基于nRF24L01的無線溫度采集系統(tǒng)設(shè)計

1 引言
    溫度采集系統(tǒng)所采集的溫度通常通過RS485、CAN總線通信方式傳輸至上位機，但這種方式維護較困難，不利于工業(yè)現(xiàn)場生產(chǎn)；而無線通信GPRS技術(shù)傳輸距離長，通信可靠穩(wěn)定，但設(shè)計復雜、成本昂貴。這里采用工業(yè)級內(nèi)置硬件鏈路層協(xié)議的低成本單芯片nRF24L01型無線收發(fā)器件實現(xiàn)系統(tǒng)間的無線通信，完成無線信號的接收、顯示及報警功能。

2 nRF24L01簡介
    nRF24L01是一款工業(yè)級內(nèi)置硬件鏈路層協(xié)議的低成本無線收發(fā)器。該器件工作于2．4 GHz全球開放ISM頻段，內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊，并融合增強型ShockBurst技術(shù)，其輸出功率和通信頻道可通過程序配置。擁有ShockBurst和Enhanced ShockBurst兩種數(shù)據(jù)傳輸模式?？芍苯优c單片機I／O連接，外接元件數(shù)目少。nRF24L01功耗低，以-6 dBm的功率發(fā)射時，工作電流僅9 mA；接收時，工作電流僅12．3 mA，多種低功率工作模式(掉電和空閑模式)更利于節(jié)能設(shè)計。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計
    系統(tǒng)硬件設(shè)計主要由采集發(fā)送和接收顯示兩部分組成。圖1為采集發(fā)送電路原理圖，該電路主要由溫度傳感器DS18B20、單片機STC12LE5408和nRF24L01組成。
　　

 

　　STC12LE5408是增強型8051單片機，速度快，集成度高，電壓范圍寬(2．2～3．8 V)，和MCS-51系列單片機指令系統(tǒng)完全兼容。其內(nèi)部還有8 KB Flash程序存儲器，512字節(jié)RAM、2 KB EEPROM、4路PWM以及硬件看門狗(WDT)等資源．性價比高。
    DSl8B20是DALLAS公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字1-Wire溫度傳感器，可把溫度信號直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號供單片機處理，采用1-Wire接口。DSl8B20的數(shù)據(jù)端DQ可通過4．7 kΩ的上拉電阻接STC12LE5408。nRF24L01的CE，CSN，SCK，MOSI，MISO，IRQ引腳則可接STC12LE5408的任意端口，但需在編程時注意，這里接至P1端口。由于nRF24L01具有接收數(shù)據(jù)功能，所以接收顯示電路由單片機STC12LE5408、nRF24L01和顯示電路組成。所采集的數(shù)據(jù)也通過串口發(fā)送至PC機進行處理。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計
4．1 nRF24L01的軟件設(shè)置
    由于STC12LE5408無標準的SPI總線接口，需采用軟件模擬實現(xiàn)SPI總線。因此應嚴格按照SPI的時序要求編寫，否則導致對nRF24L01的操作失敗。nRF24L01的各種命令字都只有一個字節(jié)，分為讀寄存器、寫寄存器、讀數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)、寫發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)等。在輸入任意命令字的同時，MISO輸出STATUS寄存器的內(nèi)容。對RF24L01的讀寫程序代碼如下：

 

　　nRF24L01的ShockBurst和Enhanced ShockBurst兩種數(shù)據(jù)模式的區(qū)別是：后者比前者多一個確認數(shù)據(jù)傳輸?shù)男盘?，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。按Enhanced ShockBurst模式初始化，重新發(fā)送等待時間為250μs，重新發(fā)送次數(shù)為10次，地址是RX_ADR_WIDTH，輸出功率為0 dBm，速度為1 Mb／s。nRF24L01處于POWER_UP狀態(tài)。函數(shù)中WRITE_REG為寫命令基地址0x20。其相關(guān)程序如下：




　　在接收端將nRF24L01配置為接收模式，地址是RX_AW，負載數(shù)據(jù)寬度是TX_PL_W，使能接收完數(shù)據(jù)中斷，CRC校驗位為2字節(jié)，nRF24L01處于POWER_UP狀態(tài)，其相關(guān)程序代碼如下：




4．2 數(shù)據(jù)采集發(fā)送子程序
　　數(shù)據(jù)采集發(fā)送部分上電后首先配置nRF24L01的相關(guān)寄存器．使其工作在發(fā)射狀態(tài)，然后復位DSl8B20，向DSl8B20發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換命令，讀取已轉(zhuǎn)換的溫度值，然后由nRF24L01發(fā)送．其流程如圖2所示。



　　

　　這里需注意DS18B20是單總線器件．其硬件接口比較簡單，這是以相對復雜的軟件編程為代價的。DS18B20與單片機的接口協(xié)議也是通過嚴格的時序來實現(xiàn)的。雖然增加軟件開銷，但由于STC12LE5408運行速度快，可以滿足系統(tǒng)要求。另外，對DS18B20操作的程序必須按照初始化，ROM操作命令，存儲器操作命令，執(zhí)行／數(shù)據(jù)的先后順序進行。如果總線上只掛1個DS18B20，初始化后可執(zhí)行跳過ROM命令，再發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換命令。溫度轉(zhuǎn)換完成后，將溫度值暫存在發(fā)送緩沖區(qū)tx_buf中，然后通過nRF24L01發(fā)送，其相關(guān)程序代碼如下：




4．3 數(shù)據(jù)接收顯示子程序
　　nRF24L01在數(shù)據(jù)接收顯示中為接收狀態(tài)。當nRF24L01模塊配置為接收模式后，當接收到數(shù)據(jù)中斷時，從接收FIFO讀取數(shù)據(jù)。然后將其存儲到接收緩沖區(qū)rX_bur中。其相關(guān)程序代碼如下：




5 結(jié)束語
　　本文介紹了nRF24L01和STC12LE5408組成的無線溫度采集系統(tǒng)。采用高度集成的nRF24L01器件。大大簡化了系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計，減小了體積，提高了系統(tǒng)工作的可靠性。采用新一代增強型8051單片機STC12LE5408降低了系統(tǒng)成本，縮短了開發(fā)時間。實踐證明該系統(tǒng)設(shè)計簡單，成本低廉，通信可靠，運行穩(wěn)定，性能可靠，具有較高的實用價值。