基于NRF24L01和LabVIEW的無線預(yù)警與自動噴淋系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周中鑫，張印強(qiáng)，李麗娟，郭培志

(1.南京工業(yè)大學(xué)電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院,江蘇南京 211800；2.中電環(huán)保股份有限公司,江蘇南京 221116)

0 引言

伴隨著工業(yè)生產(chǎn)活動的日益頻繁，傳統(tǒng)上的生產(chǎn)監(jiān)測由于有線數(shù)據(jù)模式采集數(shù)據(jù)與視屏監(jiān)控，其安裝布線繁雜多亂易存在電路老化的隱患，對于有較遠(yuǎn)距離的監(jiān)控，數(shù)據(jù)易受干擾波動，傳輸效果不佳及可擴(kuò)展性低。因此針對廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、機(jī)房管理、煤鐵礦生產(chǎn)等諸多領(lǐng)域下的溫度監(jiān)測與控制生產(chǎn)活動中，需要具備實(shí)時(shí)環(huán)境溫度監(jiān)測預(yù)警功能[1-3]。

本文設(shè)計(jì)了一種基于NRF24L01和LabVIEW的無線溫度預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)。搭建的系統(tǒng)由下位機(jī)與上位機(jī)人機(jī)界面2部分組成：先使下位機(jī)主機(jī)板STM32F103控制芯片將采集的溫度信息發(fā)送給NRF24L01無線發(fā)送模塊，然后無線傳送到下位機(jī)從機(jī)板無線接收模塊，無線接收系統(tǒng)結(jié)合串行通信接口，把數(shù)據(jù)送往上位機(jī)PC端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示及報(bào)警并在上位機(jī)界面上實(shí)現(xiàn)無線視屏監(jiān)控，通過無線路由器構(gòu)建的局域網(wǎng)環(huán)境下進(jìn)行通訊，解決了傳統(tǒng)有線視頻的監(jiān)控的束縛，實(shí)現(xiàn)了無線實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)和預(yù)警的控制功能。

1 系統(tǒng)方案架構(gòu)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要包括2部分：下位機(jī)與上位機(jī)人機(jī)界面設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1所示，下位機(jī)可分為主機(jī)板和從機(jī)板。下位機(jī)主機(jī)板經(jīng)單片機(jī)從Pt100采集溫度及火焰?zhèn)鞲衅鞯男盘枺怨潭ǖ母袷酵ㄟ^NRF24L01無線發(fā)送模塊發(fā)送數(shù)據(jù)給下位機(jī)上的從機(jī)板，再通過串口發(fā)送到上位機(jī)。其上位機(jī)界面平臺同樣用串口的方式對下位機(jī)主機(jī)板上的電磁閥及蜂鳴器動作進(jìn)行控制，并且在局域網(wǎng)環(huán)境下進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控。由上述系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對多路溫度、火焰?zhèn)鞲衅鳌㈦姶砰y、蜂鳴器的實(shí)時(shí)監(jiān)測控制和防火預(yù)警的功能。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包括下位機(jī)主機(jī)板和從機(jī)板。其中主機(jī)板包括電源模塊、溫度采集模塊、NRF24L01無線發(fā)送模塊、控制芯片最小系統(tǒng)及其他傳感器，主機(jī)板硬件實(shí)物如圖2所示。從機(jī)板實(shí)現(xiàn)對主機(jī)板無線模塊數(shù)據(jù)信息的接收發(fā)，因此只包括控制芯片最小系統(tǒng)及NRF24L01無線接收模塊，從機(jī)板硬件實(shí)物如圖3所示。

圖2 主機(jī)板

圖3 從機(jī)板

2.1 控制芯片最小系統(tǒng)

根據(jù)系統(tǒng)功能的需求，搭建了以高性能、低成本、低功耗的STM32F103為核心的控制芯片最小系統(tǒng)。該最小系統(tǒng)包括基礎(chǔ)的電源(一組用來給內(nèi)部的ADC、DAC模塊供電的模擬電源，4組單片機(jī)的數(shù)字電源引腳，所有的電源旁路，都需要放置0.1 μF的電容濾波，用來濾除電源的噪聲雜波)、復(fù)位、時(shí)鐘、Boot啟動模式選擇、下載電路(串口/JTAG)的功能外，外加了外圍傳感器器件( NRF24L01無線傳輸模塊、Pt100溫度數(shù)據(jù)采集模塊 、蜂鳴器、火焰?zhèn)鞲衅骷半姶砰y)的引腳功能[4]。其控制芯片最小系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 控制芯片最小系統(tǒng)

2.2 電源及噴淋模塊

下位機(jī)主機(jī)板上設(shè)計(jì)有預(yù)警動作滅火的電磁閥，該電磁閥可依據(jù)用戶需求裝載各種選型的噴淋器件，控制電磁閥的硬件原理：通過一個(gè)單路2輸入正與門器件，在單片機(jī)中將其引腳設(shè)置為推挽輸出進(jìn)行開關(guān)控制，其噴淋原理圖如5(a)圖所示。因選用電磁閥的供電為直流24 V，采用的低功耗NRF24L01無線模塊供電為1.9～3.6 V，且以STM32F103控制電路為核心的單片機(jī)最小系統(tǒng)供電為3.3 V，故設(shè)計(jì)了24 V電壓轉(zhuǎn)換電路及3.3 V的電壓轉(zhuǎn)換電路，供電電源模塊如圖5(b)所示。

(a)噴淋原理圖

(b)供電電源模塊圖5 噴淋及供電電源模塊原理圖

2.3 溫度數(shù)據(jù)采集處理電路

溫度采集電路采用鉑電阻Pt100。溫度范圍在-20～600 ℃，精確到0.1 ℃，Pt后的100即表示0 ℃時(shí)阻值為100 Ω，當(dāng)環(huán)境的溫度變化時(shí)其阻值會成均勻變化的。故根據(jù)Pt100的溫度特性搭建了惠斯登電橋，利用電阻的變化來測量物理量的變化，將Pt100接入電橋，隨著環(huán)境溫度的變化，Pt100的阻值發(fā)生變化導(dǎo)致ΔV發(fā)生變化，但由于電橋出來的信號是差分信號且信號較小，將差分電壓ΔV通過AD623差分運(yùn)放芯片放大后進(jìn)入控制芯片的A/D采樣，再對照Pt100的電阻-溫度對應(yīng)表就可以得知當(dāng)前環(huán)境的溫度。為了減小測量時(shí)的導(dǎo)線電阻誤差，方便以測量鉑電阻溫度傳感器兩端電壓的方式來代替直接測量電阻值，采用了三線制接法[5]。由它構(gòu)成的溫度數(shù)據(jù)采集電路原理圖如圖6所示。

圖6 溫度數(shù)據(jù)采集電路原理圖

2.4 無線傳輸模塊

下位機(jī)無線接收發(fā)模塊采用的NRF24L01是單片無線收發(fā)芯片，工作于2.4～2.5 GHz區(qū)間ISM頻段[6]。通過SPI接口進(jìn)行編程通訊及利用Enhanced Shock Burst協(xié)議來完成點(diǎn)對點(diǎn)或是1對6的無線通訊。無線通信速度最高可達(dá)到2 Mbit/s且功耗低，在以-6 dBm的功率發(fā)射時(shí)的供電電流為9 mA；接收的工作電流只有12.3 mA。

NRF24L01的工作模式由CE和CONFIG寄存器(0X00)的PWR_UP(第1位)和PRIM_RX(第0位)位共同控制，通過調(diào)配寄存器可分為4種工作模式,如表1所示。

表1 NRF24L01的4種工作模式

無線模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)與單片機(jī)和上位機(jī)同步的過程可以分為3個(gè)部分實(shí)現(xiàn)。主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)到從機(jī)時(shí)，調(diào)配CONFIG寄存器，配置NRF24L01為發(fā)送模式。CE置低使能，單片機(jī)將接收節(jié)點(diǎn)地址和有效數(shù)據(jù)按照SPI協(xié)議的時(shí)序要求將數(shù)據(jù)由高位至低位依次發(fā)送給NRF24L01的輸出口。數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，將CE置高使能，片選結(jié)束，完成射頻數(shù)據(jù)打包，通過從機(jī)端發(fā)來的應(yīng)答信號確定NRF24L01發(fā)送數(shù)據(jù)包至從機(jī)成功，再將NRF24L01配置為接收模式，等待從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)并接收。從機(jī)接收主機(jī)數(shù)據(jù)時(shí)，從機(jī)配置NRF24L01為接收模式，當(dāng)從機(jī)檢測到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)包時(shí)，數(shù)據(jù)包中的字頭、地址和CRC校驗(yàn)位由NRF24L01移除，并存儲在RXFIFO中，同時(shí)中斷標(biāo)志位RX_DR置高，IRQ變低，產(chǎn)生的中斷會告知從機(jī)去取數(shù)據(jù)。從機(jī)CE置低使能，通過SPI通信引腳獲取有效數(shù)據(jù)，等所有數(shù)據(jù)由高位至低位讀取完畢后，則NRF24L01進(jìn)入空閑模式，從機(jī)CE置高，完成數(shù)據(jù)的接收。同時(shí)清空中斷標(biāo)志位，等待下一次接收數(shù)據(jù)判斷，并且向主機(jī)發(fā)送接收數(shù)據(jù)的應(yīng)答信號。從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)至上位機(jī)時(shí)，從機(jī)接收主機(jī)的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送至上位機(jī)，上位機(jī)可以通過串口向從機(jī)發(fā)送命令如蜂鳴器報(bào)警，電磁閥打開等，再由從機(jī)通過無線傳輸模塊發(fā)送至主機(jī)完成主機(jī)、從機(jī)和上位機(jī)三者之間的通信。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)監(jiān)測界面設(shè)計(jì)

上位機(jī)人機(jī)界面的設(shè)計(jì)依托LabVIEW環(huán)境開發(fā)編程，LabVIEW通過計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形環(huán)境，采用可視化的圖形編程語言和平臺，在計(jì)算機(jī)上軟件化和虛擬化地實(shí)現(xiàn)一些本需要硬件實(shí)現(xiàn)的技術(shù)[7]，能夠快速地搭建數(shù)據(jù)采集平臺。本文應(yīng)用LabVIEW設(shè)計(jì)的無線溫度預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)界面如圖7所示，前面板有串口參數(shù)輸入、報(bào)警溫度設(shè)置、有無明火報(bào)警警示燈、多路溫度變化曲線顯示、報(bào)警動作等部分。端口設(shè)置可選擇數(shù)據(jù)通信的串口號、串口波特率等。為使實(shí)際現(xiàn)場有可控的溫度設(shè)定，采用數(shù)字輸入框預(yù)設(shè)溫度報(bào)警閾值。波形圖表顯示多路溫度數(shù)據(jù)的動態(tài)實(shí)時(shí)變化過程；當(dāng)環(huán)境溫度超過設(shè)定的溫度閾值時(shí)并且火焰?zhèn)鞲衅鳈z測到有明火，溫度指示燈由綠變紅、火焰報(bào)警警示燈由綠變橙并觸發(fā)下位機(jī)上的蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲。在預(yù)警的過程中，界面中設(shè)定了手動降溫按鈕，不僅在超過設(shè)定溫度閾值時(shí)，自動打開噴淋電磁閥，也可在監(jiān)測的全過程中進(jìn)行手動降溫噴淋，防止突發(fā)情況的發(fā)生。

圖7 LabVIEW系統(tǒng)前面板設(shè)計(jì)

上位機(jī)界面操作控制步驟如圖8所示，平臺運(yùn)行后，按操作進(jìn)行串口配置、打開串口、讀取串口、顯示實(shí)時(shí)多路溫度數(shù)據(jù)、報(bào)警檢測動作等流程。通過LabVIEW中的I/O串口函數(shù)面板，采用VISA串口配置、VISA打開、VI-SA讀取函數(shù)可以便捷地完成串口數(shù)據(jù)相應(yīng)操作[8]。在讀取下位機(jī)傳送的數(shù)據(jù)時(shí)，自定義了數(shù)據(jù)傳送協(xié)議。此數(shù)據(jù)協(xié)議完成對2路溫度和火焰?zhèn)鞲衅鲾?shù)據(jù)的傳輸，包含7個(gè)字節(jié)。其幀頭與幀尾各2個(gè)字節(jié)，而后隨之2個(gè)字節(jié)的多路溫度數(shù)據(jù)、1個(gè)字節(jié)的火焰?zhèn)鞲衅餍盘柕臄?shù)據(jù)。例如通過串口助手采集的數(shù)據(jù)為ee ff 1c 1c 01 ff aa，串口采集的數(shù)據(jù)第3、4字節(jié)表示測量的溫度為28 ℃，第5個(gè)字節(jié)表示火焰?zhèn)鞲衅鳈z測到有明火火焰信號[9]。通過自定義的數(shù)據(jù)傳送協(xié)議解決了下位機(jī)上行傳輸多路溫度及火焰?zhèn)鞲衅餍盘枖?shù)據(jù)、上位機(jī)對下位機(jī)進(jìn)行報(bào)警動作的控制。

圖8 控制界面流程

3.2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)方案中的一個(gè)重要任務(wù)是在上位機(jī)管理平臺上實(shí)時(shí)顯現(xiàn)現(xiàn)場視頻圖像，采用在LabVIEW工具中添入視頻播放IPCamSDK控件。IPCamSDK控件的界面、屬性及方法可通過ActiveX控件來獲取。它是一個(gè)可嵌入的組件，存在于ActiveX控件中。在支持ActiveX容器的程序中，都可以在程序中“放置”ActiveX控件。通過ActiveX容器，用戶可以在LabVIEW的界面板上嵌入各種ActiveX組件，并采用其方法及屬性。

而在嵌入ActiveX組件之前，需要將網(wǎng)絡(luò)攝像頭、無線路由器及PC機(jī)設(shè)置處于同一局域網(wǎng)段內(nèi)，而后將網(wǎng)絡(luò)攝像頭的視頻播放控件IPCamSDK安裝到計(jì)算機(jī)上，以便創(chuàng)建控件對話框向?qū)r(shí)，選項(xiàng)里才會出現(xiàn)控制元件AxRemote Control。打開LabVIEW程序的前面板，在創(chuàng)建控件對話框里選中并增添AxRemote Control控制組件。完成綜上所述操作后，才能在界面上嵌入網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)所拍攝的實(shí)時(shí)視頻畫面。視頻監(jiān)控的流程圖如圖9所示。

圖9 視屏監(jiān)控流程圖

4 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)測試選取人工加熱模擬當(dāng)前環(huán)境溫度變化來檢驗(yàn)系統(tǒng)的可行性，客戶端顯示結(jié)果如圖10所示．在無線視頻監(jiān)控界面上，可以點(diǎn)擊按鈕控制攝像頭360°的自由旋轉(zhuǎn)，可以看到實(shí)時(shí)的視頻現(xiàn)場畫面，視頻信號穩(wěn)定，人眼基本無法區(qū)分延時(shí)時(shí)間。其中，串口配置波特率為9 600 bit/s、數(shù)據(jù)位為8位，選擇相應(yīng)的COM通信端口。按打開串口按鈕后，控制界面系統(tǒng)開始運(yùn)行，溫度報(bào)警的上限在此測試設(shè)置為30 ℃。波形圖表顯示多路溫度數(shù)據(jù)的動態(tài)變化。對鉑電阻Pt100加熱，波形圖數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)值增大，當(dāng)溫度超過設(shè)定的閾值時(shí)，相應(yīng)的溫度指示燈由綠變紅，電磁閥自動打開進(jìn)行滅火措施，并且下位機(jī)主機(jī)板和從機(jī)板上的蜂鳴器發(fā)出“嘟”“嘟”的報(bào)警聲音。此時(shí)按關(guān)閉蜂鳴器按鈕，報(bào)警聲消失，可去處理現(xiàn)場問題，當(dāng)溫度下降到正常值范圍內(nèi)時(shí)，紅色溫度指示燈變綠，報(bào)警信號消失，可自選噴淋裝載的電磁閥自動關(guān)閉。若火焰?zhèn)鞲衅鳈z測到明火時(shí)，同樣蜂鳴器做出預(yù)警警示。在整個(gè)監(jiān)測開始的全過程中，噴淋電磁閥可全程手動降溫。按下紅色停止按鈕，控制界面系統(tǒng)停止運(yùn)行。綜上所述，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了無線溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測和防火預(yù)警的控制功能。

圖10 客戶端控制界面

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并且實(shí)現(xiàn)了基于NRF24L01和LabVIEW的溫度無線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，搭建了穩(wěn)定的硬件平臺，且上位機(jī)人機(jī)界面采用智能化監(jiān)測控制系統(tǒng)的管理平臺，將會準(zhǔn)確地采集到溫度及實(shí)時(shí)顯示監(jiān)控畫面，同時(shí)能夠及時(shí)預(yù)警并采取相應(yīng)的防火措施。實(shí)驗(yàn)檢測表明，該系統(tǒng)節(jié)約了成本開發(fā)，工作運(yùn)行穩(wěn)定，且易于在該系統(tǒng)的基礎(chǔ)上做出擴(kuò)展式的應(yīng)用，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。