毕业设计（论文）-基于无线传感器网络的声红外监测与识别系统设计与实现.doc

目 录摘要1关键词1Abstract.1Key words11 引言21.1 项目研究的背景及意义21.2 国内外现状分析21.3 项目研究的内容31.4 项目研究过程中遇到的问题32 系统设计32.1 系统简介32.1.1 无线传感器网络结构及工作原理32.1.2 系统整体介绍42.2 硬件设计42.2.1 硬件简介42.2.1.1 传感器42.2.1.1.1 声音传感器42.2.1.1.2 红外传感器62.2.1.2 无线射频发射器芯片nRF90572.2.1.3低功耗MSP430F24982.2.1.4 友善之臂公司的mini6410型ARM1192.2.2 模块设计102.2.2.1 前端传感器模块102.2.2.2 无线传送网络模块112.2.2.3 ARM终端后台模块112.3 软件设计122.3.1 软件的整体设计思路122.3.2 各模块的程序实现132.3.2.1 数据采集132.3.2.2 无线传送142.3.2.3 ARM终端后台152.4 接口设计152.4.1 MSP430与NRF905之间的SPI协议接口152.4.2 MSP430与ARM终端之间的RS-232-C串行接口163调试与结论173.1 功能方面173.2 性能方面184 总结与展望194.1 研究工作结论总结194.2 未来工作展望19致谢20参考文献21附录A 数据采集程序22附录B 无线传送程序26附录C ARM终端程序29附录D 实物图301基于无线传感器网络的声红外监测与识别系统设计与实现摘要：目标监测识别已经是智能系统最重要的组成部分之一。结合当今成熟的传感器探测技术与无线传感技术以及嵌入式信号处理技术，提出了一种新颖低成本实用型的基于无线传感器网络的声红外复合监测与识别系统的方法，它根据目标的声波和红外辐射特性，从目标的两路信号中提取出目标的各种特征信息，再进行信息再融合，得出对目标的识别结果。该系统不仅利用了声探测传感器对目标震动信号、声音信号的有效探测实现对目标的定位、识别，而且利用红外传感器探测目标的红外辐射信号以实现目标自动识别、定距，结合两类探测敏感器的优势，各路探测器接收到的信号由无线发送到嵌入式信息处理装置进行综合分析和处理，提高了抗干扰的能力，从而降低了虚警率。关键词：声音传感器；红外传感器；无线传感网络；监测系统Design and Implementation of Sound-Infrared Monitoring and Recognition System Based on Wireless SensorNetworkStudent majoring in Electronic Information Science and Technology Zeng ZhongTutor Li LinAbstract： Target recognition has is intelligent monitoring system of one of the most important part. On the mature sensor detection technology and wireless sensor technology and embedded signal processing technology, A novel method of low cost practical based on wireless sensor net- work infrared composite monitoring and identify with the method of system, It according to the target waves and the infrared radiation, from the targets two signals to extract all the feature inf- ormation of the target, Then to information fusion again, it is a goal of the results. This system not only use the sound detection sensor to target vibration signals, sound signal detection of tar get of the effective realization of orientation, recognition, and use of infrared sensor detection of targetir radiation signal to realize the target to be automatic identification, spacer, combining twokinds of detecting the advantage of sensors, each detector received signals by wirelesstransmission to the embedded information processing device in the comprehensive analysisandprocessing,improve the ability of the anti-interference, which reduces the false alarm rate.Key words: Voice sensors; Infrared sensors; Wireless sensor network; Monitoring system11 引言1.1项目研究的背景及意义随着无线通信、集成电路、传感器和微机电系统等技术的飞速发展,使得低成本、低功耗、多功能的微型无线传感器的大量生产成为可能,这些微型无线传感器具有无线通信、数据采集和处理、协同合作等功能,因此,传感器网络的应用前景非常广泛。无线传感器网络就是由这些传感器节点协同组织起来的,传感器网络的节点可以随机或者特定地布置于目标环境中,它们之间通过特定的协议自组织起来,能够获取周围环境的信息并且相互协同工作完成特定任务。无线传感器网络的研究是对传统网络技术的一种挑战,也是实现实时监视应用的一个新的可靠的技术方法。目标监测识别是智能系统的重要组成部分。如何在有干扰的情况下，在尽可能远的距离上快速有效地对目标进行可靠检测和准确识别，是现代智能监测与识别系统面临的重要挑战。而在当今的市场经济型社会中，不仅要考虑系统的性能，而且经济因素在整个系统中的关注度也在不断上升。因此，既要研究性能优异，又要经济实用性价比高的智能识别系统，因此，基于无线传感器网络的声红外复合监测与识别系统的研究将有十分广阔的应用前景，在军事国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多重要领域都有潜在的实用价值，已经引起了许多国家学术界和工业界的高度重视。具有较高的理论价值和实际经济意义以及广阔的市场应用前景。1.2 国内外现状分析第一代传感器网络出现在20世纪70年代，使用具有简单信息信号获取能力的传统传感器，采用点对点传输、连接传感控制器构成传感器网络;第二代传感器网络，具有获取多种信息信号的综合能 力，采用串/并接门(如RS-232,RS-485)与传感控制器相联，构成有综合多种信息的传感器网络;第三代传感器网络出现在20世纪90年代后期和本世纪初，用具有智能获取多种信息信号的传感器，采用现场总线连接传感控制器，构成局域网络，成为智能化传感器网络;第四代传感器网络正在研究开发，用人量的具有多功能多信息信号获取能力的传感器，采用自组织无线接人网络，与传感器网络控制器连接，构成无线传感器网络。近年来，为了提高在战场中武器系统的抗干扰能力、精确制导能力、反隐身能力，各国都在发展目标智能监测与识别系统，都采用了多种多样的复合体传感器。高智能的经济型监测识别系统已经成为当前国内外的重要研究领域之一，研究表明高智能的经济型监测识别系统具有广泛的应用背景，特别是在特殊应用场景(军事或人员无法到达的地方等)中，由于目标区域的特殊限制随着微电子技术、信号处理技术的发展，新的探测手段和探测器件不断产生。基于此，本文提出了一种新颖的针对目标智能监测与识别的声红外复合探测识别系统，是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过声红外集成化的微型传感器4协作地实时监测、感知和采集各种监测对象的信息，这些信息通过无线方式被发送到后端的ARM信息分析和处理平台上，从而监测识别目标，以实现物理世界、计算世界以及人类社会三元世界的连通川。1.3 项目研究的内容本毕业设计的整个核心是无线传感网络的ARM终端的后台监测平台的设计，此平台不仅包含无线传感网络技术，而且还包含监测算法的设计。因此，在无线网络的硬件设计过程中根据实际的情况并结合自己的能力范围不断调整、不断修改才能达到理想的效果。而在ARM平台下的Android系统的简单开发过程中尽量结合ARM的嵌入式的优点完善系统的整个功能和性能。1.4 项目研究过程中遇到的问题在整个毕业设计的过程中，通过实际的动手，在过程中曾经遇到过以下的主要问题：MCU控制的无线传感网络的编程以及ARM平台下的Android系统信号处理的智能监测与识别的算法编程。ARM平台下的Android系统简单开发的串口接收数据刷新和显示的实时刷新的同步问题。各模块接口的设计的速度延迟等问题。熟悉和掌握无线传输模块的原理以及传输协议等。2 系统设计2.1 系统简介2.1.1 无线传感器网络结构及工作原理无线传感器网络由大量体积小、成本低、具有无线通信、传感、数据处理的传感器节点组成,无线传感器节点是网络的基本单元,节点的稳定运行是整个网络可靠性的基本保证。无线传感器节点负责传感和信息预处理,响应监控主机和指令发送数据，一般由数据采集模块(传感器、A/D转换器)、数据处理和控制模块(微处理器、存储器)、通信模块(无线收发器)和供电模块(电池、DC/DC能量转如图2.1所示)。数据处理单元通信模块数据采集单元存储器无线收发器ADC传感器CPU供电模块图2.1 无线传感器网络结构图在无线传感器网络中,每个节点的功能都是相同的,大量传感器节点被布置在整个被观测区域中,各个传感器节点将自己所探测到的有用信息通过初步的数据处理和信息融合后传送给用户,数据传送的过程是通过相邻节点的接力传送的方式传送回基站,然后通过基站以卫星信道或者有线网络连接的方式传送给最终用户。因此,节点在网络中可以充当数据采集者、数据中转站或类头节点(cluster-head node)的角色。作为数据采集者,数据采集模块收集周围环境的数据(如声音、红外等),通过通信路由协议直接或间接将数据传输给远方基站或汇节点;作为数据中转站,节点除了完成采集任务外,还要接收邻居节点的数据,将其转发给距离基站更近的邻居节点或者直接转发到基站或汇节点;作为类头节点,节点负责收集该类内所有节点采集的数据,经数据融合后,发送到基站或汇节点。相对于传统无线网络,无线传感器网络具有一些明显的技术特点:1)网络节点密度高,传感器节点数量众多,单位面积大,所拥有的网络节点数远大于传统的无线网络。2)传感器节点由电池供电,节点能量有限,由干节点数量多,而且无线传感器网络往往应用于人们难以直接操作的地方,因此更换传感器节点电池是不现实的,这决定了传感器节点生命和网络寿命的有限性。2.1.2 系统整体介绍本系统主要包含三大模块。第一大模块是前端的信息采集模块，包括声音采集模块红外采集模块两部分。声音采集模块主要是负责采集要监测识别的目标的声音特性，红外采集模块负责采集目标的红外特性；第二大模块是中段的MCU控制 无线传输模块。主要是将前端的信息采集模块采集到的目标声红外特性无线传输 到后端的ARM信号处理模块；第三大模块是ARM信号处理模块。主要是负责处理接受到的目标采集信息并实现目标的监测识别的功能。如下2.2图是系统结构图。相应动作（响铃、报警、定位等）超过红外数据参值友善之臂Mini6410处理器nRF905红外数据无线接收器超过声音数据参值nRF905声音数据无线接收器Mini6410上的监测显示器红外传感器nRF905无线发送器MSP430采集MSP430采集模块声音传感器器nRF905无线发送器路图2.2 系统结构图2.2 硬件设计2.2.1 硬件简介2.2.1.1 传感器2.2.1.1.1 声音传感器声音传感器是一种用来接收声波，显示声音的振动图象的装置，它的作用相当于一个话筒（麦克风），但不能对噪声的强度进行测量。该传感器内置一个对声音敏感的电容式驻极体话筒。声波使话筒内的驻极体薄膜振动，导致电容的变化，而产生与之对应变化的微小电压。这一电压随后被转化成0-5V的电压，经过A/D转换被数据采集器接受，并传送给计算机。声音为一种机械波，声音的传播是机械波在媒质中传播的过程。当声波频率在20Hz20kHz时人耳能接收到，称为可闻声波。当频率低于20Hz时称为次声波，高于20kHz时称为超声波，次声波和超声波人耳均听不到。(1) 驻极体传感器驻极体是一种永久性带电的介电材料，它能把声能或机械能转换成电能，或者将电能转换成机械能或声能。驻极体传感器的核心是驻极体箔。它由一张绝缘薄膜组成，薄膜上带电荷，通常由聚四氟乙烯等碳卤聚合物制成，具有极高的绝缘电阻。通过外电场对绝缘薄膜两侧充电，则膜上的电荷能长时间保存。若在常温和相对干燥的环境下保存，聚四氟乙烯上的电荷能保存近百年；在常温和相对湿度为95%的潮湿环境下，电荷的衰减时间也能达到近10年。通常把一片驻极体膜紧贴在一块金属板上，另一片驻极体膜相对安放，中间为10m的薄空气层，构成一个驻极体传感器。二片相对而立的驻极体膜形成一个电容器，根据静电感应原理，与驻极体相对应的金属板上会感应出大小相等、方向相反的电荷。驻极体上的电极在空隙中形成静电场，在声波作用下，驻极体箔会有一个位移d。在驻极体膜开路的条件下，膜片两端感应的静电场U=Ed =d1d/0 (d1 +d2 )式中，E 膜片间隙中电场强度， 驻极体表面电荷密度，d1 驻极体箔的厚度，d2 膜间空气厚度，O 自由空间介电常数， 驻极体材料的相对介电常数。驻极体箔的相对位移d与所加声强成正比，因此传感器输出的电压仅与声强有关，而与频率无关。驻极体传感器能保证在声频范围内具有恒定的灵敏度，这是极大的优点。(2) 磁电传感器磁电式传感器俗称“动圈式传感器”，它是由一个固定磁场和在这磁场中可作垂直轴向运动的线圈组成，线圈安装在一个振动膜上，振动膜在声强的作用下运动，带动线圈在固定的磁场中作切割磁力线的运动，此时在线圈两端的感应电动势E的大小为：E=BLv，式中，B磁感应强度，L线圈的长度，v线圈的运动速度。线圈的运动速度v与声强的大小有关，故而线圈的输出电压也取决于声强的大小。如下图2.3是实物声音传感器。图2.3 实物声音传感器2.2.1.1.2 红外传感器红外技术发展到现在，已经为大家所熟知，这项技术在现代科技、国防科技和工农业科技等领域得到了广泛的应用。红外传感系统是用红外线为介质的测量系统，按照功能能够分成五类：（1）辐射计，用于辐射和光谱测量；（2）搜索和跟踪系统，用于搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置并对它的运动进行跟踪；（3）热成像系统，可产生整个目标红外辐射的分布图像；（4）红外测距和通信系统；（5）混合系统，是指以上各类系统中的两个或者多个的组合。 红外传感器根据探测机理可分成为：光子探测器（基于光电效应）和热探测器（基于热效应）。它是利用红外辐射与物质相互作用所呈现出来的物理效应探测红外辐射的传感器，多数情况下是利用这种相互作用所呈现出的电学效应。此类探测器可分为光子探测器和热敏感探测器两大类型。热传感器是利用辐射热效应，使探测器件接收辐射能后引起温度升高，进而使传感器中一栏与温度的性能发生变化。检测其中某一性能的变化，便可探测出辐射。多数情况下是通过赛贝克效应来探测辐射的，当器件接收辐射后，引起一非电量的物理变化，也可通过适当变化变为电量后进行测量，SMTIR99XX系列是基于热电堆的硅基红外传感器。大量的热电偶堆集在底层的硅基上，底层上的高温接点和低温接点通过一层极薄的薄膜隔离它们的热量，高温接点上面的黑色吸收层将入社的放射线转化为热能，由热电效应可知，输出电压与放射线是成比例的，通常热电堆是使用BiSb和NiCr作为热电偶。结构图因为红外辐射特性与温度相关，可以使用不同的滤镜来测量不同的温度范围。成熟的半导体工艺是产品小型化，低成本化。为了满足某些应用，红外传感器开口视角可以设计成图2.4 人体红外线传感器原2.2.1.2 无线射频发射器芯片nRF905 nRF905可以自动完成处理字头和CRC（循环冗余码校验）的工作，可由片内硬件自动完成曼彻斯特编码/解码，使用SPI接口与微控制器通信，配置非常方便，其功耗非常低，以-10dBm的输出功率发射时电流只有11mA，在接收模式时电流为12.5mA。 nRF905单片无线收发器工作由一个完全集成的频率调制器，一个带解调器的接收器，一个功率放大器，一个晶体震荡器和一个调节器组成。ShockBurst工作模式的特点是自动产生前导码和CRC，可以很容易通过SPI接口进行编程配置。nRF905采用Nordic公司的VLSI ShockBurst技术。ShockBurst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/时钟覆盖。通过将与RF协议有关的高速信号处理放到芯片内，nRF905提供给应用的微控制器一个SPI接口，速率由微控制器自己设定的接口速度决定。nRF905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MCU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MCU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MCU成本，又同时缩短软件开发时间。如下2.5图是nRF905.图2.5 nRF905实物2.2.1.3低功耗MSP430F249MSP430F249单片机和接口芯片介绍MSP430F249单片机是一款16位的、具有精简指令集的、超低功耗的混合型单片机，具有丰富的片内外设和方便灵活的开发手段。另外，MSP430F249价格低廉，适应工业级运行环境，运行环境温度为4085。具有4个通用串行通信口，有UART、IIC、SPI。利用这些通信口再加上一款TUSB3410 USBTOUART桥接芯片即可方便的实现与PC机之间的通信。系统结构如图4所示，主机PC与MSP430之间可进行全双工串口通信，主机PC经TUSB3410虚拟的一个COM口与MSP430的硬件USART模块进行通信。图2.6 MSP430F249芯片2.2.1.4 友善之臂公司的mini6410型ARM11Mini6410是一款十分精致的低价高品质一体化ARM11开发板，由广州友善之臂设计、生产和发行销售。它采用三星S3C6410作为主处理器，在设计上承袭了 Mini2440“精于心，简于形”的风格，而且布局更加合理，接口更加丰富，十分适用于开发MID、汽车电子、工业控制、导航系统、媒体播放等终端设备；也可适用于 高校教学、嵌入式培训、个人研究学习和DIY等。具体而言，Mini6410具有双LCD接口、4线电阻触摸屏接口、100M标准网络接口、标准DB9五线串口、Mini USB 2.0-OTG接口、USB Host 1.1、3.5mm音频输出口、在板麦克风、标准TV-OUT接口、弹出式SD卡座、红外接收等常用接口；另外还引出4路TTL串口、CMOS Camera接口、40pin总线接口、30pin GPIO接口(可复用为SPI、I2C、中断等，另含3路ADC、1路DAC)、SDIO2接口(可接SD WiFi)、10pin Jtag接口等；在板的还有蜂鸣器、I2C-EEPROM、备份电池、AD可调电阻、8按键(可引出)、4LED等；同时还充分地发挥了6410支持SD卡启动这一特性，使用我们精心研制的superboot，无需连接电脑，只要把目标文件拷贝到SD卡中(可支持大于2G的高速大容量卡)，你就可以在开发板上极快极简单地自动安装或运行各种嵌入式系统(WindowsCE6/Linux/Android/Ubuntu等)；甚至无需烧写，就可以在SD卡上直接运行它们。如图2.7是mini6410外观图。图2.7 mini6410外观图2.2.2 模块设计2.2.2.1 前端传感器模块该传感器节点主要声音传感器和红外传感器组成的。被动声探测通道中，利用时延估计算法根据传声器阵列所测信号计算各个传声器之间的声程差，进而获得目标的方位或距离。在红外探测通道中，红外信号，即目标和背景的红外热对比度，经过光学系统后到达红外探测器转换成电信号，再由低频放大器放大并由信号处理电路接收。在信号处理电路部分，声波和红外两路低频信号经过AD变换后，分别输入到预处理电路中进行同步和简单的数据预处理，最后由ARM信号处理电路利用DS证据理论的融合检测算法对两路同步信号进行数据融合，从而获得目标监测结果。其中声探测模块探测到目标后启动红外探测模块完成目标的进一步监测的判断。声信号经前置放大、模拟滤波、AD转换等一系列预处理之后。转换成了与声信号相对应的数字量。结合低功耗、高稳定性、实时性强等特点，如下是声探测模块硬件电路。图2.8 声音传感器与放大器的结构图2.2.2.2 无线传送网络模块NRF905单片无线收发器是挪威Nordic公司推出的单片射频发射器芯片，工作电压为1.9-3.6V，32引脚QFN封装（5mm5mm），工作于433/868/915MHz3个ISM频道（可以免费使用）。NRF905可以自动完成处理字头和CRC（循环冗余码校验）的工作，可由片内硬件自动完成曼彻斯特编码/解码，使用SPI接口与微控制器通信，配置非常方便，其功耗非常低，以-10dBm的输出功率发射时电流只有11mA，在接收模式时电流为12.5mA。 nRF905单片无线收发器工作由一个完全集成的频率调制器，一个带解调器的接收器，一个功率放大器，一个晶体震荡器和一个调节器组成。ShockBurst工作模式的特点是自动产生前导码和CRC，可以很容易通过SPI接口进行编程配置。图2.9 nRF905与MSP430的链结硬件电路图2.2.2.3 ARM终端后台模块ARM信号后台处理平台模块。主要是负责处理接受到的有关目标采集信息并实现目标的监测显示的功能。在ARM平台通过串行口与MSP430F149低功耗单片机通信，而MSP430F149低功耗单片机通过串行口与无线射频传输芯片NRF905通信，最终接受到无线射频传输芯片NRF905无线传输过来的声音信号和红外信号后，通过软件的算法编程完成对声音和红外这两路信号的处理后，实现对目标的有效监控，并实时的把各种信号的参数值等参数显示在ARM平台的显示屏幕上。MSP430F249ARM终端平台 RS232串口 图2.10 mini6410与MSP430的硬件链结框图2.3 软件设计2.3.1 软件的整体设计思路软件的整体设计思路仍然是按照系统的三大模块展开的。按照单元系统的逐层自下而上的方式进行设计的。首先分别完成三大模块单独的程序，其次完成接口部分的程序，最终组成系统进而进行系统调试。如下图2.11是系统的软件整体设计框图。单元链接各模块接口程序数据采集程序整个系统软件单元链接系统组合无线传送程序单元链接ARM终端后台程序图2.11 系统的软件整体设计框图122.3.2 各模块的程序实现2.3.2.1 数据采集传感器有固定地非线性传感器和固定地线性传感器两种。通常用的都是固定地非线性传感器。在任何一个实用系统中都需要有支持电子，更常用的探测技术是使用放大设备来放大探头输出的极小的模拟信号，被放大的输出信号在被模拟过滤后能提高测量的准确性，最后通过AD转换成数字信号。如下图2.12便是固定地非线性传感器读取数据时序图。图2.12 固定地非线性传感器读取数据时序图而设计声音和红外数据采集程序时，首先需考虑怎么取出传感器的数据通过什么工具取出。根据本毕业设计要求，使用MSP430单片机读取传感器的数据。则需要选择通过IAR for MSP430开发环境来开发所需要的程序。如下图2.13便是固定地非线性传感器读取数据流程图。具体的程序实现见附录A。图2.13 固定地非线性传感器读取数据流程图2.3.2.2 无线传送无线传送的编程最主要是对射频芯片nRF905的编程。而nRF905主要有四种工作方式，即两种活动RX/TX 模式和两种节电模式种模式。活动模式有ShockBurst RX和 ShockBurst TX，节电模式有掉电 和 SPI编程、 STANDBY 和 SPI编程。本毕业设计则用到活动模式。而活动模式的编程最主要是配置和SPI读写SPI指令。如下图2.14和2.15分别是SPI编程的读写时序图。具体实现程序见附录B。图2.14 SPI读时序图图2.15 SPI写时序图2.3.2.3 ARM终端后台在ARM嵌入式处理器上移植了最新的Android操作系统，然后通过Eclipse软件使用JAVA开发Android系统的应用程序。同时程序中采用多线程的方式实现了ARM串口通信功能并动态显示声音、红外数据值的同时并使用进度条控件同步显示数据的大小。如下图2.16是ARM终端后台程序的流程图。具体程序代码见附录C。开 始系统初始化串口初始化、进度条初始化串口读取数据写到进度条中实时显示串口写数据到显示屏超过参定值产生相应动作（警报、响铃等）图2.16 ARM终端后台程序流程图2.4 接口设计2.4.1 MSP430与NRF905之间的SPI协议接口 SPI是Series Protocol Interface的缩写，这是一个4根信号线的串行接口协议，包括主从两种模式。四个接口信号是串行数据输入(MIS O，主设备输入，从设备输出)、串行数据输出(MOSI，主设备输出，从设备输入)、移位时钟(C SCK )和从设备使能(SS)o SPI接口的最大特点是由主设备时钟信号的出现与否来界定主/从设备间的通信。一旦检测到主设备时钟信号，就开始传输数据;时钟信号无效后，传输结束。在这期间，从设备必须被使能(SS信号保持有效)。MSP430F249单片机SPI的访问和控制是通过系统控制器中的4个特殊功能寄存器实.现的，控制寄存器(SPIOCN )、数据寄存器(SPIODAT )、配置寄存器(SPIOCFG )和时钟频率寄存器(SPIOCKR ) o McB SP的数据同步时钟具有停止控制选项，因此可以与SPI协议兼容。McBSP支持2种SPI传输格式，可在SPCR寄存器的CLKSTP位中设置。McB SP作为SPI主控端(Master )。图4.2.3.1是McB SP作为SPI主设备的接口框图。作为SPI主设备时，McBSP内部的采样率发生器驱动时钟CLKX输出，FSX输出作为从设备使能信号。实际上，在McBSP内部会产生连续的CLKX时钟，然后由使能信号选通后输出，从而实现接口需要的时钟停止模式。因此在McBSP一端，对物发的内部操作而言，时钟信号是连续的。用户需要设置SRGR寄存器的CLKSM位选择采样率发生器的时钟源，由CLKGDV位设置需要的SPI数据传输速率。由于McB SP产生CLKX和FSX信号输出，因此需设置CLKXM=FSXM -1。此外，还需要设置SRGR寄存器中的FSMG=0，即每次进行DXR到XSR的拷贝操作时要产生FSX信号。接口如图2.17所示。McBSP作为SPI从设备。由外部主设备产生接口时钟和从设备使能信号。McBSP的CLKX管脚和FSX管脚配置为输入管脚(CLKXM =FSXM =0 )。输入串口的CLKX和FSX同时也作为McBSP接收端的CLKR信号和FSR信号。在进行数据传输之前，外部主设备必须先置FSX信号有效(低电平)。作为SPI从设备时，串口RCR/XCR寄存器的(R/X)DATDLY位必须设0，以保证发送数据的第一个bit位能出现在DX管脚上。尽管CLKX信号由外部主设备产生，但仍然要使能McBSP内部的采样率发生器，并设置为相应的SPI模式。接口如图2.18所示。 图2.17 SPI接口(作为从设备) 图2.18 SPI接口(作为主设备)2.4.2 MSP430与ARM终端之间的RS-232-C串行接口RS-232-C是美国电子工业协会EIA（Electronic Industry Association）制定的一种串行物理接口标准。RS是英文“推荐标准”的缩写，232为标识号，C表示修改次数。RS-232-C总线标准设有25条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道。 在多数情况下主要使用主通道，对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线及一条地线。 RS-232-C标准规定的数据传输速率为50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。RS-232-C标准规定，驱动器允许有2500pF的电容负载，通信距离将受此电容限制，例如，采用150pF/m的通信电缆时，最大通信距离为15m；若每米电缆的电容量减小，通信距离可以增加。传输距离短的另一原因是RS-232属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于20m以内的通信。在RS-232标准中，字符是以一串行的比特串来一个接一个的串行（serial）方式传输，优点是传输线少，配线简单，传送距离可以较远。最常用的编码格式是异步起停（asynchronous start-stop）格式，它使用一个起始比特后面紧跟7或8 个数据比特（bit），然后是可选的奇偶校验比特，最后是一或两个停止比特。所以发送一个字符至少需要10比特，带来的一个好的效果是使全部的传输速率，发送信号的速率以10划分。一个最平常的代替异步起停方式的是使用高级数据链路控制协议（HDLC）。在RS-232标准中定义了逻辑一和逻辑零电压级数，以及标准的传输速率和连接器类型。信号大小在正的和负的315v之间。RS-232规定接近零的电平是无效的，逻辑一规定为负电平，有效负电平的信号状态称为传号marking，它的功能意义为OFF，逻辑零规定为正电平，有效正电平的信号状态称为空号spacing，它的功能意义为ON。根据设备供电电源的不同，5、10、12和15这样的电平都是可能的。 mark和space是从电传打字机中来的术语。电传打字机原始的通信是一个简单的中断直流电路模式，类似与圆转盘电话拨号的中的信号。Marking状态是指电路是断开的，spacing状态就是指电路是接通的。一个space就表明有一个字符要开始发送了，相应的停止的时候，停止位就是marking。当线路中断的时候，电传打字机不打印任何有效字符，周期性的连续收到全零信号 RS-232设计之初是用来连接调制解调器做传输之用，也因此它的脚位意义通常也和调制解调器传输有关。RS-232的设备可以分为数据终端设备（DTE，Data Terminal Equipment, For example, PC）和数据通信设备（DCE，Data Communication Equipment）两类，这种分类定义了不同的线路用来发送和接受信号。一般来说，计算机和终端设备有DTE连接器，调制解调器和打印机有DCE连接器。但是这么说并不是总是严格正确的，用配线分接器测试连接，或者用试误法来判断电缆是否工作，常常需要参考相关的文件说明。 RS-232指定了20个不同的信号连接，由25个D-sub（微型D类）管脚构成的DB-25连接器。很多设备只是用了其中的一小部分管脚，出于节省资金和空间的考虑不少机器采用较小的连接器，特别是9管脚的D-sub或者是DB-9型连接器被广泛使用绝大多数自IBM的AT机之后的PC机和其他许多设备上。DB-25和DB-9型的连接器在大部分设备上是雌型，但不是所有的都是这样。最近，8管脚的RJ-45型连接器变得越来越普遍，尽管它的管脚分配相差很大。EIA/TIA 561标准规定了一种管脚分配的方法，但是由Dave Yost发明的被广泛使用在Unix计算机上的Yost串连设备配线标准（Yost Serial Device Wiring Standard）以及其他很多设备都没有采用上述任一种连线标准。图2.19 RS232的时序电路图。图2.19 RS232的时序电路图3调试与结论3.1 功能方面ARM嵌入式处理器上移植了最新的Android操作系统，具有友好的人机互动界面。采用多线程的方式实现了ARM串口通信功能，能高效地与DSP及MSP430进行数据通信。在动态显示圆形度、温度、湿度等数据的同时，使用进度条控件同步显示数据的大小，更加直观、清晰，便于观察和决策。ARM数据显示模块如图3.1所示：图3.1 ARM数据显示模块5、无线数据传输模块采用低功耗MSP430单片机作为温湿度采集预处理器，同NRF905无线射频模块进行温湿度数据的无线传输，这种方式能采集更大范围的环境数据，从而大大提高数据的稳定性及可靠性，为森林火情的决策识别提供更为精准的信息。MSP430温度采集模块如图3.2所示：图3.2 MSP430温度采集模块3.2 性能方面本毕业设计的整个核心是无线传感网络的ARM平台的后台监测平台的设计，此平台不仅包含无线传感网络技术，而且还包含监测算法的设计。因此，在无线网络的硬件设计过程中根据实际的情况并结合自己的能力范围不断调整、不断修改才能达到理想的效果。而在ARM平台下的Android系统的简单开发过程中也遇到一些实际的问题。同时在开发的过程中认识到了知识储备的不足，眼界局限性，遇到很多方面的技术难题等等，因此，系统的各方面的性能仍不是很稳定的。以下是在实际中性能有待优化的主要问题：1.MCU控制的无线传感网络的编程以及ARM平台下的Android系统信号处理的智能监测与识别的算法编程优化问题。2.ARM平台下的Android系统简单开发的串口接收数据刷新和显示的实时刷新的同步问题。3.各模块接口的设计的速度延迟问题。4.无线传输模块的传输协议有待精简问题等4 总结与展望4.1 研究工作结论总结无线传感器网络可以通过各类微型传感器对目标信息进行实时监测,由传感器节点对信息进行处理,经无线通信网络将信息传送至远程用户。可广泛用于军事、精确农业、智能交通、汽车电子、工业控制、信息家电、医学仪器等各种嵌入式应用场合。近几年,随着计算机成本下降和微处理器体积缩小,无线传感器网络越来越受到人们重视。无线传感器网络技术在美国商业周刊的预测未来技术发展报告中，分别被列为21世纪最有影响的21项技术和改变世界的10大技术之一。无线传感器网络节点系统可以在多种环境中工作,按各种需要进行配置完成系统功能,并且在成本、空间、功耗、灵活性等方面具有明显的优势,能为开发和构造无线传感器网络开拓新的应用前景。在本毕业设计过程中主要研究了如下一些问题：1. 熟悉和掌握声音探测模块部分中声探测阵列、前置放大器、AD转换器等结构和工作原理。2. 熟悉和掌握红外探测模块的原理和应用。3. 熟悉和掌握无线传输模块的原理以及传输协议等。4. 掌握MCU控制模块的控制编程以及ARM处理的信号处理以及应用编程。5. 熟悉和掌握ARM平台下的Android系统的简单开发以及Keil、Protel、,Eclipse等软件的应用。6. 完成系统各功能模块的设计，搭建整个硬件系统，完成软件硬件的功能测试。7.两种传感器特性的识别原理和两种传感器复合信息的再融合技术。8. MCU控制的无线传感网络的编程以及ARM平台下的Android系统信号处理的智能检测与识别的算法编程。4.2 未来工作展望 特别是目标监测识别是智能系统的重要组成部分。如何在有干扰的情况下，在尽可能远的距离上快速有效地对目标进行可靠检测和准确识别，是现代智能监测与识别系统面临的重要挑战。而在当今的市场经济型社会中，不仅要考虑系统的性能，而且经济因素在整个系统中的关注度也在不断上升。所以，既要研究性能优异，又要经济实用性价比高的智能识别系统，因此，基于无线传感器网络的声红外复合监测与识别系统的研究将有十分广阔的应用前景，在军事国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多重要领域都有潜在的实用价值，已经引起了许多国家学术界和工业界的高度重视。具有较高的理论价值和实际经济意义以及广阔的市场应用前景。本文是本人对研究生期间工作的总结，由于时间有限，有些内容并未详细介绍，而且还存在很多不足和尚待进一步研究的工作，传感器和无线网络的相关技术也在不断进步之中:作者认为还可以从如下几方面开展未来的跟进工作：1、本文所用的传感器件并不一定是最优的选择，而且由于实验室条件有限，本文并没有就声音及红外探测器等光学器件进行详细的性能测试，因此在红外传感器的设计中还有很多工作要做。2、由于设计的传感器并未完全达到测试准确的要求，所以并未对于传感器进行长期的性能测试，对于具体的传感器安装也未仔细考虑，因此在具体的传感器安装等方面还需要选择可行的方案。3、对于无线传感器网络也仅是进行了初步的了解和测试，目前大多针对具体的传感器网络应用还在继续研究当中，而CC2430等硬件平台并离具体的应用要求还有差距。4、本人在了解了很多协议栈后认为，大多软件系统都应该根据具体的应用进行改进，比如协议栈的针对具体应用的精简等工作，以进一步减少功耗，增加系统的稳定性。因此实际还有很多问题函待解决。5、另外监控软件也还有很多功能可以添加，比如数据的实时曲线、数据分析等功能。6、进一步可以将一般的红外探头换成红外图像传感器，这样将更趋于可视化的监测。致谢时光飞逝，四年的本科生生涯已接近尾声。在这四年里，我得到了许多来自老师和同学们的关心和帮助。在此论文完成之际，我心中充满了对他们的感激之情。特别要衷心感谢我的导师老师对本人毕业设计的精心指导，感谢指导老师对我的教诲。导师在我研究工作的各个环节都进行耐心细致的指导，提出了十分重要的指导性的意见和建议，论文的每一部分都凝聚了导师的精心指导和辛勤劳作。无论是在学习上、还是在生活中给予我无私的关心和帮助，正是指导老师都给予我无微不至的关心和照顾和指导老师的悉心指导下，我完成了这篇论文的选题、研究、撰写和修改等各个过程。他的言传身教使我终生受益。在此对指导老师表示衷心的感谢。感谢工学院的老师们，是你们用知识培育我成长。最后由衷地感谢我的父母对我学业的支持和鼓励，多年来他们对我奉献了无私的爱才使我顺利完成学业，取得了今天的成绩。 参考文献：1 任丰原，黄海宁，林闯.无线传感器网络J. 软件学报，2003，14(7)2 汪朝群红外探测跟踪技术在复合寻的制导中的应用前景J红外与激光工程，2006，(2)3 丁建，胡昱希，等无线传感器网络节点应用的硬件设计J国外电子元器件，2008（8）4 张杰，涂巧玲，等传感器网络节点通信模块的低功耗研究J传感器与微系统，2009（9）5 方文森. 基于ARM与单片机无线传感器网络的研究与实现. 昆明理工大学硕士学位论文，2007，116 倪旭翔ARM Cortex-A8嵌入式系统开发与实践：WinCE与Android平台.上海：中国水利水电出版社2011，(1).7 王晓雷，吴必瑞，蒋群，毋炳鑫.基于MSP430的气体浓度监测及无线传输系统.仪表技术与传感器.2009, 4:7680.8 刘维平，安钢，罗建华.地面战场多目标声探测识别系统的研究.装甲兵工程学院学报.第14卷第1期.2000 (3): 60-63.9 李杰，李品，陈文聪.机动目标被动声定位仿真研究.北京理工大学学报.第24卷第6期.2004 (6): 449-562.10杨光临，陈明春，段晓辉，等人体红外探测前放电路信号输出特性分析J电子测量与仪器学报2007(增刊)：828511李丹，王芳，王旭，等热释电红外探测器的PSPICE仿真设计探讨J红外术，2006，28(3)：13914112张彪，胡慧，等基于MSP430F2247的无线数据采集节点的设计J传感器世界，2009（1）13董挺挺,沙超等。基于CC2420的无线传感器网络节点的设计J。电子工程师, 2007, ( 4)14方文森，许大丹.基于灯89C52的多处理器嵌入式系统.信息技术，2007，192(n)15魏敦军军用飞机红外热波无损检测技术研究D武汉：武汉理工大学，200716 陈大鹏，张存林，等超声红外技术在无损检测领域的中的应用J.激光红外，2008，38(8)：778-780.17LI Lin，ZHANG HeThe Miniaturization Design of Target Detecting andRecognition Circuit of Infrared Imaging FuzeAThe 6th InternationalSymposiumOnTestandMeasurementCDlian，China200518INA128/INA129.Precision Low Power INSTRUMENTAION AMPLIFIERS.BURR-BROWN, 1996.19C8051F000/1/2/5/6/7 Mixed-Signal 32KB ISP FLASH MCU Family. CYGNAL Integrated Product s Incorporation, 2002.20 AD7865 Four-Channel, Simultaneous Sampling, Fast, 14-Bit ADC. ANALOG DEVICES，2000.附录A 数据采集程序#include msp430 x14x.h/typedef unsigned char uchar;/typedef unsigned int uint;/*SHT10命令集*/ /adr command r/w#define STATUS_REG_W 0 x06 /000 0011 0#define STATUS_REG_R 0 x07 /000 0011 1#define MEASURE_TEMP 0 x03 /000 0001 1#define MEASURE_HUMI 0 x05 /000 0010 1#define RESET 0 x1e /000 1111 0/*/#define bitselect 0 x01 /选择温度与湿度的低位读#define noACK 0#define ACK 1#define HUMIDITY 2#define TEMPERATURE 1#define SCK BIT4#define SDA BIT5#define SVCC BIT3#define SCK_H P6OUT|=SCK#define SCK_L P6OUT&=SCK#define SDA_H P6OUT|=SDA#define SDA_L P6OUT&=SDA#define SVCC_H P6OUT|=SVCC#define SVCC_L P6OUT&=SVCC/*