基于nRF905的無線溫度采集系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

潘小龍，張建濱，孟俊杰，胥保春，汪木蘭

（南京工程學院 先進制造技術(shù)工程中心，江蘇 南京 211167）

環(huán)境溫度參數(shù)監(jiān)測是環(huán)境研究和火災安全防備的重要手段，傳統(tǒng)的有線定點采集、人工上報，這種方法正逐漸被新的技術(shù)所代替。目前常用的技術(shù)是基于無線模塊的環(huán)境監(jiān)測方式，但是在一些用途精度要求不是很高的場所，如單位或家庭火災安全監(jiān)測，這樣的產(chǎn)品價格過于昂貴，協(xié)議比較復雜，缺少靈活度[1-3]。針對這一情況，本文利用STC12LE5630AD單片機和nRF905設計了一個無線溫度采集系統(tǒng)。一般傳統(tǒng)的溫度傳感器的輸出信號均為模擬信號，需經(jīng)過放大電路和A/D轉(zhuǎn)換后才能與單片機連接，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復雜。筆者因此采用帶有A/D轉(zhuǎn)換功能的單片機STC12LE5630AD簡化了系統(tǒng)外圍電路。nRF905是Nordic公司推出的單片射頻發(fā)射器芯片，可以自動完成處理字頭和CRC，配置簡單方便，功耗低。本文的系統(tǒng)不僅克服了溫度采集系統(tǒng)在使用空間上的局限性，而且大大簡化了系統(tǒng)硬件電路 。本文設計的無線節(jié)點溫度采集系統(tǒng)能夠用于實際多點溫度采集，結(jié)果也表明系統(tǒng)工作穩(wěn)定，數(shù)據(jù)可靠，可以應用于室內(nèi)和室外的溫度監(jiān)測。

1 系統(tǒng)介紹

多點溫度監(jiān)測系統(tǒng)由測量裝置、無線傳輸終端、上位機控制中心組成。如圖1為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。下位機（監(jiān)測器）利用溫度傳感器將相應溫度值轉(zhuǎn)換成模擬電壓值，直接由單片機進行A/D轉(zhuǎn)換，再將自己的地址值即轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)值打包送至無線模塊（nRF905）。上位機無線模塊將下位機發(fā)送來的地址值即采集值送至單片機，在由串口通信方式送至PC。由PC進行相應的判斷、采集值數(shù)據(jù)的修正最后顯示數(shù)據(jù)并畫圖。因此系統(tǒng)設計包括了硬件和軟件設計。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of system

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件主要包含：由LM35芯片構(gòu)成的溫度采集電路、nRF905芯片構(gòu)成的無線節(jié)點模塊與PC與單片機的串口通信系統(tǒng)。

2.1 溫度采集電路及無線模塊設計

溫度傳感器采用由National Semiconductor所生產(chǎn)的LM35，其輸出電壓與攝氏溫標呈線性關(guān)系，轉(zhuǎn)換公式如式（1），0 時輸出 0 V，每升高 1°，輸出電壓增加 10 mV。 在常溫下，LM35不需要額外的校準處理即可達到±1/4℃準確率。本文采用單電源模式，其在25°下靜默電流約50 μA[4]。

通信模塊為nRF905，該芯片工作在433/868/915 MHz的ISM頻段。由一個完全集成的頻率調(diào)制器，一個帶解調(diào)器的接收器，一個功率放大器，一個晶體震蕩器和一個調(diào)節(jié)器組成。數(shù)據(jù)傳輸速率可達100 kb/s，支持點對點傳輸模式和廣播傳輸模式。nRF905工作電壓1.9～3.6 V，功耗很低，該芯片處于接受模式時工作電流為12.5 mA，但在掉電模式下工作電流僅為25 μA。nRF905采用Nordic公司的VLSI ShockBurst技術(shù)，該技術(shù)使得nRF905在沒有高速MCU下，也能實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸[5]。

STC12CE5620AD系列單片機工作電壓為 3.6～2.2 V，每個I/O驅(qū)動能力可達到20 mA，是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘/機器周期（1T）的單片機，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，代碼與傳統(tǒng)8051兼容但速度快8～12倍，內(nèi)部集成8路高速10位的A/D轉(zhuǎn)換[6]。無線模塊具體接線原理圖如圖2所示。系統(tǒng)設計的電源電路可以利用電網(wǎng)供電，也可以使用電池。

圖2 無線溫度節(jié)點原理圖Fig.2 Principle diagram of wireless temperature node

2.2 串口通信硬件系統(tǒng)設計

基于PC機與單片機的串口通信系統(tǒng)電路如圖3所示，主要包括單片機、串口通信電路、ISP程序下載接口電路和系統(tǒng)復位電路。本電路基于RS-232接口標準，使用DB-9連接器。由于單片機輸出的TTL電平與PC機的RS-232串口電平的電氣特性不匹配。為了使單片機能與PC機正常通信，采用美信公司的MAX232芯片進行電平轉(zhuǎn)換。MAX232是專門為電腦的RS-232標準串口設計的接口芯片，功能比較強大。MAX232芯片與計算機連接的端口中有3個驅(qū)動端和5個接收端，因此可以同時進行多路通信。另外MAX232芯片的傳輸速率最高可以達235 kb/s[7]。在所設計的串口通信電路系統(tǒng)中，單片機的數(shù)據(jù)通過RXD、TXD與MAX3232相連，經(jīng)MAX3232完成電平轉(zhuǎn)換后成為RXD1、TXD1信號，再通過串口線與主機相連。

圖3 RS232接口示意圖Fig.3 Diagram of RS232 interface

3 軟件系統(tǒng)設計

軟件主要包括：由微軟公司推出可視化，面向?qū)ο蟮慕Y(jié)構(gòu)化程序設計語言Visual Basic構(gòu)成的上位機應用軟件與C語言編寫的下位機控制程序設計。

3.1 下位機軟件設計

nRF905突出的優(yōu)點就是收發(fā)模塊電路設計簡單，所需要的外圍器件少[7]。nRF905在正常工作前應由STC11L60XE先根據(jù)需要寫好配置寄存器，其后的工作主要是兩個:發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)。通過TRX-CE，TX-EN，PWN-UP的設置來實現(xiàn)nRF905不同的工作模式，模式設置如表1所示[5]。

表1 nRF905的工作模式Tab.1 Working mode of nRF905

1）發(fā)送流程 當微控制器有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，STC11L60XE先把PWR_UP引腳置為電平、TRX_CE引腳置為低電平。從而使nRF905置于待機模式；然后按時序通過SPI總線把發(fā)送地址和待發(fā)送的數(shù)據(jù)都寫入nRF905相應寄存器中。SPI接口的速率在通信協(xié)議和器件配置時確定。微控制器將PWR_UP、TRX_CE和TX_EN全置高電平，激發(fā)nRF905的ShockBurstTM發(fā)送模式。 nRF905的ShockBurstTM發(fā)送包括以下步驟：射頻寄存器自動開啟；數(shù)據(jù)打包；發(fā)送數(shù)據(jù)包；當數(shù)據(jù)發(fā)送完成，數(shù)據(jù)準備好，引腳被置高。當TRX_CE被置時，nRF905發(fā)送過程完成，自動進入空閑模式。ShockBurstTM工作模式保證一旦發(fā)送數(shù)據(jù)的過程開始，無論TRX_EN和TX_EN引腳是高或低，發(fā)送過程都會被處理完，并且只有在前一個數(shù)據(jù)包被發(fā)送完畢，nRF905才能接受下一個發(fā)送數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)包的具體格式見圖4，具體溫度采集發(fā)送程序流程見圖5。

圖4 數(shù)據(jù)包格式Fig.4 Packet format

圖5 發(fā)送程序流程圖Fig.5 Flow chart of sending program

2）接收流程 當微控制器有數(shù)據(jù)要接收時，STC11L60XE先把TRX_CE置為高電平、TX_EN置為低電平，此時nRF905進入 ShockBurstTM 接收模式；650 μs后，nRF905不斷監(jiān)測，等待接收數(shù)據(jù)；當nRF905檢測到同一頻段的載波時，載波檢測引腳被置高；當接收到一個相匹配的地址，地址匹配引腳被置高。當一個正確的數(shù)據(jù)包接收完畢，nRF905自動移去字頭、地址和CRC校驗位，然后把數(shù)據(jù)備好引腳置高。微控制器把TRX_CE置低，nRF905進入空閑模式。微控制器通過SPI口以一定的速率把數(shù)據(jù)移到微控制器內(nèi)。當所有的數(shù)據(jù)接收完畢，nRF905把數(shù)據(jù)準備好引腳和地址匹配引腳置低。nRF905可進入ShockBurstTM接收模式、發(fā)送模式或關(guān)機模式。具體接收程序流程見圖6。

3.2 上位機軟件設計[8]

對于多機通信利用PC機（IPC）實現(xiàn)測控主要有兩種方式：一是通過串行接口（RS_232或RS_485），二是通過各種數(shù)據(jù)采集板卡。微軟公司推出可視化，面向?qū)ο蟮慕Y(jié)構(gòu)化程序設計語言Visual Basic是很好的選擇。因此采用Visual Basic開發(fā)Windows下的測控軟件使用簡單、容易上手、開發(fā)效率高，尤其是軟件界面設計非常便捷，編程工作量較小、開發(fā)周期短，特別適合非計算機專業(yè)工程技術(shù)人員掌握使用。

圖6 接收程序流程圖Fig.6 Flow chart of accepting program

本課題針對串口開發(fā)，Visual Basic提供了串口通信控件MScomm，在軟件設計中首先對MScomm控件進行初始化設置：MSComm1.CommPort=1設置串口通道為 1；MSComm1.Settings="9600，N，8，1" 設置依次為波特率、同位檢查、數(shù)據(jù)位和停止位；MSComm1.PortOpen=True設置串口打開；MSComm1.RThreshold=1設置接收緩沖區(qū)每接收一個字符就觸發(fā)一次接收事件，MSComm1.InputMode=comInputModeBinary設置串口接收數(shù)據(jù)格式為二進制，MSComm1.SThreshold=0'設置串口為禁止發(fā)送事件，MSComm1.InputLen=0讀取接收緩沖區(qū)的所有字符等等[8]。上位機運行首先進行串口初始化，相應進行坐標建立，等待串口中斷。當數(shù)據(jù)緩沖區(qū)接到數(shù)據(jù)時觸發(fā)程序中斷，將Comm1.input的數(shù)據(jù)送至Buffer（i）的數(shù)組中，當接收四個字節(jié)的數(shù)字后，進行判斷，起始字符和結(jié)束字符是否正確，判斷正確后根據(jù)不同的地址值將Buffer（2）的數(shù)組中的溫度值相應保存然后進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、處理，再顯示在圖形區(qū)，退出中斷。上位機具體流程圖如圖7所示。

圖7 上位機流程圖Fig.7 Flow chart of PC

4 系統(tǒng)測試結(jié)果

傳統(tǒng)多點溫度測控系統(tǒng)，多采用有線傳輸方式將溫度采集端與監(jiān)控端相連，當溫度采集點較多時，必然導致系統(tǒng)布線復雜、成本增加、故障率高且維護困難。該研究的無線射頻模塊采用低發(fā)射功率、高接收靈敏度的設計方案，通過優(yōu)化電路，屏蔽無線干擾，通訊距離可達500～800 m。應用該設計實現(xiàn)了學校檔案室外無線多點溫度采集與監(jiān)控。采集監(jiān)控設備分布如圖8所示，系統(tǒng)于3月29號19時18分至3月30號19時18分連續(xù)運行1天并每分鐘采集一次。溫度圖表記入如圖9所示[9]，紅色圖線為室外溫度，黑色為檔案室溫度。據(jù)當天南京氣象公布氣溫5℃到21℃與采集數(shù)據(jù)和繪制曲線相比誤差甚微。室外由于采集設備要求太陽直射所以采集溫度偏高，白天溫度波動由當天東南風造成和采集時間周期造成，11點和12點之間由于云層遮擋造成采集溫度下滑，與同類產(chǎn)品相比，該系統(tǒng)體積小、采集相同數(shù)據(jù)信息用時少、抗干擾能力強、性價比高。

圖8 采集分布圖Fig.8 Acquisition distribution

圖9 溫度采集曲線圖Fig.9 Curve of temperature gathering

5 結(jié)束語

基于STC12CE5620AD單片機的無線多點數(shù)字溫度測控系統(tǒng)是一個集單片機技術(shù)、數(shù)字傳感器技術(shù)、無線射頻技術(shù)于一體的測控系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現(xiàn)了監(jiān)控系統(tǒng)與溫度采集系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的無線傳輸；完成采集現(xiàn)場與監(jiān)控裝置真正意義上的分離.并且系統(tǒng)的終端可以構(gòu)成無線傳感網(wǎng)絡，實現(xiàn)指定區(qū)域的傳感器數(shù)據(jù)的采集和接收，也可廣泛應用于工業(yè)控制、數(shù)據(jù)采集等多個領域.且系統(tǒng)硬件電路簡單、響應速度快、可靠性高。在多點溫度采集及復雜的工作現(xiàn)場使用該系統(tǒng)可取得較好的工作效果。

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[6]宏晶科技.STC12C5620AD+系列單片機器件手冊[EB/OL].[2011-05-18]http://www.stcmcu.com/

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