通信工程本科毕业论文开题报告
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课题名称：基于nRF24L01的无线数据传输系统设计
一.文献综述
随着社会的发展及科学技术的进步，越来越多的数据采集系统相继被开发出来，并在各领域的应用越来越广泛，特别是在各种工农业生产中，这些系统有效地提高了生产效益。然而传统的数据采集系统，通常是通过RS485、CAN总线等有线方式来进行数据的传输，这种有线传输方式不仅布线繁琐、费用高，而且容易产生断线、短路等一些线路故障，越来越不能满足现代工农业生产的需求[1]。于是就诞生了很多基于无线传输的数据采集系统。无线数据采集系统不仅不用布线，而且还具有很高的灵活性和适应性，具有非常广阔的应用前景。特别是随着无线通信技术的快速发展，无线用在了生活生产领域的各个方面，比如近年来盛行的无线传感器网络(WSN)，代表着无线数据采集系统的发展方向，各种集成了MCU和射频模块的芯片也相继被开发出来。
目前，包括北欧集成电路公司(NORDIC)、TI公司等生产了一系列的射频无线收发芯片，很多国内外研究机构针对这些芯片设计开发了各种无线数据采集系统，并在相关领域得到了实际的应用。文献[2]设计了一种基于ZigBee的土壤墒情检测系统，用于实时检测土壤的湿度、温度等墒情信息，并将采集到实时温湿度数据信息传送给用户，让用户及时掌握墒情并采取相应的措施。文献[3]对基于WSN和μC/OS-Ⅱ的无线数据采集系统研究和设计，采用μC/OS-Ⅱ为内核编写网关软件，提高系统的实时性和可靠性。文献[4]设计了基于CC2420的温室无线数据采集系统，用于实现对温室内作物的生长环境进行无线智能的调控。这些设计和研究有力地推动了无线数据采集系统的发展，也为其在现代化工农业生产中的应用开辟了更广阔的空间。
本文针对射频芯片nRF24L01的应用进行了设计和研究，设计并制作了一套基于nRF24L01的无线温度传输系统，以实现对环境温度的远程监测。nRF24L01是一款新型单片射频收发器件,工作于2.4 GHz～2.5 GHz ISM频段。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块,并融合了增强型ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。nRF24L01功耗低,在以-6 dBm的功率发射时，工作电流也只有9 mA;接收时，工作电流只有12.3 mA，多种低功率工作模式(掉电模式和空闲模式)使节能设计更方便。
整个传输系统的设计主要涉及nRF24L01外围电路的设计、微带天线的设计及相应控制电路的设计。其中微带天线的设计制作是整个系统的技术难点，设计的系统微带天线性能的好坏直接关系到整个数据传输系统的数据传输质量，如果微带天线设计的不好就可以导致数据发射不出去或达不到预定的传输距离。所以，在整个系统设计中，首先着手设计的是基于nRF24L01射频无线收发模块，这里包括对射频芯片nRF24L01外围电路的设计和发射数据的微带天线的设计。其它的控制电路设计较为简单，其中包括数据采集电路的设计、数据显示电路的设计和报警电路的设计。
微带天线是上世纪末发展起来的一种新型天线,目前其理论分析无论是在深度和广度上都趋于成熟,并因其具有结构简单、重量轻、剖面低、可共形、制造成本低、辐射效率高、容易实现双频、多频段工作等独特优点，在近十几年得到了广泛的研究和发展[5]。目前，微带天线已经出现了多种结构,比如倒L型[6],倒F型(PIFA)[7]等,新兴的还有光子隙微带天线,各种技术各有特色,有着不同的应用范围。nRF24L01工作于2.4-2.5GHz的世界通用ISM免费频段，而包括蓝牙、ZigBee等多种无线通信系统也都工作于该频段上，因此，越来越多的专家学者对该频段的天线进行了研究和设计，并相继提出了微带贴片形[8]、微带线形[9]等2.4G天线结构，并都取得了良好的测试效果。本文将在这些设计的基础上，设计出一款针对nRF24L01射频芯片的小型化线性天线，用于满足系统的无线通信需求。
本文通过nRF24L01射频模块发射的数据是经传感器采集的数据。随着微电子技术的发展，各种传感器，如温度、湿度、光照、烟雾等传感器也相继被研发出来，并向数字式发展，可以说21世纪进入的是一个传感器时代，因此很多智能控制系统都先传感其对应控制的参数。本文感知的环境中的温度，所以选用温度传感器。温度传感器是一种把外界温度信号转成电信号的装置。应用于各类需要监测环境温度的工作场合。温度传感器的使用对工业控制、科学实验、环境检测、医疗卫生、农林、气象等多方面的温度监控有着重要的意义[10]。随着科技水平的提升，温度传感器由分立元器件向集成元器件发展，由模拟温度传感器向智能数字式温度传感器发展。温度转换速率向更高速发展，转换精度也向更高精度发展。
系统可分为数据采集和数据显示两部分，通过温度传感器采集的温度数据通过nRF24L01射频无线收发模块发送到数据显示模块并通过液晶显示出来。
参考文献
[1] 宋晓伟，孟国营，叶洋，等.基于nRF24L01的无线温度检测系统[J].煤炭工程，2010，(11)：11-12.
[2] 靳广超，彭承琳，赵德春，等.基于ZigBee的土壤墒情检测系统[J].传感器与微统,2008,27(10):92-94.
[3] 袁朝辉，江辉军，马科，等.基于WSN和μC/OS-Ⅱ的无线数据采集系统的研究和实现[J].计算机测量与控制，2010，18(8)：1947-1949.
[4] 吴金洪，丁飞，邓志辉.基于CC2420的温室无线数据采集系统的设计与实现[J].仪表技术与传感器，2006(12)：42-43，51.
[5] 陈浩，游佰强.蓝牙微带天线的设计和仿真[J].厦门大学学报，2005,44:307-311.
[6] Lan K,Chaudhuri S K,Safavi-Naeini S. A compact wide dual-band antenna for bluetooth and wireless LAN applications[J]. Antennas and Propagation Society International Symposium, 2003, 2:926-929.
[7] Salonen P, Keskilammi M, Rantanen J, et al. A novel Blue-tooth antenna on flexible subst rate for smart clothing[J].Systems Man and Cybernetics, 2001, 2(2):789-794.
[8] 马中华，陈朝阳，杨光松，等.2.4G蓝牙微带贴片天线的设计分析[J].电子科技，2008，增刊：184-187.
[9] 贾鹏，郜洪民.面向RFID应用的2.4GHz微带天线的设计与实现[M].电子产品世界，2010，48-50.
[10] 温度传感器. http://baike.baidu.com/view/66411.htm.
[11] 射频无线模块. http://baike.baidu.com/view/3325625.htm.
[12] 祝常红.数据采集与处理技[M].北京：电子工业出版社.2008.
[13] 李念强.数据采集技术与系统设计[M].北京：机械工业出版社.2009.
[14] 居敏花.基于AT89S52的温湿度检测系统的设计[M].山西电子技术.NO.3,2009.
[15] 张毅刚.单片机原理及应用[M].第1版.高等教育出版社.2003.
二、方法及预期目标：
1、本课题的任务要求
1) 理解nRF24L01射频芯片的工作原理，并设计该芯片的外围工作电路;
2) 设计一天线，用于配合nRF24L01射频芯片进行数据的无线传输;
3) 设计一个基于51单片机的采集控制系统;
4) 通过温度传感器实现环境中温度参数的采集;
5) 实现温度环境参数的无线传输和液晶显示。
2、本课题的整体方案
根据任务要求，设计了如下方案：首先根据nRF24L01射频芯片的工作原理设计其外围的工作电路。然后根据实际应用要求设计发射、接收数据的天线，并测试。最后设计51单片机主控系统，包括控制温度传感器DS18B20采集温度电路、控制液晶12864显示电路、控制蜂鸣器和LED报警电路。整体设计框图如下：
3、拟采用的`研究方法
整个传输系统可大致分为硬件部分和软件部分，而且软件的设计是基于硬件平台的，所以根据任务要求先进行硬件的设计，然后再根据设计制作的硬件平台和任务要求进行软件的编程。
硬件系统主要为控制处理模块和射频无线收发模块。在控制处理模块，MCU采用的是ATMEL公司生产的性价比极高的AT89S52单片机。在发送端，通过单片机及其外围电路实现温度的采集及无线发送模块的控制过程。系统中的射频无线收发模块是基于nRF24L01进行设计和制作的，在此模块中，主要是微带天线的设计。温度传感器采用的是由Maxim-Dallas Semiconductor公司生产的数字式温度传感器DS18B20。此传感器外接了3个引脚，VCC、GND、DQ(数据线)。VCC脚与DQ脚之间通常需接4.7K的上拉电阻。在接收端，同样通过单片机来控制nRF24L01射频无线收发模块，进行温度数据的接收，并在液晶上显示出温度值。
软件系统：软件部分主要是根据任务要求对单片机进行编程。包括实现温度数据的采集，无线收发模块的控制，液晶的显示，蜂鸣器和LED警报等。程序采用C语言编写，开发环境是Keil uVision2软件。
4、 本课题要研究或解决的问题及预期效果
拟解决的关键问题：
(1) 单片机控制电路板的设计及制作;
(2) 无线收发模块的设计及制作;
(3) 单片机对无线收发模块控制程序的编写。
硬件系统设计满足如下要求：
(1) 对温度数据的采集;
(2) 对无线数据的传输;
(3) 对采集的温度在液晶屏上中显示;
(4) 实现蜂鸣器和LED报警。
软件系统设计要求：
(1)在发送端，控制单片机进行数据采集，并通过无线发送模块发送数据;
(2)在接收端，控制单片机通过无线接收模块接收温度数据，并显示在液晶屏上，同时驱动蜂鸣器和LED报警。
预期效果如下图：
5、开发工具
操作系统：Windows操作系统;
开发语言：KeilC;
开发平台：自制监测系统开发板;
开发软件：DXP 2004、SP2、Keil uVision2、HFSS。
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