基于NRF24LE1 無(wú)線豬體溫測(cè)量系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

王 龍，張思豪

豬體溫是豬的一個(gè)重要生理健康指標(biāo)，生物學(xué)研究表明，豬的體溫在38 ℃～39.5 ℃之間為正常，豬仔正常體溫為38 ℃，如果豬生理機(jī)能發(fā)生擾亂時(shí)一般會(huì)伴有豬體溫反常的癥狀［1］.因此，對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)所有生豬體溫進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的監(jiān)控，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)生豬疫情的預(yù)警.而傳統(tǒng)人工豬體溫采集存在耗時(shí)長(zhǎng)、耗費(fèi)人力資源多等問(wèn)題.

基于此，本文采用NRF24LE1芯片和DS18B20測(cè)溫模塊，設(shè)計(jì)出一款無(wú)線溫度采集系統(tǒng).該系統(tǒng)可以分為兩個(gè)部分：第一部分是發(fā)送端，由無(wú)線模塊與溫度傳感器組成；第二部分是接收端，接收端與PC 機(jī)通信，將檢測(cè)到的溫度值上傳并顯示出來(lái).

整個(gè)系統(tǒng)以無(wú)線收發(fā)模塊NRF24LE1 為核心，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度測(cè)量和多點(diǎn)發(fā)送，解決了傳統(tǒng)人工采集耗時(shí)長(zhǎng)、耗費(fèi)人力資源多等問(wèn)題.系統(tǒng)的設(shè)計(jì)突破了傳統(tǒng)的傳輸方式，通過(guò)遠(yuǎn)程檢測(cè)就可得到相應(yīng)溫度數(shù)據(jù).具有通用性強(qiáng)、封裝小、便于安裝、耗能低等特點(diǎn)，市場(chǎng)推廣價(jià)值較高.

1 硬件電路設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體框圖設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以NRF24LE1 為核心，外接溫度檢測(cè)模塊，通過(guò)串口模塊與PC 機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)溫度值的顯示.系統(tǒng)的總體框圖如圖1 所示.

圖1 系統(tǒng)總體框圖

系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，主要由兩大部分構(gòu)成：一部分是由溫度傳感器和NRF24LE1模塊組成的溫度采集端，完成溫度的采集；另一部分是由NRF24LE1 芯片組成的接收端，使用串行口與PC 端進(jìn)行互通，完成數(shù)值的上傳與顯示.

1.2 NRF24LE1 無(wú)線模塊

（1）NRF24LE1 芯片.NRF24LE1 是一款成本低廉、內(nèi)部集成了高性能微處理器的芯片，工作頻段在2.4 Ghz～2.4853 Ghz 標(biāo)準(zhǔn)ISM 頻段內(nèi)［2］.該芯片內(nèi)部還集合了Flash 暫存器、低功耗振蕩器、AES 硬件加密器等多個(gè)元件，內(nèi)部融合了增強(qiáng)型ShockBurst 技術(shù)，并且提供了理想的無(wú)線協(xié)議，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?NRF24LE1 芯片在0 dB 的功率狀態(tài)下發(fā)射數(shù)據(jù)時(shí)，僅需要電流大小為11.1 mA 即可，接收狀態(tài)下所需的電流大小只需13.3 mA.這種低功耗的工作方式，對(duì)供電方式的設(shè)計(jì)要求簡(jiǎn)單，可延長(zhǎng)系統(tǒng)的待機(jī)時(shí)間.

NRF24LE1 的基本特性：

①內(nèi)置有高性能的微控制器并且還兼容8051 芯片的指令；

②16 KB 的片內(nèi)Flash 存儲(chǔ)代碼空間；

③AES 硬件加密解密加速器；

④I/O 口使用方便：提供多個(gè)I/O 口；

⑤多種低功耗電源模式設(shè)計(jì)；

⑥NRF24LE1 有多種不同的封裝形式；

⑦支持硬件調(diào)試器.

（2）NRF24LE1 芯片引腳功能.NRF24LE1的引腳封裝圖如圖2 所示.

圖2 NRF24LE1 引腳封裝圖

引腳功能：

①VSS：芯片接地端；

②VDD：芯片電源正極接口；

③P0.0～P1.6：外設(shè)連接端口；

④PROG：程序下載使能端口；

⑤RESET：低電平實(shí)現(xiàn)復(fù)位；

⑥VDD_PA：RF 功放電源供電，輸出電壓為+1.8 V；

⑦ANT1、ANT2：發(fā)射、接收天線的引腳接口；

⑧XC1、XC2：連接一個(gè)晶體振蕩器；

⑨IREF：參考電流輸出.

（3）工作模式.NRF24LE1 的工作方式有很多，可以通過(guò)設(shè)置CONFIG 寄存器在多種模式間進(jìn)行轉(zhuǎn)變，能夠有效地降低功耗［3］.NEF24LE1芯片能夠在四種不同的工作狀態(tài)下運(yùn)行，四種工作狀態(tài)分別為：掉電狀態(tài)、待機(jī)狀態(tài)、接收狀態(tài)和發(fā)射狀態(tài)，其中待機(jī)狀態(tài)又包括待機(jī)狀態(tài)1、待機(jī)狀態(tài)2 兩種狀態(tài).其工作狀態(tài)由相關(guān)寄存器進(jìn)行設(shè)置，狀態(tài)設(shè)置如表1 所示.

掉電模式.在該模式中，NRF24LE1 芯片的收/發(fā)功能被禁止使用，目的是降低自身的功耗，減少對(duì)電源的使用.該模式下PRIM_RX、rfce、FIFO的狀態(tài)不需要設(shè)置，只需要將PWR_UP置為低電平即可.

待機(jī)模式.使芯片在功耗比較低的狀態(tài)下有短暫的響應(yīng)時(shí)間.

接收模式.是接收數(shù)據(jù)時(shí)的工作模式.作用是將從信道里接收到的數(shù)據(jù)包送入微處理器中進(jìn)行對(duì)比處理，如果地址與循環(huán)校驗(yàn)碼符合，則將接收到的數(shù)據(jù)保留.

發(fā)射模式.將采集到的數(shù)值與發(fā)送機(jī)地址和循環(huán)校驗(yàn)碼打包傳送給另一方.

（4）配置寄存器.芯片的運(yùn)行狀態(tài)及工作模式的選擇都需要進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的配置，這些參數(shù)需要在配置寄存器中進(jìn)行設(shè)置，這些配置寄存器的設(shè)置是芯片工作關(guān)鍵所在.表2列出了NRF24LE1 基本的配置寄存器.

（5）NRF24LE1 原理圖.圖3 為NRF24LE1模塊電路原理圖.

1.3 DS18B20 測(cè)溫模塊

（1）DS18B20 傳感器特性.DS18B20 測(cè)溫模塊能夠支持使用“一線總線”端口的數(shù)字測(cè)溫傳感器，是DALLAS 公司生產(chǎn)的單線傳感器［4］.

DS18B20 管腳定義：

①DQ：控制DS18B20 的信號(hào)是輸入還是輸出；

②GND：接地；

表1 射頻收發(fā)工作模式

表2 常用配置寄存器

圖3 NRF24LE1 原理圖

③VDD：電源正極；

④NC：懸空.

（2）DS18B20 的硬件連接.DS18B20 的硬件連接較為簡(jiǎn)單，但是程序相對(duì)比較難寫.首先需要讀懂DS18B20 的讀寫時(shí)序圖，才能更好地書寫程序. 在本設(shè)計(jì)中DS18B20 的DQ 與NRF24LE1 芯片的P13 口連接，如圖4 所示.

圖4 DS18B20連接圖

2 系統(tǒng)軟件流程設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

發(fā)射端程序設(shè)計(jì).發(fā)射端需要采集數(shù)據(jù)，所以先將DS18B20 初始化，從中提取出數(shù)值，數(shù)值分為高八位和低八位，然后把數(shù)值和地址、ID 號(hào)和循環(huán)校驗(yàn)碼一起打包，發(fā)射出去.整個(gè)發(fā)射端的工作步驟如圖5 所示.

圖5 發(fā)射端發(fā)射總體步驟

首先應(yīng)對(duì)接收端進(jìn)行初始化，將其設(shè)置為接收模式，然后判斷狀態(tài)寄存器是否有中斷標(biāo)志.如果有接收中斷標(biāo)志，表示已經(jīng)接收到數(shù)據(jù)，從暫存器中讀出數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn).數(shù)據(jù)正確則將其中的溫度值提取出來(lái)，轉(zhuǎn)化成十進(jìn)制，在PC 機(jī)上打印.整個(gè)運(yùn)行流程如圖6 所示.

圖6 接收端接收總體步驟

2.2 無(wú)線接收模塊

接收端工作時(shí)，需要把NRF24LE1 芯片初始化，然后設(shè)置無(wú)線參數(shù).首先設(shè)置CE 和RFCKEN 時(shí)鐘使能端，關(guān)閉芯片中所有的數(shù)據(jù)通道，再開(kāi)啟接收數(shù)據(jù)通道0，只在通道0 中實(shí)現(xiàn)接收，之后還需要設(shè)置通道0 的自動(dòng)應(yīng)答.在CONFIG 寄 存 器 中，PRIM_RX 是RX/TX 模 式選擇位，PRIM_RX 設(shè)置為高電平，芯片就為RX 模式［5］.再在RF_CH 中設(shè)置射頻頻道，只有接收端和發(fā)射端的射頻頻道處于同一信道內(nèi)才能互相通信.之后設(shè)置無(wú)線傳輸?shù)目罩袀鬏斔俾屎凸ぷ鲿r(shí)的輸出功率，這兩個(gè)參數(shù)的設(shè)置都在同一寄存器RF_SETUP 中設(shè)置，RF_DR_HIGH 掌管著空中無(wú)線速率的選擇，有1 Mbps、2 Mbps 和250 kbps 三種選擇，本設(shè)計(jì)選用的是250 kbps.RF_PWR 掌管著輸出功率的選擇，有0 dBm、-6 dBm、-12 dBm、-18 dBm四種選擇，本設(shè)計(jì)選用0 dBm 的輸出功率.然后在CONFIG 寄存器中設(shè)置CRC 校驗(yàn)，設(shè)置接受的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，這兩個(gè)都是用來(lái)判斷接收到的數(shù)據(jù)格式是否正確.最后PWR_UP 設(shè)置為高電平，芯片才能正式作為接收端使用.接收端接收到數(shù)據(jù)后，檢測(cè)數(shù)據(jù)包中的第一個(gè)數(shù)據(jù)、有效地址和循環(huán)校驗(yàn)碼，當(dāng)條件判斷成立，才會(huì)把收到的數(shù)值保存.接收完成后接收端會(huì)自動(dòng)生成一個(gè)應(yīng)答信號(hào)，這個(gè)信號(hào)的作用是用來(lái)答復(fù)發(fā)射端，表示數(shù)據(jù)已經(jīng)接收到位.接收端的工作運(yùn)行步驟如圖7 所示.

圖7 無(wú)線接收流程圖

2.3 無(wú)線發(fā)射模塊

發(fā)射端首先要配置初始化寄存器.配置方法與接收端的無(wú)線配置流程一樣，其中的數(shù)據(jù)通道、RF 信道、發(fā)射機(jī)地址、傳輸功率、空中無(wú)線速率，以及CRC 校驗(yàn)都需要設(shè)置為同樣的參數(shù)，只需要將CONFIN 寄存器中的PRIM_RX 設(shè)置為低電平，讓其在TX 狀態(tài)下工作. 需要注意的是這些指令數(shù)據(jù)都需要在CSN 為低電平時(shí)才能夠連續(xù)寫入，否則無(wú)法寫入指令和數(shù)據(jù)，在執(zhí)行完后將CSN 的電平設(shè)置為高.發(fā)射完數(shù)據(jù)后，發(fā)射端會(huì)等待一個(gè)信號(hào)的傳回，這個(gè)信號(hào)是由接收端發(fā)出的，只有接收到這個(gè)信號(hào)，發(fā)射端才會(huì)確保數(shù)據(jù)沒(méi)有丟失，不會(huì)進(jìn)行重發(fā)操作，否則會(huì)自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)重發(fā).最后整個(gè)發(fā)射完成后，就會(huì)進(jìn)入寄存器低功耗狀態(tài)，等待下一個(gè)發(fā)射命令的出現(xiàn).以上發(fā)射端的工作步驟如圖8 所示.

圖8 無(wú)線發(fā)射流程圖

3 系統(tǒng)測(cè)試

使用本系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)同時(shí)測(cè)量豬的溫度，對(duì)比兩個(gè)溫度值，觀察誤差.溫度測(cè)量值對(duì)比如表3 所示.

表3 溫度測(cè)量對(duì)比

通過(guò)表3 可以看出，溫度計(jì)讀出來(lái)的溫度值與系統(tǒng)讀取出來(lái)的溫度值基本相近，誤差非常小，達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求.另外對(duì)收發(fā)距離進(jìn)行測(cè)試，在30 m 以外進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、發(fā)射和接收的情況都非常好，能夠正常地在電腦上顯示數(shù)據(jù).圖9 為接收端將接收到的溫度值在PC 機(jī)上打印出來(lái)的多點(diǎn)溫度測(cè)量結(jié)果圖.

圖9 PC機(jī)顯示

4 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)利用無(wú)線采集收發(fā)技術(shù)，對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)所有生豬的體溫進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控，相比于人工檢測(cè)，該系統(tǒng)測(cè)量體溫準(zhǔn)確度高、省時(shí)、省力、方便、科學(xué).系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)采集溫度數(shù)據(jù)，降低了生產(chǎn)成本和勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了養(yǎng)殖效率，有助于養(yǎng)殖技術(shù)自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn).