多路無線溫度采集系統(tǒng)設計

【摘要】本文設計了一種基于無線傳輸?shù)亩嗦窚囟炔杉到y(tǒng)。無線傳輸模塊為nRF24L01，體積小，速率高。傳感器采用單總線的高精度數(shù)字式溫度傳感器DS18B20，使多點溫度測量電路變得簡單、可靠。該系統(tǒng)可廣泛應用于工業(yè)控制、儀器、儀表、機電一體化、智能家居等諸多領域。

【關鍵詞】多通道;無線傳輸;數(shù)據(jù)采集;單片機

引言

溫度采集系統(tǒng)可被廣泛應用于溫度測量或相應的可轉換為溫度量或供電故障監(jiān)控的工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)保、服務業(yè)、安全監(jiān)控等工程中[1]。但在眾多應用領域中，數(shù)據(jù)傳輸容易受到傳輸介質的限制，因此本文設計了一種基于無線傳輸?shù)亩嗦窚囟炔杉到y(tǒng)，對工業(yè)控制、儀器儀表、機電一體化、智能家居等諸多領域具有很高的實用價值。

1.設計方案

系統(tǒng)結構如圖1所示。系統(tǒng)主要由兩個部分組成，采集機與主控機，一臺主控機可搭載多臺采集機。采集機采用51單片機作為主控器，一方面通過溫度傳感器實時采集數(shù)據(jù)，另一方面通過無線傳輸模塊與主控機交換數(shù)據(jù)。主控機同樣采用51單片機作為主控制器，其主要功能是向采集機發(fā)送命令，接收采集機傳輸?shù)臄?shù)據(jù)并重新組幀成上傳到PC機。

圖1 多路無線溫度采集系統(tǒng)結構圖

圖2 多路無線溫度采集系統(tǒng)采集機原理圖

根據(jù)系統(tǒng)需求，選擇合適的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊相當重要。本系統(tǒng)選用的無線傳輸模塊為nRF24L01，在目前較為流行的無線通信芯片中，無論從使用的方便性、傳輸速度還是輸出等各個方面考慮，nRF24L01都是一種較為理想的選擇[2]。

在溫度傳感器方面，采用單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20。它是Dallas公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器，其分辨率可達0.0625℃，被測溫度用符號擴展的16位數(shù)字量方式串行輸出。CPU只需一根端口線就能與諸多DS18B20通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路 [3]。

2.硬件電路設計

多路無線溫度采集系統(tǒng)硬件設計包括主控機和采集機兩部分，兩部分的重點都是如何實現(xiàn)基于nRF24L01模塊的無線數(shù)據(jù)傳輸。采集機主要由主控制器、溫度傳感器、無線傳輸模塊組成，其硬件電路原理圖如圖2所示。

圖3 多路無線溫度采集系統(tǒng)主控機原理圖

圖4 多路無線溫度采集系統(tǒng)主控機流程圖（a）

和采集機流程圖（b）

主控機主要由主控制器、無線傳輸模塊和串口通信模塊組成。主控制器主要負責向采集機發(fā)送命令，并接收溫度數(shù)據(jù)，通過串口發(fā)送到PC機。PC機的串口支持RS-232標準，而單片機支持TTL電平，因此，它們之間的信號需要經(jīng)過電平轉換。選用美信公司的芯片MAX232來完成RS-232和TTL電平的轉換，硬件原理圖見圖3所示。

3.系統(tǒng)軟件設計

軟件包括采集機和主控機兩部分。由于本系統(tǒng)包括多個采集機，它們都要向主控機發(fā)送數(shù)據(jù)，因此必須嚴格控制每臺采集機向主控機發(fā)送數(shù)據(jù)的時間，避免數(shù)據(jù)的混亂。假設整個系統(tǒng)包括N臺采集機，則由主控機循環(huán)發(fā)出命令，命令幀格式：“主控機編號（1-N）+發(fā)送數(shù)據(jù)請求”，循環(huán)次數(shù)為N。接收工作則全部通過中斷函數(shù)處理，以提高系統(tǒng)的實時性。采集機初始化后處于接收狀態(tài)，當接收到主機發(fā)出的命令且命令中包含的編號信息與本機一致時，采集機置發(fā)送狀態(tài)，向主控機發(fā)送溫度數(shù)據(jù)。圖4給出了多路無線溫度采集系統(tǒng)主控機與采集機工作流程圖。

圖5 多路無線溫度采集系統(tǒng)PC機顯示界面

4.測試結果

圖5為環(huán)境溫度25℃，四路采集機所采集的溫度信息在PC機顯示的結果。

5.結語

本文提出了一種基于無線傳輸?shù)亩嗦窚囟炔杉到y(tǒng)設計方案，解決了在眾多領域中數(shù)據(jù)傳輸受到傳輸介質限制的問題。通過簡單的無線通信協(xié)議，實現(xiàn)可靠性與功耗平衡。低功耗、實時性、多通道的無線溫度檢測是該設計的最大特點，對工業(yè)控制、儀器儀表、機電一體化、智能家居等諸多領域具有很高的實用價值。

參考文獻

[1]雷線，何小陽，蘇生輝.基于ZigBee的多點溫度采集系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].自動化技術與應用，2010，29（2）： 43-46.

[2]楊旭，李德敏，張謙益.基于nRF24L01的一種無線通信協(xié)議設計[J].通信技術，2011，44（7）：57-62.

[3]易麗華，黃俊.基于AT89C51單片機與DS18B20的溫度測量系統(tǒng)[J].電子與封裝，2009，9（5）：39-43.

作者簡介：潘巖（1989—），男，長江大學在讀碩士研究生，研究方向：檢測技術與自動化管理。

通訊作者：魏呈霖（1989—），男，長江大學在讀碩士研究生。