基于ARM處理器與nRF24L01無(wú)線通信的植物工廠監(jiān)控系統(tǒng)

摘 要：利用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和嵌入式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理技術(shù)，提出了一種基于nRF24L01和GSM網(wǎng)絡(luò)的植物工廠無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)通過7個(gè)nRF24L01無(wú)線模塊構(gòu)建星型子網(wǎng)結(jié)構(gòu)，擴(kuò)展用GPRS模塊SIM900A完成子網(wǎng)與GSM網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線通信，從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)控人員對(duì)植物工廠的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。星型網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)采集終端和集中控制機(jī)構(gòu)成6發(fā)1收模式，以集中控制方式對(duì)植物工廠的大氣溫度、土壤濕度、光照強(qiáng)度、CO2等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，星型子網(wǎng)能夠?qū)崟r(shí)完成900 m距離范圍內(nèi)的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)可擴(kuò)展性強(qiáng)、工作穩(wěn)定，可以實(shí)現(xiàn)植物工廠的遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞：傳感器；ARM處理器；nRF24L01模塊；無(wú)線監(jiān)測(cè)；GPRS

中圖分類號(hào)：TP391.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2016）09-00-05

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，集成化和智能化設(shè)備被越來(lái)越多地應(yīng)用于植物工廠的環(huán)境監(jiān)測(cè)中[1]，選擇可靠監(jiān)控方案的主要指標(biāo)是其成本和能耗。傳統(tǒng)的植物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用標(biāo)準(zhǔn)CAN總線或者RS 485總線構(gòu)成分布式監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，這種網(wǎng)絡(luò)需要大量連接電纜，構(gòu)建成本較高且系統(tǒng)維護(hù)和管理不易。相比較而言，無(wú)線連接方式主要應(yīng)用于近距離無(wú)線通信技術(shù)構(gòu)建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，使用標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線通信協(xié)議，避免了布線的麻煩，可以更靈活地管理監(jiān)測(cè)點(diǎn)，還可以利用蜂窩網(wǎng)接入技術(shù)，以短消息的方式實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地?zé)o線通信，在遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)測(cè)中具有較好優(yōu)勢(shì)[2]。ZigBee無(wú)線通信目前可以采用CC2530 ZigBee無(wú)線射頻芯片，用于構(gòu)建低成本、短時(shí)延、低功耗、可靠的無(wú)線通信系統(tǒng)。但由于其涉及的通信協(xié)議復(fù)雜，較nRF24L01芯片來(lái)說價(jià)格沒有優(yōu)勢(shì)。無(wú)線收發(fā)一體芯片nRF24L01[3]克服了無(wú)線局域網(wǎng)、藍(lán)牙、紅外線數(shù)據(jù)通信的通信協(xié)議和特定硬件結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，在短距離無(wú)線監(jiān)測(cè)中具有較大優(yōu)勢(shì)。本文設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)主要用來(lái)采集自然光光照強(qiáng)度、空氣溫度、土壤濕度、CO2濃度、植物生成圖像等環(huán)境參數(shù)。

1 系統(tǒng)的硬件

子網(wǎng)系統(tǒng)由6個(gè)數(shù)據(jù)采集終端和一個(gè)集中控制機(jī)構(gòu)成，在集中控制機(jī)部分搭建GSM網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)接收6個(gè)數(shù)據(jù)終端的數(shù)據(jù)。子系統(tǒng)的分布式星型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。按照nRF24L01說明書的闡述，nRF24L01一次只能接收同一頻率下6個(gè)不同的數(shù)據(jù)，因此集中控制機(jī)上可搭載撥碼開關(guān)，用于分時(shí)接收不同頻率下的6組數(shù)據(jù)，從而構(gòu)建一個(gè)稍具規(guī)模的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)終端主要完成對(duì)植物生成環(huán)境參數(shù)的采集，并將采集到的數(shù)據(jù)通過nRF24L01模塊發(fā)送到集中控制機(jī)，集中控制機(jī)將數(shù)據(jù)處理后顯示并通過GPRS 模塊發(fā)送至手機(jī)終端或者帶有GSM接收的服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程在線預(yù)警和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分析。

1.1 集中控制機(jī)

集中控制機(jī)負(fù)責(zé)與監(jiān)測(cè)終端之間點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)無(wú)線通信和子網(wǎng)無(wú)線接入GSM的網(wǎng)絡(luò)通信。集中控制機(jī)主要包括STM32-M4板、無(wú)線傳輸電路、液晶顯示電路、存儲(chǔ)器、按鍵電路、GPRS模塊和語(yǔ)音報(bào)警模塊。nRF24L01模塊采用半雙工通信方式完成與6個(gè)監(jiān)測(cè)終端的無(wú)線監(jiān)控鏈路通信；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器采用24C02實(shí)現(xiàn)采集終端數(shù)據(jù)的越限記錄存儲(chǔ)，并可通過按鍵查詢歷史數(shù)據(jù)；利用STM32的RTL定時(shí)器實(shí)時(shí)顯示時(shí)間，并將越限時(shí)間一同存儲(chǔ)在24C02芯片中。顯示模塊采用7' TFTLCD，一行可顯示多個(gè)字符，滿足實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)顯示的需要。GSM模塊采用SIM900A，借助GSM移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，通過手機(jī)短信實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)或報(bào)警。集中控制機(jī)核心電路如圖2所示，M4芯片使用了STM32F407，硬件資源比較豐富，24C02采用了I2C通信接口，使用M4芯片的I2C接口IIC1_SCL、IIC1_SDA就能實(shí)現(xiàn)通信；nRF24L01采用SPI接口通信方式，主要引腳有CE、SCK、MISO、MOSI、CSN等，利用M4的SPI1接口就能實(shí)現(xiàn)；SIM900A采用了串口1，M4的U1_TX連接SIM900A的RXD_I，U1_RX連接SIM900A的TXD_O；液晶顯示接口占據(jù)34位管腳，采用16 b數(shù)據(jù)通信方式以提高顯示速度；其他外圍電路可以查看芯片應(yīng)用手冊(cè)。

1.2 數(shù)據(jù)終端

數(shù)據(jù)終端的硬件電路主要由STM32核心板、溫度采集電路、土壤濕度檢測(cè)傳感器、光照傳感器、CO2采集電路、無(wú)線傳輸電路、液晶顯示電路、按鍵電路及電源穩(wěn)壓電路等組成。溫度的采集利用DS18B20，集成度和精度滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求；光照強(qiáng)度監(jiān)測(cè)采用BH1750FVI芯片，該芯片采用I2C總線接口，內(nèi)含數(shù)字轉(zhuǎn)換器，檢測(cè)范圍寬，分辨率高；土壤濕度檢測(cè)電路利用模擬電路搭建而成，通過電位器調(diào)節(jié)相應(yīng)閾值，可以以數(shù)字量直接輸出或通過AD轉(zhuǎn)換得到土壤濕度更精確的數(shù)值，數(shù)據(jù)采集終端電路如圖3所示。

數(shù)據(jù)終端采用Cortex?-M3 STM32F103ZET6作為主控MCU，由于與M4的資源相似，在此主要介紹集中控制機(jī)的主控MCU-STM32F407ZGT6[4]，其擁有的硬件資源包括集成FPU和DSP指令，同時(shí)具有192 KB SRAM、1 024 KB Flash、12個(gè)16位定時(shí)器、2個(gè)32位定時(shí)器、2個(gè)DMA控制器、3個(gè)SPI、2個(gè)全雙工I2S、3個(gè)I2C、6個(gè)串口、2個(gè)USB（支持HOST /SLAVE）、2個(gè)CAN、3個(gè)12位ADC、2個(gè)12位DAC、1個(gè)RTC、1個(gè)SDIO接口、1個(gè)FSMC接口、1個(gè)10/100 M以太網(wǎng)MAC控制器、1個(gè)攝像頭接口、1個(gè)硬件隨機(jī)數(shù)生成器以及112個(gè)通用IO口等，這些硬件資源便于系統(tǒng)的日后升級(jí)。

1.3 無(wú)線收發(fā)模塊

無(wú)線收發(fā)模塊采用Risym工業(yè)級(jí)nRF24L01+PA+LNA數(shù)傳無(wú)線模塊[5]。其最大功率為100 mW，通信距離為1 100 m?？罩兴俾?50 K、1 M、2 M可調(diào)，單個(gè)數(shù)據(jù)包1～32字節(jié)，3級(jí)FIFO緩沖。該模塊由挪威（Nordic）公司生產(chǎn)的nRF24L01+及其外圍電路組成，工作于2.4～2.5GHz世界通用ISM頻段，工作電壓為1.9～3.6 V?？赏ㄟ^SPI寫入數(shù)據(jù)，最高可達(dá)10 Mb/s，數(shù)據(jù)傳輸速率最快可達(dá)2Mb/s，且具有自動(dòng)應(yīng)答和自動(dòng)再發(fā)射功能。芯片融入了增強(qiáng)式ShockBurstTM技術(shù)，其輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置。該芯片的功耗較低，以-6 dBm功率發(fā)射時(shí)，工作電流為9 mA，接收時(shí)工作電流只有12.3 mA，在掉電模式和空閑模式下其功耗更低。

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.1 子網(wǎng)組網(wǎng)原理

資料[6]講述了采用不用頻道進(jìn)行通信的方法，將6個(gè)終端采用不同的頻道，主控端設(shè)有按鍵，使用按鍵選擇不同的從機(jī)頻道就可實(shí)現(xiàn)主機(jī)與從機(jī)的通信，但這種方法存在硬件稍微復(fù)雜，同一時(shí)刻只能顯示一組通信數(shù)據(jù)等缺陷。本設(shè)計(jì)則通過所有從機(jī)使用相同的頻道，不同的地址來(lái)實(shí)現(xiàn)。單個(gè)子網(wǎng)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸采用中心集中控制模式，由控制終端以廣播的方式與監(jiān)測(cè)終端建立有效通信鏈路，控制終端和監(jiān)測(cè)終端在發(fā)送數(shù)據(jù)完畢后立即返回接收狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)“六發(fā)一收”的功能，還可以通過擴(kuò)展地址的方式增加監(jiān)測(cè)終端數(shù)量。

nRF24L01[7] 模塊工作于增強(qiáng)型SchockBurstTM模式下，增強(qiáng)型ShockBurst?數(shù)據(jù)包格式如表1所列。其文字表述如下所示：

1字節(jié)前導(dǎo)碼+5字節(jié)工作通道地址+9位標(biāo)志位+32位的傳感器數(shù)據(jù)+2字節(jié)CRC校驗(yàn)

nRF24L01模塊用前導(dǎo)碼來(lái)檢測(cè)0和1，芯片在接收模式下去除前導(dǎo)碼，在發(fā)送模式下加入前導(dǎo)碼；工作通道地址是nRF24L01模塊發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)的通道地址；標(biāo)志位是進(jìn)行數(shù)據(jù)包丟包重傳的計(jì)數(shù)；32位數(shù)據(jù)包括4位溫度信息、4位土壤含水量、4位CO2濃度、19位可擴(kuò)展數(shù)據(jù)（便于后續(xù)擴(kuò)展）、1位通道標(biāo)識(shí)符；2字節(jié)的CRC檢驗(yàn)碼用于檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。

在接收端，集中控制機(jī)將數(shù)據(jù)接收后存入RX_FIFO寄存器，通過函數(shù)將32位接收的數(shù)據(jù)讀取出來(lái)，按照事先定義好的通信協(xié)議判別是哪一個(gè)通道上的數(shù)據(jù)：判斷tmp_buf[31]==0否，則為0通道，判斷tmp_buf[31]==1否，則為1通道，以此類推，并按照通道號(hào)顯示在相應(yīng)的TFT_LCD上。

2.2 主程序流程

系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境采用KEIL uVision 5 IDE，它集編程、編譯、下載、調(diào)試于一體，可對(duì)多種嵌入式芯片進(jìn)行開發(fā)。程序代碼采用搭積木的方式對(duì)如實(shí)時(shí)時(shí)鐘程序RTC，按鍵程序key，無(wú)線通信程序24L01等以子程序的形式編輯，編譯通過后提供.c和.h文件放置在HARDWARE文件夾下，并在目標(biāo)文件的編譯選項(xiàng)下提供所有子程序的文件包含路徑Include Paths，只需要在主程序中加載相應(yīng)的頭文件就可以實(shí)現(xiàn)子程序的調(diào)用。這種編程方式結(jié)構(gòu)清晰，便于查錯(cuò)調(diào)試。

在主程序中首先定義相關(guān)變量，之后設(shè)置系統(tǒng)的時(shí)鐘為168 MHz，串口的波特率為115 200 b/s，配置實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC的WAKE_UP中斷，使其1秒中斷一次，用于定時(shí)，LED系統(tǒng)運(yùn)行提示初始化，液晶驅(qū)動(dòng)初始化，無(wú)線通信模塊的收發(fā)初始化，按鍵初始化。初始化完成后，檢測(cè)nRF24L01是否正常工作，并給出相應(yīng)的提示信息，掃描按鍵以確定主從機(jī)的通信頻率。設(shè)置好后按照預(yù)先定義好的數(shù)據(jù)幀格式判斷接收的是哪路信號(hào)，并顯示在相應(yīng)的位置。與此同時(shí)，系統(tǒng)設(shè)置每隔5分鐘由主機(jī)通過GPRS模塊SIM900A發(fā)送6路信息到手機(jī)或其他智能終端。主程序流程圖如圖4所示。

2.3 無(wú)線發(fā)送模式流程

無(wú)線發(fā)送模式流程[7，8]如下所示：

（1）MCU控制引腳CE為低，使nRF24L01進(jìn)入待機(jī)模式1；

（2）發(fā)送節(jié)點(diǎn)地址（TX_ADDR）、接收節(jié)點(diǎn)地址（RX_ADDR_P0用于自動(dòng)應(yīng)答）和有效數(shù)據(jù)（TX_PLD）通過SPI接口寫入 nRF24L01，當(dāng)CSN為低時(shí)數(shù)據(jù)被不斷寫入；

（3）使能通道0的自動(dòng)應(yīng)答和通道0的接收地址；

（4）設(shè)置自動(dòng)重發(fā)的時(shí)間間隔和最大自動(dòng)重發(fā)次數(shù)；

（5）設(shè)置RF的通道；

（6）設(shè)置TX的發(fā)射參數(shù)、0 db增益、2 Mb/s通信速率，開啟低噪聲增益；

（7）配置PWR_UP、EN_CRC、16BIT_CRC，開啟所有中斷；

（8）MCU控制引腳CE為高，使nRF24L01進(jìn)入發(fā)送模式；

（9）發(fā)送端發(fā)送完數(shù)據(jù)后進(jìn)入接收模式來(lái)接收應(yīng)答信號(hào)。

nRF24L01的發(fā)送模式程序流程圖如圖5所示。

2.4 無(wú)線接收模式流程

無(wú)線接收模式流程如下所示：

（1）MCU將nRF24L01的CE引腳置低，使其進(jìn)入待機(jī)模式1，并對(duì)其寄存器進(jìn)行配置；

（2）寫入6個(gè)從機(jī)的地址P0～P5；

（3）使能通道0～5的自動(dòng)應(yīng)答，使能通道0～5的接收地址，允許接收；

（4）設(shè)置RF的通信頻率，通信頻率可以通過軟件編程設(shè)置，利用通信頻率的不同實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信；

（5）設(shè)置通道0～5的接收數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，統(tǒng)一設(shè)置為（RX_PLOAD_WIDTH=32）32個(gè)字節(jié)；

（6）設(shè)置TX的發(fā)射參數(shù)，0 db增益，2 Mb/s的通信速率，開啟低噪聲增益；

（7）設(shè)置PWR_UP、EN_CRC、16BIT_CRC接收模式的基本操作；

（8）將nRF24L01的CE引腳置高，使其進(jìn)入接收模式；

（9）接收到有效數(shù)據(jù)包后（地址匹配、CRC校驗(yàn)正確），數(shù)據(jù)包設(shè)置最后一個(gè)字節(jié)的內(nèi)容為0，判斷當(dāng)前數(shù)據(jù)包的第31位數(shù)據(jù)是0還是1～5，這樣就可以按照通道號(hào)將傳感器數(shù)據(jù)顯示在不同的行上；

（10）發(fā)送確認(rèn)信號(hào)。

無(wú)線接收流程圖如圖6所示。

單片機(jī)與SIM900A模塊通過串口相連，按通信協(xié)議用AT指令實(shí)現(xiàn)SIM900A模塊與GSM網(wǎng)絡(luò)的通信[9]。

DS18B20[10]采集溫度程序設(shè)計(jì)：使能端口時(shí)鐘PORTG，使用端口PG11采集溫度，首先檢查DS18B20芯片是否就位，接著初始化DS18B20，復(fù)位DS18B20，跳過讀取芯片內(nèi)部的ROM序列，讀取溫度的低字節(jié)和高字節(jié)，數(shù)據(jù)處理后進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)填充并顯示。

光照強(qiáng)度采集程序設(shè)計(jì)：使能端口時(shí)鐘PORTB，使用PB6的I2C1_SCL和PB7的I2C1_SDA，利用I2C硬件接口按照時(shí)序就可讀取BH175FVI模塊的光照情況，數(shù)據(jù)處理后供無(wú)線數(shù)據(jù)包填充和顯示。

3 結(jié) 語(yǔ)

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用ARM M3-CPU和nRF24L01等模塊構(gòu)建數(shù)據(jù)的采集節(jié)點(diǎn)，ARM M4-CPU、 nRF24L01模塊、 GPRS模塊等構(gòu)成集中控制器，利用ARM CPU強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能和nRF24L01模塊組網(wǎng)靈活的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了1收6發(fā)的分布式植物工廠監(jiān)控系統(tǒng)。測(cè)試結(jié)果表明，由于采用了雙天線的nRF24L01模塊，因此在900 m范圍內(nèi)無(wú)線傳輸基本穩(wěn)定，隨著距離的增加，數(shù)據(jù)丟包率隨之升高。系統(tǒng)通過擴(kuò)展，相鄰子網(wǎng)之間采用不同頻率方式工作而且頻率間隔較大，可以實(shí)現(xiàn)更大范圍的分布式監(jiān)控系統(tǒng)。由于利用了TFT顯示屏，可以隨時(shí)查看采集的數(shù)據(jù)信息，該信息通過GPRS模塊實(shí)時(shí)發(fā)送到用戶的智能終端。該系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用到各類無(wú)線傳輸?shù)墓こ填I(lǐng)域中，為其它環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供參考。

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