基于nRF24L01和IAP15W4K58S4的糧倉環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

朱嶸濤++羅明璋

摘 要： 針對目前糧倉環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)存在布線繁瑣、安裝不便、維護麻煩等問題，提出了一種基于nRF24L01和IAP15W4K58S4的糧倉環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計方案。nRF24L01是一種新興的無線通信技術(shù)，具有低功耗、高傳輸速率、低成本等特點，可直接與各種單片機連接使用，且編程簡單；IAP15W4K58S4是一款高性價比單片機，價格便宜且功能強大。該監(jiān)測系統(tǒng)由傳感器節(jié)點和環(huán)境監(jiān)測節(jié)點兩部分構(gòu)成，傳感器節(jié)點將檢測到的溫度、濕度和氣體等數(shù)據(jù)發(fā)送給環(huán)境監(jiān)測節(jié)點，環(huán)境監(jiān)測節(jié)點將這些數(shù)據(jù)處理后，經(jīng)由串口傳輸給PC機來顯示。經(jīng)實際測試表明，該系統(tǒng)能穩(wěn)定運行，并較好地應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞： 糧倉環(huán)境監(jiān)測； nRF24L01； IAP15W4K58S4； 溫度?濕度檢測； 監(jiān)測系統(tǒng)

中圖分類號： TN931+.3?34； TP368 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）18?0066?04

Design of barn environment monitoring system based on nRF24L01 and IAP15W4K58S4

ZHU Rongtao1， LUO Mingzhang2

（1. College of Technology & Enginerring， Yangtze University， Jingzhou 434020， China； 2. Yangtze University， Jingzhou 434023， China）

Abstract： Aiming at the problems of complicated wiring， inconvenient installation and troublesome maintenance of the available barn environment monitoring systems， a design scheme of the barn environmental monitoring system based on nRF24L01 and IAP15W4K58S4 is proposed. nRF24L01 is a new wireless communication technology， with low power consumption， high transmission rate， low cost and so on， and can be directly connected with a variety of MCU. Its programming is simple. IAP15W4K58S4 is a cost?effective microcontroller with powerful functions. The monitoring system is composed of the sensor node and the environmental monitoring node. The temperature， humidity and gas data detected by the sensor node are sent to the environmental monitoring node. The data processed by the environmental monitoring node are transmitted to the PC through a serial port for display. The practical test result shows that the system can run stably and can be used in the field of environmental monitoring.

Keywords： barn environmental monitoring； nRF24L01； IAP15W4K58S4； temperature?humidity detection； monitoring system

0 引 言

中國是一個人口大國同時也是一個經(jīng)濟強國，保證一定數(shù)量和高質(zhì)量的糧食儲備有利于保護國家糧食安全和維護社會穩(wěn)定。糧食在存放的過程中容易受到溫度、濕度等因數(shù)的影響，進而使糧食發(fā)生霉變、滋生蟲害，極端情況下，還有可能引起火災(zāi)，為了確保儲糧安全，必須實時監(jiān)測糧倉的環(huán)境狀態(tài)。傳統(tǒng)的糧倉監(jiān)測系統(tǒng)通常采用有線監(jiān)測方式，這種方式的弊端非常明顯，如人工維護麻煩、實際走線困難、安裝難度高等問題。針對這些問題，設(shè)計了一種低成本、高精度的無線糧倉監(jiān)測系統(tǒng)[1?4]。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

本文由傳感器節(jié)點和環(huán)境監(jiān)測節(jié)點構(gòu)成。傳感器節(jié)點負責(zé)對糧倉的溫度、濕度和氣體進行實時測量，并將測量的糧倉環(huán)境信息通過nRF24L01無線通信模塊實時發(fā)送到環(huán)境監(jiān)測節(jié)點。環(huán)境監(jiān)測節(jié)點將傳感器節(jié)點發(fā)送來的糧倉信息通過USB轉(zhuǎn)串口模塊發(fā)到PC機，并在PC機上串口終端中顯示。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計

2.1 nRF24L01無線通信模塊的設(shè)計

無線通信模塊的核心芯片為nRF24L01，nRF24L01是由Nordic公司出品的單芯片無線收發(fā)芯片，工作于2.4～2.5 GHz的全球免申請（ISM）頻段。nRF24L01的工作模式由PWR_UP，CE，TX_EN三個引腳決定。nRF24L01的收發(fā)模式有Enhanced ShockBurstTM收發(fā)模式、ShockBurstTM收發(fā)模式和直接收發(fā)模式三種。為了節(jié)能，通常使用Enhanced ShockBurstTM收發(fā)模式進行無線傳輸。nRF24L01無線通信模塊的電路原理圖如圖2所示。endprint

2.2 IAP15W4K58S4單片機

IAP15W4K58S4單片機是STC公司生產(chǎn)的單時鐘/機器周期（1 T）的單片機，是寬電壓/高速/高可靠/低功耗/超強干擾的新一代MCU。使用STC公司最新的方法進行處理，處理后的程序在一般情況下是不能破解的，并且開發(fā)人員編寫的程序能較好地兼容傳統(tǒng)的MCU，且速度還比傳統(tǒng)的MCU快8～12倍。STC15系列單片機內(nèi)部機集成高精度R/C時鐘，可配置時鐘的范圍是5～30 MHz，同時STC15系列單片機內(nèi)部集成了高可靠復(fù)位電路，因此IAP15最小系統(tǒng)是徹底省掉了昂貴的外部晶振和時鐘電路。IAP15W4K58S4具有8路CCP/PWM/PCA，8路10位高速A/D，內(nèi)置4 KB大容量SRAM，4組超高速異步串行通信口和1組高速同步串行通信端口SPI，并且對于IAP15W4K58S4這款單片機來說，它的供電電壓很寬，在2.5～5.5 V之間都能正常工作[5]。

2.3 單元接口電路設(shè)計

DHT22溫濕度傳感器、MQ?2氣體傳感器和報警電路與IAP15W4K58S4單片機的接口電路原理圖如圖3所示。

圖3 單元接口電路圖

2.3.1 DHT22電路設(shè)計

DHT22溫濕度傳感器與IAP15W4K58S4的接口電路如圖3所示，它的供電電壓為3.3～6 V。DHT22溫濕度傳感器上電后，需要延時1 s以上的時間，來平穩(wěn)過渡不穩(wěn)定狀態(tài)，在這段時間內(nèi)不要發(fā)送任何指令。電源引腳（VCC和GND）之間需要增加一個100 nF的電容，可以有效過濾干擾信號，引腳說明如表1所示。DHT22數(shù)字溫濕度傳感器使用單總線數(shù)據(jù)格式，其數(shù)據(jù)格式由5個字節(jié)構(gòu)成。數(shù)據(jù)分溫度部分和濕度部分，一次有效的數(shù)據(jù)傳輸共40位，數(shù)據(jù)格式：40 b數(shù)據(jù)=16 b濕度數(shù)據(jù)+16 b溫度數(shù)據(jù)+8 b校驗和數(shù)據(jù)，其中校驗和數(shù)據(jù)為溫度數(shù)據(jù)與濕度數(shù)據(jù)之和[6?7]。DHT22一次通信時間最大為5 ms，主機連續(xù)采樣間隔建議不小于100 ms。

2.3.2 MQ?2接口電路設(shè)計

MQ?2氣體傳感器與IAP15W4K58S4的接口電路如圖3所示，它所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫。MQ?2氣體傳感器對空氣中可燃氣體的靈敏度較高，能有效地檢測出空氣中可燃氣體的濃度。MQ?2氣體傳感器的引腳說明如表2所示，DOUT引腳輸出TTL開關(guān)信號，當(dāng)DOUT引腳為低電平時表示檢測到了可燃氣體，AOUT引腳輸出模擬信號，濃度越大AOUT引腳輸出的電壓值也越大[8]。

表2 MQ?2引腳說明

2.3.3 報警接口電路設(shè)計

報警電路與IAP15W4K58S4的接口電路如圖3所示，當(dāng)糧倉內(nèi)的溫濕度超出限定值或檢測到有可燃氣體時，都會觸發(fā)報警電路報警。

2.4 電源模塊設(shè)計

系統(tǒng)采用USB接口供電，USB接口提供的標(biāo)準(zhǔn)電壓是5 V，能滿足IAP15W4K58S4單片機、DHT22溫濕度傳感器和MQ?2氣體傳感器的供電要求，但射頻芯片的工作電壓是在1.9～3.6 V之間，為讓nRF24L01正常穩(wěn)定的工作，必須給nRF24L01接一個直流電壓轉(zhuǎn)換模塊，經(jīng)測試nRF24L01在3.3 V時工作比較穩(wěn)定。本系統(tǒng)選用線性穩(wěn)壓電源LM317構(gòu)成模擬電源，通過調(diào)節(jié)滑動變阻器，使輸出電壓為3.3 V，3.3 V電源模塊原理圖如圖4所示[9]。

2.5 USB轉(zhuǎn)RS 232電路設(shè)計

為了便于環(huán)境監(jiān)測節(jié)點和PC機之間進行數(shù)據(jù)傳輸，本系統(tǒng)設(shè)計采用USB轉(zhuǎn)串口芯片PL2303實現(xiàn)USB到串口的轉(zhuǎn)換。PC機與IAP15W4K58S4單片機之間電平不匹配，因此需要通過PL2303芯片實現(xiàn)電平匹配，從而保證數(shù)據(jù)的有效傳輸，USB轉(zhuǎn)串口電路原理圖如圖5所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本設(shè)計使用C語言編程，為了使程序具有良好的可讀性和移植性，將nRF24L01無線通信模塊驅(qū)動程序、DHT22溫/濕度傳感器驅(qū)動程序、LCD模塊顯示驅(qū)動程序和串口模塊驅(qū)動程序都寫成獨立的模塊程序，方便主程序調(diào)用[10?11]。

3.1 傳感器節(jié)點程序設(shè)計

傳感器節(jié)點主要負責(zé)對現(xiàn)場的環(huán)境參數(shù)信息進行有效測量，并將測量的數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)江h(huán)境監(jiān)測節(jié)點，主要流程如圖6所示。

3.2 環(huán)境監(jiān)測節(jié)點程序設(shè)計

環(huán)境監(jiān)測節(jié)點主要負責(zé)接收來自傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)處理后，經(jīng)由串口電路傳輸?shù)缴衔粰C，主要流程如圖7所示。

4 測試結(jié)果

為了檢驗本文設(shè)計糧倉環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的實際效果，分別從DHT22溫/濕度傳感器的檢測效果和MQ?2氣體檢測效果兩個方面測試。

4.1 溫度和濕度測試

將傳感器節(jié)點和環(huán)境監(jiān)測節(jié)點上電后，打開串口調(diào)試助手，在串口終端中會看到溫度和濕度，然后用手觸模傳感器節(jié)點的溫/濕度傳感器，會看到濕度數(shù)據(jù)發(fā)生明顯變大，溫度數(shù)據(jù)則會慢慢增大，具體信息如圖8所示。

4.2 氣體泄漏效果測試

將傳感器節(jié)點和環(huán)境監(jiān)測節(jié)點上電后，打開串口調(diào)試助手，在串口終端的“gsa leak：”后會顯示“no”，表示沒有檢測到可燃氣體，然后將打火機靠近MQ?2氣體傳感器，將打火機內(nèi)的氣體放出，就會看到串口終端中“gsa leak：”后的“no”變成“yes”，具體效果如圖9所示。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計的糧倉環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)選擇nRF24L01作為無線通信模塊，IAP15W4K58S4作為MCU，DHT22作為溫濕度傳感器，MQ?2作為可燃氣體傳感器，實現(xiàn)了對糧倉環(huán)境的無線監(jiān)測，實際測試結(jié)果表明：該系統(tǒng)對環(huán)境數(shù)據(jù)的采集準(zhǔn)確。無線數(shù)據(jù)的傳輸穩(wěn)定且實時性較好，能較好地應(yīng)用在糧倉環(huán)境監(jiān)測和其需求相近的領(lǐng)域。

注：本文通訊作者為羅明璋。

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