基于無線通信技術的溫度報警器設計與實現(xiàn)?

梁越勇 季航宇 浦希成

（江蘇科技大學計算機科學與工程學院 鎮(zhèn)江 212003）

1 引言

無論是現(xiàn)代家居生活，還是工農業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈，無線監(jiān)控和無線報警之類的設計都會給生產(chǎn)、生活帶來很大的效率提高，目前無線通信領域也是研究的重點，因此研究無線溫度報警器系統(tǒng)具有極高的社會價值和廣闊的市場前景。本系統(tǒng)在無線通信方面采用的是 NRF24L01 無線射頻模塊［1～2］，工作于2.4GHz～2.5GHz ISM頻段。內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器等功能模塊，并融合了增強型ShockBurst技術［3］。此設計軟件編程基于STC89C52單片機完成的，發(fā)射機和接收機主要包括主函數(shù)、溫度讀取函數(shù)、中斷服務函數(shù)和判斷報警信號函數(shù)。其中，主函數(shù)完成了查詢和顯示報警信號的功能；中斷服務函數(shù)消除了外部中斷源INT0的中斷標志，使整個程序能實現(xiàn)實時控制；判斷報警信號函數(shù)檢測中斷信號是否為上一次的信號。本文的結構含溫度報警器的系統(tǒng)總體設計、硬件子系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)以及軟件子系統(tǒng)的分析與設計，最后對系統(tǒng)進行了測試與評價。

2 系統(tǒng)總體設計

2.1 功能模塊組成

本系統(tǒng)由發(fā)射機和接收機兩大部分組成，我們根據(jù)需要在接收機上設置好一個合理的溫度范圍，發(fā)射機放在需要檢測的環(huán)境下，當被檢測的當前環(huán)境溫度超出了所設置好的溫度范圍時，接收機上蜂鳴器［4］發(fā)出警報。

2.2 系統(tǒng)設計思路

nRF24L01芯片具有兩種通信模式：直接模式和突發(fā)模式，使用nRF24L01芯片特有的突發(fā)模式，可以提高系統(tǒng)整體的性能和效率［5］。無線傳輸?shù)挠行Ь嚯x和發(fā)射功率、接收靈敏度、工作頻率有關。想要實現(xiàn)更遠的無線傳輸，一般可以從改善接收機的靈敏度入手。此次設計的模型是無線溫度報警器，實現(xiàn)的傳輸距離是20m左右?；谝陨戏治?，我們需要先在接收機設置好溫度的上下限，然后把發(fā)射機放到待檢測的環(huán)境下，實時地檢測環(huán)境的溫度是否達標。

3 硬件子系統(tǒng)的設計及實現(xiàn)

3.1 硬件整體布局

無線溫度報警器由發(fā)射機和接收機組成，發(fā)射機負責傳感器溫度的測量，通過24L01模塊把數(shù)據(jù)實時傳給接收機，主要器件有STC89C52單片機、DS18B20溫度傳感器、24L01無線模塊、12M晶振等。接收機通過24L01無線通信模塊實時接收來自發(fā)射機的數(shù)據(jù)，然后交給STC89C52單片機來判斷是否需要報警。接收機電子元件主要有STC89C52單片機、24L01無線射頻通信模塊、LCD1602液晶顯示屏、5V有源蜂鳴器等。

硬件整體布局如圖1所示。

圖1 硬件整體布局

3.2 電源設計

本設計中使用的電源需要單獨進行設計，由于正常用電是220V的交流電，而STC89C52和其他功能模塊是在5V直流電源下工作的，所以需要另外設計一個5V直流電源。要得到穩(wěn)定可用的DC5V電源，要將50Hz的交流電經(jīng)降壓變壓器降為12V交流電，然后通過橋式整流器、電容濾波后得到12*0.9=10.8的直流電，由于不夠穩(wěn)定，所以還要在該直流電后面加一個集成穩(wěn)壓塊和一個較大電容作為儲能用，使得輸出電壓不因負載的變化而影響。

電源對模塊的整體運行十分重要，嚴格設計的電源可以大大降低模塊的非正常關機率。由于本溫度報警器的設計是一個獨立運行的計算機微系統(tǒng)，通常情況下應通過指令AT^SMSO來進行關閉，同時一定要確認模塊關機后再進行切斷電源的操作。在實際應用中，如果系統(tǒng)會時常發(fā)生斷電情況，則需要為該溫度報警器配備備用電池，以保證系統(tǒng)的正常工作。我們在設計的5V電源后加一個TR1972-33，使得電壓約為4.4V，再接一個470μF的電解電容。

電源設計電路圖如圖2所示。

圖2 電源設計電路圖

3.3 STC89C52單片機

本設計中實用的STC89C52單片機是STC公司最新推出的一種新型51內核的單片機。該單片機的指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機，12時鐘/機器周期和6時鐘/機器周期可以任意選擇［6］。片內含有Flash程序存儲器、SRAM、UART、SPI、PWM等模塊。Flash存儲器的最大特點是可以在線重新編程，適用一般的編程器。8位的CPU和在線編程Flash進行集成化處理，使得STC89C52單片機的功能更加完善，在溫度報警器控制系統(tǒng)中有著更廣泛的應用前景。

3.4 DS18B20

本設計中使用的DS18B20數(shù)字溫度傳感器接線方便，封裝成后可應用于多種場合，主要根據(jù)應用場合的不同而改變其外觀。適用于各種狹小空間設備數(shù)字測溫和控制領域［7］。

引腳說明：I/O為數(shù)據(jù)輸入/輸出端，它屬于漏極開路輸出，外接上拉電阻后，常態(tài)下呈高電平。UDD是可供選用的外部電源端，不用時接地，GND為地，NC空腳。

3.5 nRF24L01無線射頻收發(fā)器

本設計中使用的nRF24L01是一款工作在2.4GHz～2.5GHz世界通用ISM頻段的單片無線收發(fā)器芯片。內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器等功能模塊，并融合了增強型Shock Burst技術，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置［8］。該芯片的能耗很低，以-5dBm功率發(fā)射時，工作電流只有10.5mA，接收信號時電流只有18mA，工作模式多樣，可以更方便地應用于各種節(jié)能設計中，使得設計的溫度報警器處于功耗極低的工作模式，增加了設計的實用性。

nRF24L01支持多點通信，最高傳輸速率為2Mbit/s。嵌入的鏈路層設計減少了MCU的成本和復雜性，提高了傳輸可靠性，本設計中采用SOC方法設計只需少量外圍元件便可以組成射頻收發(fā)。

本次設計的無線溫度報警器是基于點對點的設計，在實際應用中，小范圍的檢測區(qū)域適用于點對點檢測，如果是較大范圍的區(qū)域，往往需要多點來進行檢測，即一對多的檢測體系，基于本設計我們進行了基于一對多的檢測改進，主要的功能模塊是由nRF24L01來完成，即一個接收機對應多個發(fā)射機，各個發(fā)射機分別被置于不同區(qū)域采集數(shù)據(jù)，然后通過無線收發(fā)模塊進行數(shù)據(jù)傳輸，最后在接收機的STC89C52進行數(shù)據(jù)處理、控制顯示?？梢栽陲@示屏上顯示多點的平均溫度，以及所有點的最高和最低溫度，通過和閾值溫度進行比較，判斷是否發(fā)出警報。

多點溫度采集如圖3所示。

圖3 多點溫度采集圖

一對多的擴展設計是由各個一對一的無線溫度報警器組成的，所以我們重點研究一對一的溫度報警器的設計與實現(xiàn)，后期進行集成開發(fā)，廣泛應用，增加該設計的實用領域。

3.6 5V有源蜂鳴器

本設計中使用的蜂鳴器是一種一體化結構的電子迅響器，采用直流電壓供電，廣泛應用于計算機、打印機、復印機、報警器、電子玩具、汽車電子設備、電話機、定時器等電子產(chǎn)品中作發(fā)聲器件。與無源蜂鳴器不同，有源蜂鳴器帶振蕩源，可以采用直流驅動信號［9～10］。當發(fā)射機的DS18B20溫度傳感器檢測到周圍的溫度高于指定的閾值時，信息傳到接收機，單片機控制蜂鳴器，三極管導通，蜂鳴器發(fā)出警報。由于該溫度報警器的設計是基于實驗室設備的，所以選用的報警器件是蜂鳴器，在實際應用中，蜂鳴器的聲音響度不足以滿足要求，可以選用其他功率較大的報警器件，如大功率警鈴。

3.7 顯示模塊設計

本設計中使用的顯示屏是基于STC89C52單片機的1602液晶顯示屏，我們通過C語言代碼進行寫入操作，使得在工作狀態(tài)時，液晶顯示屏時刻顯示設計好的溫度上下限，以及發(fā)射機當前溫度，即待檢測環(huán)境溫度。

4 軟件子系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

本次程序設計語言采用的C語言來進行編寫算法，算法需要完成的功能是：nRF24L01無線通信系統(tǒng)主要由單片機控制，當其完成檢測到有DS18B20的數(shù)據(jù)時，單片機通過SPI通信協(xié)議對nRF24L01發(fā)送數(shù)據(jù)，nRF24L01模塊進行無線通信、接收機接收到收據(jù)后發(fā)送給接收控制單片機。接收機控制數(shù)據(jù)顯示，超限設置及聲光報警。

1）獨立按鍵，可以設置溫度值的上下限；2）溫度值小于下限，大于上限，聲光報警；3）接收機與發(fā)送機通過nRF24L01無線通信；4）用1602液晶顯示設置好的上下限值和當前溫度。

4.1 發(fā)射機流程圖（如圖4）與接收機流程圖（如圖5）

圖4 發(fā)射機流程圖

圖5 接收機流程圖

4.2 SPI協(xié)議

本設計采用主從方式的SPI協(xié)議，在點對點的通信中，SPI接口不需要進行尋址操作，且為全雙工通信［11］。

5 系統(tǒng)測試及分析

5.1 測試步驟

將程序燒寫進開發(fā)板進行測試，具體步驟如下：

1）通過C語言編寫軟件寫好代碼進行編譯；

2）代碼編譯成功后，加載程序文件夾中的hex［12］文件鏈接好下載器就可以下載了，下載器是STC-ISP串口下載器，串口下載有4根線，紅線接電源，黑線接地，綠線接單片機10角，白線接單片機11角；

3）燒寫成功后就可以進行調試和功能的實現(xiàn)了。

5.2 測試結果

將發(fā)射板和接收板隔開20m左右，分別上電，打開電源按鍵，在接收機上設置好最高溫度t1和最低溫度t2（t1＞t2），發(fā)射機上溫度傳感器開始獲取周圍溫度t，并通過無線射頻模塊發(fā)送到接收機，接收機接收到數(shù)據(jù)后，在顯示屏上顯示當前溫度，同時顯示已經(jīng)設置好的溫度上下限，此時，我們利用打火機給發(fā)射機升溫，使得t＞t1，這時蜂鳴器開始鳴叫，然后利用冰塊給溫度傳感器降溫，使得t＜t2，這時蜂鳴器開始鳴叫。這時我們擴大發(fā)射機和接收機的距離，接收機上的溫度不在隨著發(fā)射機溫度傳感器周圍溫度的變化而變化，發(fā)射機和接收機的連接斷開。

5.3 結果分析

在一定距離之內，發(fā)射版和接收機保持連接狀態(tài)，從機顯示當前主機的溫度，并判斷這個溫度是否在設置好的溫度之間，在一定溫度范圍內，DS18B20可以檢測溫度變化，該溫度報警器工作要求如圖6所示。（橫軸為溫度測試范圍，縱軸為距離測試范圍）

圖6 報警器溫度、距離要求圖

5.4 特色與創(chuàng)新

1）使用方便：無需外界網(wǎng)絡的支持，只需給發(fā)射機接收機供電即可工作；

2）人性化設計：發(fā)射機和接收機都很小，操作容易，顯示器顯示溫度一目了然；

3）緊急報警功能：當發(fā)射機溫度超過理想的溫度范圍時，蜂鳴器就會報警；

4）可靠：由于采用了跳頻技術，NRF24L01在性能上穩(wěn)定可靠，即通信設備會不斷搜索干擾比較小的信道，可能每隔一段時間就會從一個頻率轉換到另一個頻率［13～14］，從而保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕?/p>

5）斷電不丟失：溫度傳感器DS18B20具有斷電不丟失的特性，這使得在操作過程中即使因某種情況導致斷電，接收機顯示器上依然會保持前一刻的數(shù)據(jù)［15～16］；

6）有極大的社會價值：在工農業(yè)中，能夠有效地對產(chǎn)品、對生產(chǎn)環(huán)境進行檢測報告。

6 結語

在系統(tǒng)開發(fā)過程中，我們查閱了大量的相關文獻，包括單片機SPI協(xié)議、NRF24L01的原理和使用、C語言的編寫、代碼的燒入等內容，收獲頗多。

基于無線射頻的溫度傳感器有很廣的發(fā)展前景。51單片機采用低功耗的電源供給，具有安全性高的優(yōu)點，所以不會對使用者產(chǎn)生任何相關安全威脅，用戶可以放心使用。只需把發(fā)射機放置在被檢測的環(huán)境之下，接收機放置在相關距離之內即可。設計簡單輕巧。

此次設計體現(xiàn)了在機械自動化方面的應用，本報警裝置可根據(jù)具體的應用背景進行改造，完成產(chǎn)品環(huán)境合格度的檢測，產(chǎn)品質量大小規(guī)格等的檢測，能夠有效地提高生產(chǎn)效率，節(jié)省勞動成本，推動自動化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。