基于nRF24L01新型無線溫度傳感系統(tǒng)設(shè)計

摘 要：采用nRF24L01作為無線收發(fā)模塊實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸，使用DS18B20溫度傳感器采集環(huán)境溫度，并用ATMEL公司的AT89C52作為主控芯片，協(xié)調(diào)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、處理、顯示及無線傳輸?shù)冗^程。溫度采集節(jié)點能夠利用溫度傳感器穩(wěn)定地采集周圍環(huán)境的溫度，并通過無線模塊將數(shù)據(jù)傳送到接收節(jié)點，顯示到LCD上。該設(shè)計具有性能穩(wěn)定、成本低、低功耗等特點，能夠廣泛應用于各類對溫度要求較為特殊的環(huán)境下溫度數(shù)據(jù)的檢測。

關(guān)鍵詞：nRF24L01；DS18B20；無線通信；溫度傳感

中圖分類號：TP391.44 文獻標識碼：A

1 引言（Introduction）

采用無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)設(shè)計的溫度采集系統(tǒng)[1]，能有效的解決傳統(tǒng)有線技術(shù)帶來的各種問題，其具有不用布線、故障排查簡單、實時性高、可靈活布置、可實現(xiàn)多點采集，非常適用于各種現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)溫度監(jiān)控系統(tǒng)[2]?；跓o線通信的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以靈活地為終端用戶提供實時而準確的信息[3]，無論是在系統(tǒng)性能，還是在系統(tǒng)成本上，相對于傳統(tǒng)技術(shù)，無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)都具有很強的吸引力[4]，它將在各個領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中發(fā)揮積極的作用[5]。傳統(tǒng)的溫度采集系統(tǒng)所采集的溫度通過RS485、CAN總線通信方式傳輸至上位機，但這種方式維護較困難，不利于工業(yè)現(xiàn)場生產(chǎn)[6]；因此可采用工業(yè)級內(nèi)置硬件鏈路層協(xié)議的低成本單芯片nRF24L01型無線收發(fā)器件實現(xiàn)系統(tǒng)間的無線通信[7]，完成無線信號的接收、顯示及報警功能。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計（System design）

系統(tǒng)硬件設(shè)計主要由采集發(fā)送和接收顯示、告警三部分組成，圖1為整體系統(tǒng)框圖，采用DS18B20作為溫度采集元件，配合低功耗單片機的使用就可以很好地彌補傳統(tǒng)上的不足。采用nRF24L01模塊對采集到的溫度數(shù)據(jù)進行無線傳輸，打破了傳統(tǒng)操作中距離受限的問題，使測溫操作更易實現(xiàn)。系統(tǒng)設(shè)計了四個溫度采集節(jié)點、一個數(shù)據(jù)接收節(jié)點。四個溫度采集節(jié)點可以實現(xiàn)系統(tǒng)對監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的溫度進行全方位的監(jiān)測，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性和全面性。其中四個溫度采集節(jié)點的電路是一樣的，都是使用AT89S52作為核心處理器，控制其他各個功能器件有序工作。接收節(jié)點電路相對于發(fā)射節(jié)點，多了一個LCD液晶顯示模塊，沒有溫度采集模塊。

圖1 整體系統(tǒng)框圖

Fig.1 Overall block diagram of the system

各節(jié)點中串口模塊主要有兩方面的作用，一個是用于程序的下載，方面系統(tǒng)在線調(diào)試；另一個是將采集到的溫度數(shù)據(jù)實時地傳輸?shù)缴衔粰C中，對數(shù)據(jù)進行觀察和分析。節(jié)點中的RF模塊由于需要3.3V的電源供電，所以每個節(jié)點還設(shè)計了一個5V轉(zhuǎn)3.3V的穩(wěn)壓電路。

3 系統(tǒng)硬件及軟件設(shè)計（System hardware and

software design）

設(shè)計一套基于nRF24L01的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能夠通過系統(tǒng)的多個溫度采集節(jié)點，采集周圍的環(huán)境溫度數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過無線射頻電路發(fā)送到接收端，在接收端顯示出各節(jié)點的溫度值。同時，系統(tǒng)要求能過對溫度數(shù)據(jù)進行分析和判斷，如出現(xiàn)異常，則發(fā)出警報。主要包括：

（1）溫度采集模塊，溫度傳感器的功能是實現(xiàn)環(huán)境溫度的采集。采用DS18B20數(shù)字型溫度傳感器作為系統(tǒng)的溫度采集器件，可以很好地滿足系統(tǒng)的設(shè)計需求。

（2）無線收發(fā)模塊，射頻收發(fā)芯片要求能夠穩(wěn)定地用于系統(tǒng)傳輸溫度數(shù)據(jù)，實現(xiàn)系統(tǒng)無線通信。系統(tǒng)采用的nRF24L01型無線射頻收發(fā)芯片工作于2.4—2.5GHz頻段的射頻芯片，其具有6個可選通信通道，非常契合系統(tǒng)的設(shè)計需求。

（3）LCD顯示模塊，系統(tǒng)要求能夠在接收端將接收到的溫度數(shù)據(jù)實時顯示出來，以便用戶觀察。12864型LCD顯示器能夠顯示多種圖形和文字，且尺寸小，驅(qū)動相對簡單，使用靈活性好，能夠滿足系統(tǒng)的設(shè)計需求。

（4）主控制模塊，基于對處理器的處理能力和開發(fā)成本的考慮，系統(tǒng)決定采用AT89S52型單片作為系統(tǒng)的核心處理器。AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8k在系統(tǒng)可編程Flash存儲器，能很好地滿足系統(tǒng)的處理需求。

（5）報警模塊，系統(tǒng)的報警系統(tǒng)對器件的要求比較簡單，它只需在溫度異常時，起到提醒用戶的效果。系統(tǒng)采用了一種低成本、易控制的報警器——蜂鳴器，作為系統(tǒng)的報警器件，同時配置一個LED燈起輔助作用，達到聽覺和視覺的雙重報警效果。

系統(tǒng)的程序開發(fā)語言為C-51，開發(fā)工具為Keil軟件。系統(tǒng)的程序設(shè)計包括數(shù)據(jù)采集節(jié)點和數(shù)據(jù)接收節(jié)點的程序設(shè)計，其流程圖分別如圖2（a）和圖2（b）所示。

（a）發(fā)送節(jié)點程序流程圖 （b）接收節(jié)點程序流程圖

圖2 系統(tǒng)收、發(fā)節(jié)點的程序流程圖

Fig.2 Sending and receiving node program flow

chart of the system

系統(tǒng)主要涉及到溫度采集模塊、無線射頻模塊、LCD顯示模塊、串口數(shù)據(jù)傳輸模塊的編程，接下來將重點介紹這幾個模塊的軟件實現(xiàn)過程。

數(shù)據(jù)采集發(fā)送部分上電后首先配置nRF24L01的相關(guān)寄存器.使其工作在發(fā)射狀態(tài)，然后復位DSl8B20，向DSl8B20發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換命令，讀取已轉(zhuǎn)換的溫度值，然后由nRF24L01發(fā)送。主CPU需要用芯片特定的指令系統(tǒng)來訪問芯片的寄存器，讀寫寄存器時，也要注意SPI總線的CSN時序，CSN是芯片的使能端口，當CSN為低電平時，主CPU才能有效地向芯片讀寫數(shù)據(jù)。因此，向芯片讀寫一個字節(jié)的指令或數(shù)據(jù)時，必需先把CSN拉低，讀寫完成后再釋放。實現(xiàn)程序如下：

uint SPI_RW_Reg（uchar reg， uchar value）

{uint status；

CSN=0； //拉低CSN，選通芯片

status=SPI_RW（reg）； //選擇寄存器地址

SPI_RW（value）； //并寫入相應的數(shù)據(jù)值

CSN=1； //釋放CSN，結(jié)束通信過程

return（status）； //返回寄存器狀態(tài)值

}

nRF24L01在數(shù)據(jù)接收顯示中為接收狀態(tài)。當nRF24L01模塊配置為接收模式后，當接收到數(shù)據(jù)中斷時，從接收FIFO讀取數(shù)據(jù)。然后將其存儲到接收緩沖區(qū)rX_bur中。12864液晶顯示屏分為左右半屏顯示，每個半屏有8頁64列，分別由使能端CS1、CS2來選通。由于左右半屏在同一位置像素點共用一個地址，因此，要單獨顯示左、右半屏時，只能選通其中一個使能端。液晶通過一個8位的并行I/O口來傳輸數(shù)據(jù)，單片機對I/O口送入的數(shù)據(jù)之后，通過控制LCDEN端口產(chǎn)生一個下降沿來鎖存數(shù)據(jù)。函數(shù)首先開通兩個使能端CS1、CS2，實現(xiàn)同時對兩個半屏清屏，然后設(shè)置起始頁碼和起始列，通過循環(huán)語句，不斷地寫入數(shù)據(jù)0，實現(xiàn)對整個屏幕清零。當要寫入其他數(shù)據(jù)時，同樣只需選通相應半屏，設(shè)置起始頁碼和起始列地址，在通過尋址的方式寫入所需的數(shù)據(jù)即可。

4 系統(tǒng)調(diào)試（System debugging）

系統(tǒng)的調(diào)試主要有硬件調(diào)試和軟件調(diào)試兩部分。由于系統(tǒng)的硬件電路板是自制的，從PCB畫圖到腐蝕、焊接，整個過程都是手工完成的，這就難免使電路板存在一些誤差和故障，所以，硬件調(diào)試的主要內(nèi)容就是在制作好電路板之后，檢測電路板的電氣連接是否正確，上電后各關(guān)鍵測試點的電壓是否正常等。在確保了硬件電路沒有問題之后，才可以進

入系統(tǒng)的軟件調(diào)試部分。系統(tǒng)軟件的作用就是控制系統(tǒng)主CPU協(xié)調(diào)系統(tǒng)其他各功能部件能夠正常有序地工作。本系統(tǒng)需要軟件控制的模塊主要是DS18B20溫度采集、射頻模塊、12864液晶顯示及蜂鳴器報警等。在軟件調(diào)試時，應該分模塊進行，各個擊破，最后整體聯(lián)調(diào)。

根據(jù)最終調(diào)試運行結(jié)果，系統(tǒng)可以實現(xiàn)4個節(jié)點的溫度的采集，并將數(shù)據(jù)通過無線射頻模塊發(fā)送到接收節(jié)點；在接收節(jié)點，4路溫度數(shù)據(jù)能夠穩(wěn)定地顯示在LCD屏上，并通過串口發(fā)送到PC機中。系統(tǒng)完成了本設(shè)計的要求，可應用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學研究、環(huán)境衛(wèi)生及各種日常生活中，并將發(fā)揮積極的作用。

5 結(jié)論（Conclusion）

采用高度集成的nRF24L01器件，大大簡化了系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計，減小了體積，提高了系統(tǒng)工作的可靠性。降低了系統(tǒng)成本，縮短了開發(fā)時間。實踐證明該系統(tǒng)設(shè)計簡單、成本低廉、通信可靠、運行穩(wěn)定、性能可靠，能夠廣泛應用于各類對溫度要求較為特殊的環(huán)境下溫度數(shù)據(jù)的檢測，具有較高的實用價值。

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作者簡介：

徐艷玲（1979-），女，碩士，講師.研究領(lǐng)域：計算機網(wǎng)絡(luò)，數(shù)

據(jù)庫應用.