基于無線的測溫測距實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計

冉玉梅

摘 要：基于無線的測溫測距實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)選擇了典型的溫度傳感器和超聲波傳感器，文章使用nRF24L01和ZigBee兩種方式進(jìn)行無線傳輸數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)，利用Visual Basic實(shí)現(xiàn)上位機(jī)實(shí)驗(yàn)軟件功能，具有直觀性和交互性。通過方便的人機(jī)對話，學(xué)生可以完成4種實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖形直觀感受傳感器性能指標(biāo)。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以輔助教學(xué)，用于課堂演示，提高課程的教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：ZigBee；nRF24L01；溫度傳感器；超聲波傳感器

高校在開展“傳感器與檢測技術(shù)”教學(xué)時，通常使用企業(yè)生產(chǎn)的實(shí)驗(yàn)平臺，包括傳感器安裝臺、顯示與激勵源、傳感器符號及引線單元、處理電路單元等。除了費(fèi)用較高外，系統(tǒng)控制對象相對固定，控制方式較為單一，硬件和軟件不開放[1]。而隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的逐漸普及，將各類傳感器實(shí)時監(jiān)測的數(shù)據(jù)，通過無線傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行收集，再通過上位機(jī)程序處理，即“無線”+“傳感”的模式將成為未來趨勢。為了讓學(xué)生更加直觀地認(rèn)識無線傳感模式，搭建了基于無線的測溫測距實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡介

短距離無線通信包括無線編解碼芯片，無線數(shù)傳芯片，ZigBee，WiFi，藍(lán)牙，IrDA這些方式，本文選擇了無線數(shù)傳芯片和ZigBee兩種方式。我國傳感器產(chǎn)品開發(fā)涵蓋光敏、熱敏、力敏、氣敏、電壓敏、磁敏、濕敏、聲敏、射線敏、離子敏和生物敏等傳感器，系統(tǒng)選擇了常用的溫度傳感器和超聲波傳感器。系統(tǒng)包括4個實(shí)驗(yàn)，分別為無線數(shù)傳芯片傳輸溫度傳感器數(shù)據(jù)、無線數(shù)傳芯片傳輸超聲波傳感器數(shù)據(jù)、ZigBee模塊傳輸溫度傳感器數(shù)據(jù)、ZigBee模塊傳輸超聲波傳感器數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)主要由控制器、無線傳輸模塊、傳感器模塊和上位機(jī)軟件構(gòu)成。通過單片機(jī)連接無線傳輸模塊和傳感器，傳感器收集數(shù)據(jù)，無線模塊發(fā)射端將數(shù)據(jù)發(fā)送到連接上位機(jī)的接收端，上位機(jī)軟件系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并實(shí)時顯示。

系統(tǒng)對溫度傳感器、超聲波測距傳感器和單片機(jī)采用﹢5.0 V的電源供電，對無線模塊采用﹢3.3 V供電。軟件設(shè)計主要通過Keil4.0，IAR EW8051-8.1和Visual Basic6.0開發(fā)。

2 硬件設(shè)計

硬件系統(tǒng)由檢測模塊和無線傳輸模塊組成。無線數(shù)傳芯片通過芯片提供的接口進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，典型的數(shù)傳芯片有Si4432，nRF24L01，CC1100等，系統(tǒng)使用nRF2401L芯片。ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議，CC2530是用于ZigBee的一個片上系統(tǒng)解決方案[2]。檢測模塊包括溫度傳感器和超聲波傳感器，溫度傳感器選擇的型號是DS18B20，測溫范圍在﹣55～﹢125 ℃，在常溫環(huán)境中實(shí)驗(yàn)測量時，通常在15～40 ℃變化，系統(tǒng)通過圖形化顯示的數(shù)據(jù)也在此區(qū)間內(nèi)。超聲波傳感器選擇的型號是HC-SR04，可提供2～400 cm的非接觸式距離感測功能。

3 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計針對單片機(jī)和上位機(jī)，分別通過Keil4.0，IAR EW8051-8.1和Visual Basic6.0開發(fā)。對ZigBee設(shè)備，使用Z-Stack協(xié)議棧開發(fā)，定義通信硬件和軟件在不同級如何協(xié)調(diào)工作[2]。為了實(shí)現(xiàn)Z-Stack代碼的公用，用戶需要添加幾個文件，編寫自己的任務(wù)處理函數(shù)。一個是主文件，存放具體的任務(wù)事件處理函數(shù)；一個主文件的頭文件；一個是以O(shè)sal開頭的操作系統(tǒng)接口文件，專門存放任務(wù)處理函數(shù)數(shù)組tasksArr[]的文件。

在Visual Basic6.0中有一個名為Microsoft Communication Control的通信控件。通過對此控件的屬性和事件進(jìn)行相應(yīng)編程操作，可以實(shí)現(xiàn)串口通信，部分代碼如下。

MSComm1.OutBufferSize = 2

If MSComm1.PortOpen = True Then MSComm1.PortOpen = False

MSComm1.SThreshold = 1

MSComm1.InputLen = 0

MSComm1.InputMode = comInputModeText

MSComm1.InBufferCount = 0

根據(jù)軟件模塊化設(shè)計方法，將實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件功能模塊劃分為“選擇無線傳輸方式”模塊、“選擇傳感器類型”模塊、“選擇com端口”模塊、“選擇波特率”模塊、“選擇保存文件”模塊、“打開串口/關(guān)閉串口”模塊、“保存數(shù)據(jù)/停止保存”模塊、文字顯示模塊、圖形化數(shù)據(jù)演示模塊[3]。

4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計舉例

4.1 無線數(shù)傳芯片的傳輸方式

以傳輸溫度傳感器數(shù)據(jù)為例，選擇nRF24L01芯片模塊，通過USB接口連接單片機(jī)和nRF24L01接收器。

運(yùn)行“基于無線的傳感器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”軟件，“選擇無線傳輸方式”中單擊“無線數(shù)傳芯片”，“選擇傳感器類型”中單擊“溫度傳感器”，單擊“選擇com端口”下顯示的端口號，“選擇波特率”中單擊“9600”，“選擇保存文件”中按照自己的存放路徑和存放文件名稱進(jìn)行修改。

按下單片機(jī)上的加電開關(guān)，單擊“打開串口”。將不同溫度的熱源接近傳感器，傳感器收集到溫度值，nRF24L01芯片將這些數(shù)值傳遞到上位機(jī)軟件，以圖形、文本兩種方式顯示溫度，如圖1所示，“實(shí)時數(shù)據(jù)”中的數(shù)值和單片機(jī)上液晶顯示屏上數(shù)據(jù)一致。

單擊“保存數(shù)據(jù)”按鈕，經(jīng)過一段時間后，單擊“停止保存”按鈕，期間的數(shù)據(jù)將保存在“data.txt”文檔中，雙擊打開可瀏覽。單擊“關(guān)閉串口”，將單片機(jī)的加電開關(guān)關(guān)閉，完成本個實(shí)驗(yàn)的運(yùn)行過程。無線數(shù)傳芯片傳輸超聲波傳感器數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)過程與上述過程相似[4]。

4.2 ZigBee的傳輸方式

以ZigBee模塊傳輸超聲波傳感器數(shù)據(jù)為例，選擇ZigBee無線傳輸模塊，將超聲波傳感器安裝到CC2530發(fā)送端接口上，CC2530發(fā)送端模塊連接到移動電源。

各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)選擇后，打開CC2530模塊的加電開關(guān)，單擊“打開串口”，將超聲波傳感器對準(zhǔn)不同的參照物，反饋的距離數(shù)據(jù)通過CC2530傳遞到上位機(jī)，以圖形、文本顯示數(shù)據(jù)。ZigBee模塊傳輸溫度傳感器數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)過程與上述過程相似[5]。

一般的上位機(jī)通過手工方式選擇端口，先連接無線模塊，在“設(shè)備管理器”中查看占用的端口號，再返回系統(tǒng)選擇相應(yīng)選項(xiàng)，過程復(fù)雜效率低。本系統(tǒng)在運(yùn)行時通過代碼自動搜索被占用的端口號，顯示在選項(xiàng)菜單中，提高了工作效率[6]。

5 結(jié)語

基于模塊化的思想，設(shè)計并開發(fā)了基于無線的測溫測距實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在系統(tǒng)中使用了兩種傳感器和兩種無線傳輸方式。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有可靠高效的優(yōu)點(diǎn)。4個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目直觀地展現(xiàn)了傳輸方式與傳感器之間的連接，圖形化展示了傳感器數(shù)據(jù)的變化，其設(shè)計目的是給學(xué)生提供實(shí)際動手機(jī)會，有利于學(xué)生加深對無線傳輸方法和常用傳感器的了解。