nRF 芯片在校園智能灌溉系統(tǒng)中的應(yīng)用

◎冉菲帆 曹涌 郭建巍

科技和創(chuàng)新是促使一個(gè)國家向前邁進(jìn)的重要因素。工業(yè)和農(nóng)業(yè)一直是國家發(fā)展的重要產(chǎn)業(yè)，而提到農(nóng)業(yè)，首先要考慮的就是植被的灌溉問題，目前常見的灌溉方式主要是人工灌溉和噴灑式灌溉，然而，在現(xiàn)代化的今天，傳統(tǒng)的灌溉方式存在的弊端日益明顯，因此，只有將科學(xué)技術(shù)與農(nóng)業(yè)結(jié)合起來，才能進(jìn)行更加高效的灌溉。在整個(gè)校園智能灌溉系統(tǒng)中，最為重要且關(guān)鍵的模塊，就是實(shí)現(xiàn)主機(jī)和從機(jī)的無線通信，在經(jīng)過實(shí)際測(cè)試之后，我們發(fā)現(xiàn)nRF24L01 芯片無疑是最適合的。

一、nRF24L01 芯片的基礎(chǔ)特性及引腳接口

nRF24L01 的輸入地址、輸出功率和通信頻道都可以通過程序來進(jìn)行設(shè)置，提供了可控性和多樣性，并且適合多個(gè)設(shè)備之間進(jìn)行通信。它的溫度范圍和工作濕度跨度非常大，這使它可以很輕松的保證在各種惡劣天氣環(huán)境下運(yùn)行，它最高工作速率能達(dá)到2Mbps，且具有超強(qiáng)的抗干擾能力，不用擔(dān)心在工作時(shí)被其他信號(hào)所干擾。它的內(nèi)部設(shè)有專門的穩(wěn)壓電路，再加上具有自動(dòng)應(yīng)答機(jī)制和CRC 校驗(yàn)功能，使其不會(huì)因?yàn)殡娫春托盘?hào)的波動(dòng)而影響通信效果，保證了數(shù)據(jù)通信高效穩(wěn)定的進(jìn)行。

八引腳接口的設(shè)計(jì)使它功能十分的全面，其中除了GND 和VCC 外，共有四個(gè)接口負(fù)責(zé)數(shù)字輸入，兩個(gè)接口負(fù)責(zé)數(shù)字輸出，此芯片對(duì)于單片機(jī)的要求比較低，即使是沒有集成SPI 功能的單片機(jī)也可以很容易的控制本模塊，用普通的單片I0 口模擬SPI 時(shí)序進(jìn)行讀寫操作就可以。負(fù)責(zé)數(shù)字輸入的管腳 CE、CSN、SCK、MOSI 分別代表的是收發(fā)模式切換控制端口、SPI 片選使能端，且對(duì)低電平有效、SPI 時(shí)鐘、SPI 從設(shè)備數(shù)據(jù)輸入；負(fù)責(zé)輸出的管腳MISO、IRQ分別代表SPI 從設(shè)備數(shù)據(jù)輸出以及工作狀態(tài)指示。

二、nRF24L01 的工作模式及配置字

（一）工作模式

nRF24L01主要有四種工作狀態(tài)，分別為發(fā)送狀態(tài)、接收狀態(tài)、空閑狀態(tài)和掉電狀態(tài)。

CE、PRIM_RX register、PWR_UP register 這三種組合來決定當(dāng)前所處的工作狀態(tài)。其中收發(fā)模式是四種模式中的核心模式，在增強(qiáng)ShockBurstTM 收發(fā)模式下，要使用到先入先出算法，使用此堆棧區(qū)，可以把數(shù)據(jù)從微控制器中以一個(gè)較低的速度送出，之后用較高的速度發(fā)射，這樣做的好處，一是系統(tǒng)費(fèi)用低，因?yàn)椴还苁歉咚偕漕l還是低速射頻都可以使用低速的微處理器，這樣就大大節(jié)省了費(fèi)用；二是抗干擾性強(qiáng)，由于發(fā)射出去的數(shù)據(jù)的速度是較高的，這也就代表數(shù)據(jù)在空中停留較短的時(shí)間，越短的時(shí)間，數(shù)據(jù)被干擾的可能性就越小，同時(shí)在很大程度上減少了整個(gè)灌溉系統(tǒng)的平均電流。

1.發(fā)送模式。

首先，為了可以使它的工作模式為發(fā)射模式，要對(duì)CONFIG 寄存器進(jìn)行相應(yīng)的配置，然后把數(shù)據(jù)和接收節(jié)點(diǎn)的地址依次按時(shí)序?qū)懭刖彌_區(qū)，通過MCU 把CE 置1并保持至少10us，在發(fā)射的過程中首先需要給射頻前端提供電量，然后對(duì)需要發(fā)送的數(shù)據(jù)（射頻數(shù)據(jù)）進(jìn)行打包，也就是前面提到的添加字頭和CRC 校驗(yàn)碼，最后利用其高速發(fā)射的特點(diǎn)把打包好的數(shù)據(jù)以較快的速度發(fā)射出去。

2.接收模式。

總體來說，接收數(shù)據(jù)的流程與發(fā)送數(shù)據(jù)的流程是類似的，先對(duì)CONFIG 寄存器和地址及數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的配置，將地址和數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū)，之后把CE 置為1 并保持大約130us，之后將會(huì)進(jìn)入監(jiān)視狀態(tài)以等待數(shù)據(jù)包的到來，一旦接受到數(shù)據(jù)包，通過對(duì)字頭、地址、CRC 的檢測(cè)來判斷接受到的數(shù)據(jù)包是否正確，在正確的情況下nRF24L01 會(huì)自動(dòng)把它們移除，接下來nRF24L01 會(huì)將狀態(tài)寄存器置位來通知MCU，此時(shí)的微控制器就會(huì)產(chǎn)生中斷，把輸入的數(shù)據(jù)從芯片內(nèi)讀出，最后當(dāng)所有的數(shù)據(jù)都已經(jīng)讀出來以后，它可以清除掉STATUS 寄存器，并使得nRF24L01 進(jìn)入之前介紹過的四種工作模式之一，以此循環(huán)。

3.待機(jī)模式和關(guān)機(jī)模式。

待機(jī)模式最大的特點(diǎn)就是通過減小平均工作電流來降低功耗，這種狀態(tài)下為22uA，這在一定程度上極大地減少了能源的損耗，并且能夠縮短芯片的啟動(dòng)時(shí)間，在這種模式下晶體振蕩器依然是工作的。需要注意的是，在待機(jī)狀態(tài)下，它會(huì)對(duì)所有的配置字進(jìn)行保留，不會(huì)丟失。關(guān)機(jī)狀態(tài)下的電流損耗是最小的，此時(shí)它雖然不工作，但是所有配置寄存器的值也是保留的。

（二）配置字

nRF24L01 是先通過同步串行外設(shè)接口（SPI）來訪問配置寄存器，然后通過配置寄存器來進(jìn)行配置字的定義的，這些配置寄存器可通過SPI 口訪問，一共有8 個(gè)與其有關(guān)的控制指令，nRF 芯片的MOS（IMaster Input Slave Output）輸入來進(jìn)行使用，然后把數(shù)據(jù)輸出給微控制單元。它是采用先傳送低比特位，再傳送高比特位的方式來進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，傳輸速率最大能達(dá)到10 Mb/s，但是對(duì)于單個(gè)字節(jié)而言是不同的，它對(duì)單個(gè)字節(jié)的傳輸要先送高比特位。

nRF24L0 共有25 個(gè)配置寄存器，其中較為常用的如下表所示：

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其主要的配置參數(shù)分別有：數(shù)據(jù)寬度、地址寬度、接收通道、CRC 校驗(yàn)、工作頻率、發(fā)射頻率和通信頻率等。數(shù)據(jù)寬度：也就是數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)所占用的位數(shù)，它的存在可以讓芯片很清晰的分出來數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)和CRC 校驗(yàn)碼，使得數(shù)據(jù)的傳輸更具有目的性；地址寬度：我們都知道，在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包中，一定會(huì)帶有源地址，而地址寬度的存在就可以讓芯片很輕松的把地址和數(shù)據(jù)發(fā)開來；接收通道：顧名思義，接受通道也就是接受地址，即數(shù)據(jù)即將到達(dá)的地址，通常情況下，有通道0 到通道5 的地址；CRC 校驗(yàn)：這個(gè)參數(shù)的存在目的就是為了使芯片學(xué)會(huì)如何生成和接觸CRC 校驗(yàn)碼，使用此技術(shù)時(shí)，一定要保證配置字，也就是 CONFIG 中的 EN_CRC 中的 CRC 校驗(yàn)被使能，并且還有比較重要的一點(diǎn)就是，發(fā)送和接收使用的協(xié)議必須一致；工作效率：常規(guī)的工作頻率間隔為1M 赫茲，所以建議設(shè)置在2.4 到2.5G 赫茲這個(gè)范圍內(nèi)；發(fā)射功率：發(fā)射功率也就是數(shù)據(jù)以高速發(fā)出時(shí)的速率，它的大小對(duì)于通信的距離以及整套系統(tǒng)的耗能起到了決定性的作用；通信速率：主機(jī)與從機(jī)之間進(jìn)行通信的功率，基本上有兩種情況可以選擇設(shè)置，分別為1Mbps 和2Mbps。當(dāng)把這一系列的參數(shù)都按照工作情況設(shè)置完成后，nRF24L01+就可以進(jìn)入收發(fā)模式，從而進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的流程暢通。

三、nRF 芯片在校園智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用

（一）在系統(tǒng)中的功能實(shí)現(xiàn)過程

在校園自動(dòng)灌溉系統(tǒng)中，nRF24L01 芯片的主要作用是實(shí)現(xiàn)主機(jī)和從機(jī)之間的無線通信。前面我們已經(jīng)從芯片特性、芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)、芯片工作模式及配置方法等多個(gè)方面介紹了nRF24L01，從功能特性上，它具備高效的GFSK 調(diào)制，抗干擾能力強(qiáng)，且滿足多點(diǎn)通信和跳頻通信的需要。從使用者的角度，它簡(jiǎn)單易操作性也是給用戶提供了便利的服務(wù)，可以通過軟件設(shè)置地址，在收到本機(jī)地址時(shí)會(huì)輸出數(shù)據(jù)（提供中斷指示），而且，可以直接接各種單片機(jī)使用，軟件編程十分方便。

（二）NRF24L01 與單片機(jī)連接部分的原理圖

圖1.主機(jī)

圖2.從機(jī)

（三）代碼實(shí)現(xiàn)