无线数据现场监测系统的研究与设计

摘要 随着现代科学技术水平的不断发展，计算机技术、无线通信技术、网络技术、信息技术的迅猛发展，工业自动化控制向着智能化、无线化方向发展。工业生产需建立无线现场参数监测、无线通讯模块系统、无线收/发数据，对工业现场实现远程无线监测。系统利用射频技术，通过PIC单片机控制数据传输，从硬件设计和完备的软件编程等多方面实现了系统设计。通用性强，解决了无线数据传输系统中低功耗、可靠性、安全性等问题，对无线数据传输系统的发展起到了积极作用。

关键词 无线通讯；射频技术；PIC单片机

1 短距离无线通信技术的现状与发展趋势

目前使用较广泛的短距离无线通讯技术是蓝牙、无线局域网和红外数据传输，同时还有一些具有发展潜力的近距离无线技术标准，它们分别是短距通讯（NFC）、GPS、WI-FI技术、无线1394和专用无线系统等，均有其立足的特点，满足传输速度、距离和耗电量的要求。

随着“信息时代”的到来，作为获取信息手段的无线通信技术飞速发展，其应用领域越来越广泛，对其要求越来越高，需求越来越迫切，带动了无线通讯技术的新飞跃。高科技、新技术及微电子技术应用的推广，均使移动通信设备更加灵巧、经济、可靠，无线通信网络向着经济型、实用型、多元化的方向发展，实现工业现场数据的无线采集。

2 无线数据现场监测系统研究的内容

对于无线数据传输来说，最重要的环节就是对被监测数据的测量和转换，需要对数据传输的可靠性进行研究。满足节约能源、降低成本、避免干扰等方面的要求。为确保工业监测中信息的准确性和及时性，本系统必须保证传输的可靠性。为了提高系统设计的实用性，以低成本为前提，要尽量提高系统的传输距离。

图2.1 系统框图

注释：图中模拟信号有标准源提供标准的电流信号，选用功耗低的单片机，速度快的PIC16F876芯片，片内集成了A/D转换器，免去片外扩展，提高了系统的可靠性。无线收发电路选用多频道多频段，性能稳定，传输距离远的PTR8000无线嵌入式模块，内置完整的CRC校验和通信协议等。

3 无线通讯模块设计与分析

无线通讯模块是短距离无线通信技术在工业监测方面的一个具体应用，主要以工业仪表的显示为监测对象。系统定时收发工业现场仪表的检测数据。针对系统性能指标，监测系统的主要组成部分为：数据采集系统，射频模块短距离通信，单片机数据处理，上位机监控等部分组成。

3.1无线通讯模块硬件实现

无线模块的实现通过PIC单片机和NRF905发射模块，除此之外系统还配备MAX232接口，以便实现与PC机通信，MAX485接口满足一些通用仪器仪表的要求，并提供按键和液晶显示的人机交互界面。

3.2无线通讯模块低功耗设计

无线通讯模块的供电电压3V，发射电流0.8mA。程序设计中充分利用了PIC单片机的低功耗睡眠模式。在发送状态下，系统电流为0.8mA；在休眠状态下，系统电流小于10μA。

3.3 无线通信协议的编制

无线数传系统采用简化的RTS（接收）/CTS（发送）协议，通信协议的制定将影响整个系统性能的好坏。本系统为单点对多点进行现场监测，主机采用循环的方式逐台采集被监控点的数据。监测点检测到故障后，立即向中控室的主机传输故障信息数据，工作人员能够及时监测和处理工业现场发生的各种变化。

3.4 无线射频系统方案制定

无线射频系统主要有射频模块（NRF905）、存储器、控制模块及天线组成。射频模块用来发送和接受数据，存储器用来存储用永久型数据和暂存型数据，控制模块用来完成接受、译码及执行读写器命令，控制读写数据，负责数据安全等功能。

3.5射频模块接收数据的实现

射频模块（NRF905）是挪威Nordic VLSI公司推出的单片射频收发器，工作电压为1.9～3.6V，主要由频率合成器、接收调节器、功率放大器、晶体振荡器和调制器组成，使用SPI接口与微控制器通信，配置方便，功耗低。

3.5.1NRF905发送流程

1）当微控制器有数据要发送时，通过SPI接口，按时序把接受机的地址和要发送的数据传输给NRF905。

2）微控制器高端TRX和TX，激发NRF905内部的射频寄存器，自动打开，进行数据打包。当数据发送完成后，数据准备好引脚被置高，NRF905准备接受下一个发送数据。

3.5.2 NRF905接受流程

1）当TRX为高，TX为低时，NRF905进入接收模式，不断监测，等待接收数据。

2）当NRF906检测到同一频段的载波时，载波监测引脚被置高。

3）当一个正确的数据包接受完毕后，NRF905自动移去字头、地址和CRC校验位，然后把数据准备好，将引脚置高，接收数据完毕。

4 PIC单片机硬件电路分析与设计

4.1 PIC单片机的选用

本系统选用美国Microchip公司推出的PIC单片机系列产品，采用PISC结构的嵌入式微控制器，其指令少、高速度、低电压、低功耗、大电流LCD驱动能力、采用双线结构（程序总线和数据总线）、自带看门狗定时器，提高程序运行的可靠性。PIC单片机内部集成了两个类型不同的串行通信模块，即通用同步/异步收发器USART模块。

4.2 PIC单片机与硬件电路设计

图4.1 PIC单片机电路系统框图

5 试验测试数据分析

试验过程中接收端采用C51串口调试助手，将接收到的数据在上位机显示出来。经大量实验数据验证，系统设计达到了预期指标。但在实际应用过程中，需根据通信距离的具体要求，设置适当的工作参数。

6 系统应用软件的实现

本系统应用软件设计基于模块化和结构化设计方法，将具有不同功能的模块，按系统要求组合成主程序。主要功能模块有：数据采集模块、通讯模块、射频模块（数据发送、接收）、USART通信模块等。

数据采集模块主要完成接收工业仪表的模拟信号，并将其模拟信号转换成数字信号，传送给工作寄存器。通讯模块是通过PIC单片机给NRF905发送数据指令，射频模块用来接收数据，并将接受的数据自动处理，处理后将寄存器中存储的工业现场信息发送出去。 USART通信模块是将接收端单片机接收到的信息传送到上位机显示，实时传递数据信息。

结束语

本文主要研究了无线通讯模块近距离实现通讯、射频模块的发送、接收数据，单片机与上位机进行传输数据，实时监测工业现场数据变化、系统软件采用模块化和结构化的设计思想等。并对系统的试验数据进行分析、总结，基本上达到了预期的结果。针对设计中出现的问题，结合实践，提出新的解决方案。

我国在无线现场监控技术方面还不够成熟，新技术在生活中还未得到广泛应用。随着无线通信技术的日益发展，传输带宽不断提高，通信终端的实时信息处理能力飞速增强，无线多媒体应用日渐成为业内关注的焦点，也成为人们的必然需求。其主流应用之一是便利、灵活的无线实时视频监控系统，如无线家庭防盗、汽车监控等。基于多种无线传输手段的移动视频监控以其特有的灵活性已成为视频监控新的发展方向。无线远程监控系统的规模应用必然离不开无线网络环境，而无线网络环境则离不开运营商的建设。

无线远程监控系统的发展一直是以应用的便捷性、技术的先进性为方向。无线远程监控系统无论是应用技术还是发展环境上都具备独特的魅力和优势，必然在视频监控领域占据一定的比例，预计在未来的几年内将会获得较快的发展速度

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