基于nRF24L01家居無(wú)線溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳輝煌

摘要：為了實(shí)現(xiàn)對(duì)家居溫濕度監(jiān)測(cè)低功耗的需求，提出了一種基于nRF24L01家居無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并完成系統(tǒng)的硬軟件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)采用STM32F103處理器及AM2301溫度濕度傳感器構(gòu)成低功耗的無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確的特點(diǎn)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

Abstract： In order to meet the demand of low power consumption in home temperature and humidity monitoring， a wireless monitoring system based on nRF24L01 is proposed， and the hardware and software design of the system is completed. The system uses STM32F103 processor and AM2301 temperature and humidity sensor to form a wireless monitoring system with low power consumption. The practical application shows that the system has the characteristics of accurate data acquisition and can meet the design requirements.

關(guān)鍵詞：家居；STM32F103；AM2301；無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

Key words： household；STM32F103；AM2301；Wireless monitoring system

中圖分類號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）06-0088-03

0 引言

在智能家居物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中溫濕度是一個(gè)重要的系統(tǒng)參數(shù)。我們可以根據(jù)系統(tǒng)測(cè)量的參數(shù)打開(kāi)或關(guān)閉空調(diào)、加濕器等，調(diào)整家居的舒適度。傳統(tǒng)有線測(cè)量系統(tǒng)成本高、布線復(fù)雜、系統(tǒng)擴(kuò)展性能差，因此提出并設(shè)計(jì)了一種基于nRF24L01的無(wú)線溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠完成對(duì)其準(zhǔn)確檢測(cè)。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以基于STM32F103處理器為核心，在不同節(jié)點(diǎn)的 nRF24L01組網(wǎng)后，可實(shí)現(xiàn)家居溫濕度數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸；使用 AM2301 溫濕度傳感器完成環(huán)境節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集；使用ILI9325液晶顯示屏實(shí)時(shí)顯示各監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的信息。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為一對(duì)多的無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，由多個(gè)從機(jī)將本地的采集的數(shù)據(jù)經(jīng)nRF24L01無(wú)線射頻模塊發(fā)送到主機(jī)上，一個(gè)主機(jī)經(jīng)nRF24L01無(wú)線射頻模塊收集多通道中的終端節(jié)點(diǎn)的溫濕度數(shù)據(jù)，自組實(shí)現(xiàn)一對(duì)多的無(wú)線傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)家居溫濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和報(bào)警。

2.1 處理器主控模塊

采用STM32F103RCT6[1]處理器為主控模塊，該處理器為ARM Cortex-M3，外設(shè)包括3個(gè)12位ADC、12通道DMA控制器、11個(gè)定時(shí)器，工作頻率可達(dá)72MHz，具有USB、I2C、SPI、CAN和USART等接口。芯片工作電壓范圍2.0V-3.6V，支持睡眠模式、停機(jī)模式和待機(jī)模式三種低功耗模式。該模塊在整個(gè)電路中負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)采集信號(hào)進(jìn)行發(fā)送與接收。

2.2 nRF24L01無(wú)線模塊

NORDIC公司的nRF24L01芯片[2]，采用FSK調(diào)制方式，芯片內(nèi)部集成該公司的Enhanced Short Burst協(xié)議?？梢赃_(dá)到2Mb/s的通信速度，能實(shí)現(xiàn)1對(duì)6的通信，內(nèi)置2.4GHz天線，SPI接口可以和處理器機(jī)I/O口進(jìn)行直接相連。內(nèi)部集成的RF協(xié)議相關(guān)的信號(hào)處理部分，能夠自動(dòng)檢測(cè)，自動(dòng)重發(fā)功能和重發(fā)丟失的數(shù)據(jù)包，便于嵌入式應(yīng)用。nRF24L01無(wú)線射頻模塊的電路圖如圖2所示。

通過(guò)對(duì)nRF241L0寄存器配置，可將模塊設(shè)置為接收、發(fā)射、掉電和空閑四種工作模式，如表1所示。

2.3 溫濕度采集模塊

溫濕度傳感器（AM2301）[3]采用單總線的連接方式直接與MCU相連接，完成家居溫度與濕度的采集。溫濕度采集電路如圖3所示，AM2301的Data端口與單片機(jī)建立同步通信，以單總線的數(shù)據(jù)格式輸出40位數(shù)據(jù)，16位濕度數(shù)據(jù)、16位溫度數(shù)據(jù)，8位校驗(yàn)和。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電，所有硬件初始化啟動(dòng)完成后，下位機(jī)STM32處理器發(fā)送溫濕度數(shù)據(jù)采集起始信號(hào)，等待AM2301響應(yīng)，STM32讀取40位數(shù)據(jù)后并校驗(yàn)，正確的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳送到上位機(jī)[4]。系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)完成家居溫濕度數(shù)據(jù)的讀取。系統(tǒng)發(fā)送端流程如圖4所示，系統(tǒng)接收端程序流程圖如圖5所示。

4 實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

該系統(tǒng)用于家居室內(nèi)測(cè)試，采集三個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫濕度數(shù)據(jù)，發(fā)送給上位機(jī)并顯示節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)。在進(jìn)行測(cè)試時(shí)，系統(tǒng)初始化后，完成數(shù)據(jù)采集設(shè)置和通信配置后，上位機(jī)接收下位機(jī)發(fā)回的數(shù)據(jù)；并將結(jié)果進(jìn)行顯示，室內(nèi)采樣點(diǎn)溫濕度數(shù)據(jù)如表2所示。通過(guò)實(shí)際應(yīng)用測(cè)試，該測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確、穩(wěn)定可靠。

5 結(jié)論

本文家居無(wú)線溫濕度監(jiān)控，與傳統(tǒng)的控制方式比較，不受空間的限制，布置多個(gè)無(wú)線節(jié)點(diǎn)可方便組網(wǎng)，滿足現(xiàn)代家居溫濕度控制的需求。該系統(tǒng)在家居環(huán)境控制應(yīng)用中，檢測(cè)準(zhǔn)確、運(yùn)行良好，功耗低，模塊性能穩(wěn)定，人機(jī)界面好，具有廣闊的應(yīng)用前期。

參考文獻(xiàn)：

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[3]張玉建.基于nRF24L01的無(wú)線溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2012（1）：21-22.

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