基于nRF24L01的無線溫濕度測(cè)試系統(tǒng)

馬瑾，裴東興，張少杰

（中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，山西 太原 030051）

隨著科技的進(jìn)步和現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，溫度和濕度的測(cè)量和控制對(duì)人類日常生活、工業(yè)生產(chǎn)、氣象預(yù)報(bào)、物資倉(cāng)儲(chǔ)等都將起著越來越重要的作用。在傳統(tǒng)的溫濕度測(cè)量中，分別采用溫度傳感器和濕度傳感器采集溫度和濕度信號(hào)，并通過布置大量的電纜或?qū)Ь€進(jìn)行有線傳輸。在多測(cè)點(diǎn)的情況下，這種方法無疑大大增加了成本和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，同時(shí)安裝拆卸繁瑣，不靈活，信號(hào)容易受到干擾[1]。因此，本次設(shè)計(jì)運(yùn)用了數(shù)字式溫濕度一體傳感器SHT11，能夠同時(shí)采集溫度和濕度信號(hào)，并直接輸出數(shù)字信號(hào)；采用無線收發(fā)一體射頻模塊nRF24L01，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行無線傳輸；采用MSP430單片機(jī)設(shè)計(jì)低功耗采集存儲(chǔ)電路。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和工作原理

本次設(shè)計(jì)的無線溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)有上位機(jī)子系統(tǒng)和下位機(jī)子系統(tǒng)兩個(gè)部分組成[2]。上位機(jī)子系統(tǒng)由主控芯片MSP430單片機(jī)、無線射頻接收模塊、天線、液晶顯示模塊、電源模塊、時(shí)鐘模塊、串口通信模塊、終端設(shè)備等組成。上位機(jī)子系統(tǒng)原理框圖如圖1所示；下位機(jī)子系統(tǒng)由主控芯片MSP430單片機(jī)、溫濕度傳感器、無線射頻發(fā)射模塊、天線、電源模塊以及時(shí)鐘模塊等組成。下位機(jī)子系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

圖1 上位機(jī)子系統(tǒng)原理框圖Fig.1 PC subsystem block diagram

圖2 下位機(jī)子系統(tǒng)原理框圖Fig.2 Test subsystem block diagram

在下位機(jī)子系統(tǒng)中，由數(shù)字溫濕度傳感器SHT11分別對(duì)溫度和濕度信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，在主控芯片MSP430單片機(jī)的控制下通過無線發(fā)送模塊nRF24L01將溫濕度數(shù)字信號(hào)發(fā)送到上位機(jī)子系統(tǒng)；在上位機(jī)子系統(tǒng)中，在MSP430主控單元的作用下，通過無線射頻接收模塊接收下位機(jī)子系統(tǒng)發(fā)送過來的溫濕度數(shù)字信號(hào)，一方面通過液晶顯示模塊實(shí)時(shí)顯示接收到的溫濕度數(shù)值，一方面通過串口通信模塊與終端設(shè)備進(jìn)行通信，在終端設(shè)備中利用軟件讀取數(shù)據(jù)并繪制曲線。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 微控制器的選擇

MSP430系列單片機(jī)是美國(guó)德州儀器（TI）公司推出的一種16位超低功耗的混合信號(hào)處理器。它的電源電壓采用1.8～3.6 V低電壓，RAM數(shù)據(jù)保持方式下耗電僅為0.1 μA，活動(dòng)模式耗電為250 μA/MIPS，I/O輸入端口的漏電流最大僅為50 nA。此外，它共有一種活動(dòng)模式和5種低功耗模式。MSP430具有強(qiáng)大的處理能力、高性能模擬技術(shù)及豐富的片上外圍模塊[3]。由于本次設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)需要長(zhǎng)期在測(cè)試環(huán)境中采集溫濕度信號(hào)，并利用電池供電，所以低功耗的要求就必須考慮。

2.2 溫濕度傳感器

SHT11是一款高度集成的溫濕度傳感器芯片，它采用專利的CMOSens技術(shù)，提供全量程標(biāo)定的數(shù)字輸出；由于采用了優(yōu)化的集成電路形式使其具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。該傳感器包括一個(gè)電容性聚合體濕度敏感元件和一個(gè)用能隙材料制成的溫度敏感元件，并在同一芯片上與14位的A/D轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路實(shí)現(xiàn)無縫連接。每個(gè)傳感器芯片都在極為準(zhǔn)確的濕度腔室中以鏡面冷凝式濕度計(jì)為參照進(jìn)行標(biāo)定；兩線制的串行接口與內(nèi)部的電壓調(diào)整，使外圍系統(tǒng)集成變得快速而簡(jiǎn)單[4]。SHT11具有體積微小、功耗極低、抗干擾能力強(qiáng)、響應(yīng)快速等優(yōu)點(diǎn)。

2.3 nRF24L01無線傳輸模塊

nRF24L01是一款新型單片射頻收發(fā)一體器件，工作于2.4～2.5 GHz ISM頻段。其內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊，并融合了增強(qiáng)型ShockBurst技術(shù)，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置。nRF24L01功耗很低，在－6 dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作電流只有9 mA；接收模式時(shí)，工作電流只有12.3 mA；有掉電模式和待機(jī)模式兩種低功率工作模式使節(jié)能設(shè)計(jì)更方便[5]。nRF24L01采用GFSK調(diào)制，具有自動(dòng)應(yīng)答和自動(dòng)再發(fā)射功能，片內(nèi)自動(dòng)生成報(bào)頭和CRC校驗(yàn)碼的特性。

2.4 SPI連接

MSP430單片機(jī)與nRF24L01無線收發(fā)模塊之間利用同步串行口SPI進(jìn)行雙向通信[6]。nRF24L01的SPI總線有SCK（SPI時(shí)鐘）、MISO（主入從出）、MOSI（主出從入）、CSN（SPI使能）。MSP430通過控制PWR_UP、PRIM_RX以及CE3個(gè)引腳的高低電平使nRF24L01分別處于發(fā)射模式、接收模式、待機(jī)模式以及掉電模式，IRQ是中斷標(biāo)志位。MSP430與nRF24L01的連接圖如圖3所示。

圖3 MSP430與nRF24L01的連接圖Fig.3 Connection diagram of MSP430 and nRF24L01

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 無線發(fā)送模式流程

1）MCU控制引腳CE為低，使nRF24L01進(jìn)入待機(jī)模式I，配置其寄存器[7]；

2）當(dāng)MCU有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，接收節(jié)點(diǎn)地址（TX_ADDR）和有效數(shù)據(jù)（TX_PLD）通過SPI接口寫入 nRF24L01，當(dāng) CSN為低時(shí)數(shù)據(jù)被不斷地寫入。發(fā)送端發(fā)送完數(shù)據(jù)后，將通道0設(shè)置為接收模式來接收應(yīng)答信號(hào)，其接收地址（RX_ADDR_P0）與接收端地址（TX_ADDR）相同；

3）設(shè)置PRIM_RX為低、CE為高，啟動(dòng)發(fā)射模塊，CE高電平持續(xù)時(shí)間最小為10 μs；

4）nRF24L01 ShockBurst發(fā)送模式：無線系統(tǒng)上電、啟動(dòng)內(nèi)部16 MHz時(shí)鐘、無線發(fā)送數(shù)據(jù)打包、高速發(fā)送數(shù)據(jù)；

5）數(shù)據(jù)發(fā)送完后，立即進(jìn)入接收模式。如果在有效應(yīng)答時(shí)間范圍內(nèi)收到應(yīng)答信號(hào)，則認(rèn)為數(shù)據(jù)成功發(fā)送到了接收端，此時(shí)狀態(tài)寄存器的TX_DS位置高并把數(shù)據(jù)從TX_FIFO中清除掉；如果在設(shè)定時(shí)間范圍內(nèi)沒有接收到應(yīng)答信號(hào)，則重新發(fā)送數(shù)據(jù)，如果自動(dòng)重發(fā)計(jì)數(shù)器溢出，則狀態(tài)寄存器的MAX_RT位置高，不清除TX_FIFO中的數(shù)據(jù)。當(dāng)MAX_RT或TX_DS為高電平時(shí)IRQ引腳產(chǎn)生中斷，IRQ中斷通過寫狀態(tài)寄存器來復(fù)位。如果重發(fā)次數(shù)在達(dá)到設(shè)定的最大重發(fā)次數(shù)時(shí)還沒有收到應(yīng)答信號(hào)的話，在MAX_RX中斷清除之前不會(huì)重發(fā)數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包丟失計(jì)數(shù)器 （PLOS_CNT）在每次產(chǎn)生MAX_RT中斷后加一；

6）如果CE置低，則系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)模式I，如果不設(shè)置CE為低，則系統(tǒng)會(huì)發(fā)送TX_FIFO寄存器中下一包數(shù)據(jù)，如果TX_FIFO寄存器為空且CE為高則系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)模式II；

7）如果系統(tǒng)在待機(jī)模式II，當(dāng)CE置低后系統(tǒng)立即進(jìn)入待機(jī)模式I。

nRF24L01的發(fā)送模式的程序流程圖如圖4所示。

圖4 無線發(fā)送流程圖Fig.4 Wireless sending flow chat

3.2 無線接收模式流程

1）MCU將nRF24L01的CE引腳置低，使其進(jìn)入待機(jī)模式I，并對(duì)其寄存器進(jìn)行配置；

2） 將 PWR_UP、PRIM_RX、CE引腳置高， 使 nRF24L01進(jìn)入接收模式；

3）130 μs后nRF24L01開始檢測(cè)空中信息；

4）接收到有效的數(shù)據(jù)包后（地址匹配、CRC校驗(yàn)正確），將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在RX_FIFO中，同時(shí)RX_DR位置高，并產(chǎn)生中斷；

5）發(fā)送確認(rèn)信號(hào)；

6）MCU設(shè)置CE腳為低，使nRF24L01進(jìn)入待機(jī)模式I；

7）MCU通過SPI口以合適的速率將數(shù)據(jù)讀出。

nRF24L01的接收模式的程序流程圖如圖5所示。

圖5 無線接收流程圖Fig.5 Wireless receiving flow chat

4 結(jié) 論

文中設(shè)計(jì)了一種低功耗、高可靠性的溫濕度測(cè)試系統(tǒng)。經(jīng)測(cè)試本系統(tǒng)在空曠環(huán)境下可靠通信距離達(dá)到220 m，可以滿足實(shí)際測(cè)試需要。

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