHz的ISM (即工业、科学和医疗）频段，数据速率为IMbps,全双丁传输方式。蓝牙技术使用高速跳频、时分多址(TDMA, Time Division Multi-Access)和短包技术实现信息交换，支持点对点及点对多点通信，能够实现低成本的数字化设备的网络数据传输。
1.2.2无线局域网技术无线局域网（WLAN， Wireless Local-Area Network)利用红外线、微波或无线电波等介质传递数据，实现以太网或者令牌环网络的功能'2」。无线局域网采用IEEE802. 11协议标准，利用射频（RF， Radio Frequency)技术构建局域网。它工作于2.4GHz或5.3GHz频段，数据传输速率为llMbps和54Mbps,传输距离可远至20km以上。无线局域网解决了通用有线计算机网络在某些特殊场合布线施工难度大、费用高、耗时长的缺点。
1.2.3UWB技术UWB (Ultra Wide Band,超宽带无线技术），是利用非正弦波的窄脉冲传输数据的一种无载波通信技术。功耗低是UWB系统最大的优点，同时，而B技术具有高速的数据传输速率，并且共享现有的无线通信频带，是实现个人通信和无线局域网的一种理想通信技术。
1.2.4HomeRF技术家庭射频（HomeRF)技术是无绳电话技术（DECT, Digital Enhanced CordlessTelecommunications)和无线局域网（WLAN)技术相互融合发展的产物。家庭射频利用载波监听多点接入/冲突避免（CSMA/CA)和传统时分多路复用(TDMA)两种技术，遵循共享无线应用协议（SWAP, Shared Wireless AccessProtocol)标准，工作于2.4GHz频段，采用数字调频扩频技术，数据传输速率1Mbps (2FSK)和2Mbps (4FSK)。
1.2.5ZigBee技术ZigBee是一种新兴的低功耗、低数据速率、低成本的无线通信网络技术L6]。这项技术遵守IEEE无线个人局域网工作组专门为短距离通讯制定的IEEE802. 15. 4协议标准，工作在2. 4GHz (全球流行）、868MHz (欧洲流行）和915MHz (美国流行）的3个频段上，最高传输速率分别为250Kbit/s、 20Kbit/s和40Kbit/s。基于ZigBee技术能够构建高可靠的无线数据传输网络，类似于CDM和GSM网络。ZigBee网络中的数据传输模块类似于移动网络的基站，可靠通信距离从标准的75m到几百米，并且支持无限扩展。

    1.3 无线单片机的发展现状 ............11
    1.4 本文的创新点及主要工作 ............11-13
        1.4.1 本文的创新点 ............11-12
        1.4.2 本文的主要工作 ............12-13
第二章 系统总体设计方案 ............13-17
    2.1 系统功能需求分析 ............13
    2.2 系统可行性方案 ............13-17
        2.2.1 基于GSM技术的数据监测网络 ..........13-14
        2.2.2 基于无线传感器技术的数据监测网络 ........14
        2.2.3 基于无线单片机的数据监测网络 ........14-15
        2.2.4 方案对比 ............15-17
第三章 系统硬件设计 ............17-26
    3.1 系统硬件设计方案 ............17-19
        3.1.1 无线数据采集器硬件设计方案 ............17
        3.1.2 无线数据接收器硬件设计方案 .........17-18
        3.1.3 ARM运算存储器硬件平台 ............18-19
    3.2 系统硬件电路设计 ............19-24
    3.3 系统硬件设计注意事项 ............24-26
        3.3.1 系统原理图设计注意事项 ............24
        3.3.2 系统PCB设计注意事项 ............24-26
第四章 系统通信协议 ............26-31
    4.1 无线数据包协议 ............26-28
        4.1.1 CC1110数据包协议 ............26-27
        4.1.2 本文数据包协议 ............27
        4.1.3 无线通信流程 ............27-28
    4.2 RS-485通信协议 ............28-29
    4.3 标准TCP/IP协议 ............29-31
        4.3.1 概述 ............29
        4.3.2 TCP/IP协议的分层分析 ............29-30
        4.3.3 TCP/IP通信流程 ............30-31
第五章 系统软件设计 ............31-47
    5.1 无线数据采集器软件设计 ............31-39
    5.2 无线数据接收器软件设计 ............39-42
        5.2.1 无线数据接收器主程序设计 ..........39-41
        5.2.2 RS-485通信程序设计 ............41-42
    5.3 ARM运算存储器软件设计 ............42-45
        5.3.1 ARM运算存储器主程序设计 ............43
        5.3.2 RS-485通信线程设计 ............43-44
        5.3.3 网络通信线程设计 ............44-45
        5.3.4 串口通信线程设计 ............45
    5.4 软件设计注意事项 ............45-47

总结与展望

6.1实验结果
无线通信测试结果无线通信分别在空旷操场和实验楼进行测试，每组10个无线数据采集器，1个无线数据接收器，测量得到空旷地无线通信距离为120米左右，实验楼隔墙通信距离为15米左右。同时，对无线数据采集器和无线数据接收器进行数据丟包测试。分别进行单无线网络、单无线休眠网络以及两个无线休眠网络的通信测试，测试时进行600次通信，记录丢包结果的次数，绘制其丢包率结果图如图6-1所示。测试结果表明无线通信可靠性在90%以上，连续3次丢包率低于5%，无线网络之间没有数据交叉传输的现象。

6.2展望
随着电子和通信技术的发展，无线数据监测网络会出现新的方案和实现方法，而且在理论和技术上也会有进一步的创新。本文今后要做的工作：
1)本文设计的无线数据监测网络虽然实现了基本的测量和远程观察功能，但是满足工程的复杂环境应用还有一定的距离。
2)考虑到无线数据采集器的低功耗和电池供电特点，在硬件和软件设计方面还应该进一步降低模块的功耗。
3)单片机无线通信是本设计的核心基础，所以要在高频电磁应用环境以及增强系统的抗干扰能力方面进一步考虑。
4)本设计目前只能实现远程的观察功能，而且上位机软件的设计也不够人性化，今后要努力实现系统上位机软件的美观、易操作，并增加适当的控制功能。