基于nRF24L01的無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用研究

朱山川

（滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程系，安徽 滁州 239000）

無線傳感網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)等各種自動化技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的一個研究熱點，它可以對大量感知數(shù)據(jù)進行分布式處理，提高感知數(shù)據(jù)中的準確性.另外，網(wǎng)絡(luò)化傳感器能夠重點關(guān)注網(wǎng)絡(luò)中其他傳感器指出的關(guān)鍵事件.本文對無線網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點設(shè)計進行研究，設(shè)計一種適合于工業(yè)環(huán)境下溫度測量的低功耗無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，以低功耗單片機MSP430F2012為基礎(chǔ)，使用線式數(shù)字溫度傳感器DS18B20對溫度進行測量，通過一線總線傳給430單片機.單片機通過射頻收發(fā)芯片nRF24L01與基站通信，接受基站下發(fā)的系統(tǒng)設(shè)定參數(shù)（溫度超限定值），在溫度超限時上傳實際溫度值；通過nRF24L01接收基站的溫度查詢命令，上傳實測溫度值.

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

測溫節(jié)點由溫度傳感器、單片機和無線射頻芯片三個主要部分組成，圖1是硬件設(shè)計原理的整體示意框圖.

圖1 硬件設(shè)計原理

1.1 硬件選型

針對無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中的能耗問題，尤其是對測溫節(jié)點，對節(jié)能且高效有更重要的要求.所以，本文的硬件選型注重節(jié)能要求，本文的具體選型如下：

（1）單片機選用低功耗單片機MSP430F2012，該型號單片機采用矢量中斷，支持多個中斷源，并可以任意嵌套，用中斷請求喚醒CPU最短可達1 μm，所以該款單片機具有較低的功耗；（2）溫度傳感器采用數(shù)字型智能傳感器DS18B20，是美國DALLAS公司推出的一種可組網(wǎng)數(shù)字式傳感器［1］，具有單總線通信的優(yōu)點；（3）無線收發(fā)芯片選用nRF24L01，其可以工作于世界通用ISM頻段，且具有待機模式.

1.2 硬件整體連接設(shè)計

圖2 硬件整體連接設(shè)計

本文所設(shè)計硬件系統(tǒng)如圖2所示，在傳感器DS18B20的信號線與單片機的連接采用三線制方式，單片機MSP430的P1.0作為DS18B20的DQ數(shù)據(jù)接口的數(shù)據(jù)輸入，作為信號線使用，輸入數(shù)據(jù)和讀取數(shù)據(jù)時都采用位傳送的方式，P1.1口作為24L01 的CE信號，即片選信號；P1.2 作為24L01的SCN信號，即SPI的使能信號；P1.4連SCK，作為時鐘信號；P1.5連在MISO（主入從出）引腳上；P1.6連在MOSI（主出從入）引腳上；P1.7接IRQ，作為信號輸入口，接收來自24L01的中斷信號.

DS18B20內(nèi)部的溫度轉(zhuǎn)換裝置將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號.數(shù)據(jù)讀入單片機后即可進行處理，讀出的溫度值與基站送來的溫度限值比較是否超過限值，若超過溫度限值則報警，再將處理結(jié)果送至24L01發(fā)送給基站.本文設(shè)計時沒有直接使用單片機的SPI接口，而是采用普通I/O接口模擬SPI接口的方式同無線收發(fā)芯片進行通信.

2 軟件設(shè)計

2.1 軟件流程設(shè)計

在本文設(shè)計中傳感器需要對周圍的環(huán)境溫度定時進行采集，然后轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送給單片機，單片機對溫度值進行判斷處理后，如果超過限值則立即上傳給基站，若正常將處理結(jié)果送至24L01定時發(fā)送給基站.而如果基站向節(jié)點單片機下達一些任務(wù)執(zhí)行命令，就需要單片機將收發(fā)設(shè)備接收到的數(shù)據(jù)傳達給溫度采集模塊.軟件設(shè)計流程圖如圖3所示：

圖3 軟件工作流程

在主函數(shù)中，主要采用調(diào)用各個部分的子函數(shù)來實現(xiàn)整體功能.利用MSP430內(nèi)部的定時裝置，定時時間到定時器會提出中斷，CPU便會去響應(yīng)相應(yīng)的中斷子程序.

2.2 溫度數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計

溫度數(shù)據(jù)采集流程如圖4所示.本文設(shè)計使用DS18B20的三個功能命令：溫度轉(zhuǎn)換（44H），寫暫存器（4EH），讀暫存器（BEH）.DS18B20加電后處于低功耗待命狀態(tài)，MCU每次必須發(fā)送轉(zhuǎn)換溫度命令（44H）來初始化DS18B20采集溫度數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù) A/D轉(zhuǎn)換，最終結(jié)果保存在中間暫存器的溫度寄存器，然后返回待命狀態(tài).在轉(zhuǎn)換過程中，控制器可以查詢當(dāng)前狀態(tài)，轉(zhuǎn)換進行中返回0，轉(zhuǎn)換結(jié)束返回1［2］.工作時DS18B20從最低byte的最低bit開始發(fā)送溫度數(shù)據(jù)，如果只需要接收部分寄存器中的數(shù)據(jù)，則可通過發(fā)送復(fù)位脈沖來使DS18B20停止發(fā)送后續(xù)數(shù)據(jù).

圖4 溫度數(shù)據(jù)采集流程

2.3 數(shù)據(jù)收發(fā)軟件設(shè)計

為配合硬件設(shè)計中利用MSP430F2012 的普通I/O 口模擬SPI 串口通信，軟件設(shè)計對nRF24L01 的數(shù)據(jù)包處理方式采用增強型ShockBurstTM模式.這種模式可以在不增加MCU工作量的提前下，同時控制應(yīng)答及重發(fā)功能，因而能夠更加方便有效地執(zhí)行雙向鏈接協(xié)議.數(shù)據(jù)接收和發(fā)送流程如圖5所示.

圖5 數(shù)據(jù)接收和發(fā)送流程

工作過程中對于延時部分設(shè)計時采用調(diào)用延時子程序的方法.MSP430F2012的指令周期是62.5ns，通過設(shè)置循環(huán)次數(shù)來設(shè)置所需的延時.對于定時發(fā)送數(shù)據(jù)的需求，本設(shè)計采用單片機內(nèi)部定時器A，定時器A的寄存器需要配置，通過設(shè)置MC1、MC2改變計數(shù)模式，TAIE為1允許定時器溢出中斷，定時器溢出標志位TAIFG程序中若置為1，說明定時到，即可向CPU提中斷，CPU響應(yīng)相應(yīng)的中斷服務(wù)子程序.單片機中的寄存器都可以直接訪問，繼而可以對其各個位進行讀寫.時鐘源采用單片機內(nèi)部的時鐘源，即將SSEL1、SSEL0設(shè)置為10，使用系統(tǒng)時鐘（MCLK）.根據(jù)時鐘選擇的的低速或高速頻率和需要的定時時間算出計數(shù)初值.時鐘信號可以根據(jù)需要進行1、2、4、8分頻后使用.

3 結(jié)語

本文基于nRF24L01的性能特點，采用數(shù)字傳感器DS18B20進行溫度的采集工作，并利用低功耗單片機MSP430F2012作為軟件設(shè)計平臺，對無線傳感網(wǎng)絡(luò)的測溫節(jié)點進行硬件和軟件的相關(guān)設(shè)計.實現(xiàn)節(jié)點的測溫以及溫度超限報警任務(wù).并可以利用nRF24L01進行數(shù)據(jù)的無線傳輸，實現(xiàn)節(jié)點同基站間的無線通信.

［1］劉俊伏，宗云.DS18B20與單片機的接口及編程技術(shù)［J］.河北工業(yè)科技，2007（4）：227-229.

［2］張鵬，熊磊，姚東蘋.分辨率可編程的一線總線數(shù)字溫度計DS18B20及其應(yīng)用［J］.電子產(chǎn)品世界，2002（2）：20-23.

［3］張陽陽，顧葉丹，潘日敏.基于C8051F單片機的汽車超載實時控制系統(tǒng)［J］.微計算機信息，2011（11）：62-63.