基于nRF905的低功耗溫濕度無(wú)線測(cè)量系統(tǒng)

摘要：為實(shí)現(xiàn)溫濕度測(cè)量和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，該設(shè)計(jì)使用AVR系列低功耗單片機(jī)ATmega16L作為控制芯片，低功耗芯片nRF905作為無(wú)線收發(fā)模塊，并設(shè)計(jì)了基于數(shù)字溫濕度傳感器SHT11的溫濕度無(wú)線測(cè)量系統(tǒng)，最后給出該系統(tǒng)的相關(guān)硬件組成電路和數(shù)據(jù)傳輸流程圖。經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，通信距離很遠(yuǎn)，且溫濕度測(cè)量精確，具有很廣泛的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：無(wú)線通信；nRF905；溫度測(cè)量；濕度測(cè)量；SHT11；ATmega16L。

O 引 言
    溫濕度的測(cè)量在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的大棚管理，倉(cāng)庫(kù)糧食存儲(chǔ)管理，生產(chǎn)制造行業(yè)，氣象觀測(cè)，恒溫恒濕的空調(diào)房科研及日常生活中被廣泛應(yīng)用?？梢哉f(shuō)溫濕度是影響日常的生產(chǎn)生活以及科研的一個(gè)很重要的因素。目前我國(guó)許多領(lǐng)域例如農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等仍采用測(cè)溫儀器與人工抄錄、管理相結(jié)合的傳統(tǒng)方法，這不僅效率低，而且會(huì)由于判斷失誤和管理不力造成很多嚴(yán)重?fù)p失。
    系統(tǒng)以自帶SPI和兩線串行接口的低功耗單片機(jī)ATmega16L為控制芯片，采用nRF905芯片組成的無(wú)線收發(fā)節(jié)點(diǎn)，利用數(shù)字溫濕度傳感器SHT11完成對(duì)環(huán)境的溫濕度測(cè)量系統(tǒng)。同時(shí)該系統(tǒng)留出MAX232接口以方便與PC機(jī)通訊，實(shí)現(xiàn)溫濕度的實(shí)時(shí)顯示以及監(jiān)測(cè)功能。

1 系統(tǒng)描述
    如圖1，圖2所示為低功耗溫濕度無(wú)線測(cè)量系統(tǒng)的發(fā)送和接收模塊的框圖。
    其中圖1為無(wú)線發(fā)送模塊，以Atmega16L為主控制核心，控制溫濕度傳感器SHT11采集環(huán)境的溫濕度，然后利用nRF905無(wú)線傳輸模塊將采集到的溫濕度數(shù)據(jù)發(fā)送給溫濕度測(cè)量無(wú)線接收模塊進(jìn)行相應(yīng)處理。

    圖2為溫濕度測(cè)量無(wú)線接收模塊，以Atmega16L為主控制核心，利用nRF905無(wú)線傳輸模塊接收溫濕度數(shù)據(jù)，然后利用MAX3232上傳給PC機(jī)，利用相關(guān)上位機(jī)軟件實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2 硬件電路設(shè)計(jì)
2．1 3．3 V供電電源模塊
    本設(shè)計(jì)所需的電壓為3．3 V，故采用LM1117-3．3電源供電系統(tǒng)，如圖3所示。無(wú)線發(fā)送模塊以及溫濕度測(cè)量模塊使用的器件皆為低功耗器件。對(duì)發(fā)送端而言，可以采用5 V電池供電，很適合在野外等環(huán)境進(jìn)行溫濕度測(cè)量采集。而接收端可以采用5 V開(kāi)關(guān)電源供電。其核心部件LM1117-3．3是一個(gè)低壓差電壓調(diào)節(jié)器系列。壓差在1．2 V輸出，此時(shí)相應(yīng)的負(fù)載電流為800 mA。

2．2 單片機(jī)控制電路
    本設(shè)計(jì)采用高性能、低功耗的8位AVR微處理器ATmega16L作為控制芯片。
    首先對(duì)于ATmega16L具有先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)，大多數(shù)指令執(zhí)行時(shí)間為單個(gè)時(shí)鐘周期，是具有最高M(jìn)IPS／mW能力的8位單片機(jī)。此外它還具有512 B的E2PROM，可在掉電時(shí)存儲(chǔ)用戶信息，并采 用FLASH存儲(chǔ)技術(shù)，可使單片機(jī)的內(nèi)部存儲(chǔ)單元能夠在線重復(fù)擦寫(xiě)1 000次以上。
    其次，Atmega16L的工作電壓范圍為2．7～5．5 V，具有睡眠模式，空閑模式，掉電模式以及省電模式，這些多樣的模式也使得Atmega16L成為低功耗產(chǎn)品的最佳控制芯片之一。
    最后，Atmega16L提供二線數(shù)字串行接口SDA和SCL，接口簡(jiǎn)單。支持主機(jī)和從機(jī)操作器件可以工作于發(fā)送器模式或接收器模式，并且支持多主機(jī)仲裁。
2．3 無(wú)線收發(fā)模塊
   無(wú)線收發(fā)芯片采用挪威Nordic公司的單片無(wú)線收發(fā)器芯片nRF905。工作電壓為1．9～3．6 V，工作于433／868／915 MHz三個(gè)ISM頻道，最大數(shù)據(jù)速率為100 Kb／s。芯片內(nèi)部集成了頻率合成器、接收解調(diào)器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器。其主要特點(diǎn)是能夠自動(dòng)處理報(bào)頭和CRC冗余校驗(yàn)，而且可以直接通過(guò)SPI接口來(lái)進(jìn)行軟件配置。此外，其功耗非常低，以-10 dBm的輸出功率發(fā)射時(shí)電流只有11 mA，工作于接收模式時(shí)的電流為12．5 mA，并內(nèi)建有空閑模式與關(guān)機(jī)模式，易于實(shí)現(xiàn)節(jié)能。
    nRF905的應(yīng)用電路如圖4所示。電路主要利用nRF905與外圍器件構(gòu)成的電路組成無(wú)線發(fā)送接收電路，圖4展示的是用nRF905差分連接的環(huán)形天線圖。其中，nRF905模塊的SPI接口引腳MOSI，MISO，SCK引腳分別接Atmega16L的SPI接口引腳：PB5(MOSI)，PB6(MISO)，PB7(SCK)。nRF905的SPI接口工作于從機(jī)模式，并且利用環(huán)形天線發(fā)射信號(hào)。

    為了充分利用能量，nRF905分別設(shè)定了兩種工作模式和兩種節(jié)能模式，分別由TRX_CE，TX_EN和PWR_UP三個(gè)引腳決定。因此，設(shè)計(jì)使用Atmega16L的PA2～PA7連接至nRF905的控制檢測(cè)，用于切換模式以及配合通信。表1為nRF905的工作模式及相應(yīng)功能。

2．4 溫濕度測(cè)量模塊
    本設(shè)計(jì)的溫濕度測(cè)量所采用的是瑞士Sensiri2on公司生產(chǎn)的具有二線串行接口的單片全校準(zhǔn)數(shù)字式新型相對(duì)濕度和溫度傳感器SHT11，SHT11可用來(lái)測(cè)量相對(duì)濕度、溫度和露點(diǎn)等參數(shù)，具有數(shù)字式輸出、免調(diào)試、免標(biāo)定、免外圍電路及全互換等特點(diǎn)。
    SHT11的濕度／溫度傳感器系統(tǒng)測(cè)量相對(duì)濕度的范圍是0～100％，分辨力達(dá)0．03％RH，最高精度為±2％RH。測(cè)量溫度的范圍是-40～+123．8℃，分辨力為O．1℃。
    SHT11傳感器默認(rèn)的測(cè)量溫度和相對(duì)濕度的分辨率分別為14位和12位，通過(guò)狀態(tài)寄存器可降至12位和8位，并具有可靠的C2RC數(shù)據(jù)傳輸校驗(yàn)功能。另電源電壓范圍為2．4～5．5 V；電流消耗?。簻y(cè)量時(shí)為550 μA，平均為28 μA，休眠時(shí)為3μA。是低功耗產(chǎn)品的最佳選擇之一。
    SHT11的應(yīng)用電路如圖5所示，VDD與GND間通過(guò)O．1μF的去耦電容相連，且其I2C接口的SCK，DATA直接與Atmega16L的兩線串行接口通過(guò)4．7 kΩ上拉電阻SCL與SDA相連，用于數(shù)據(jù)的傳輸交換。

2．5 上位機(jī)接口電路
    為了便于監(jiān)控，引入上位機(jī)功能，并加入串口通信模塊。3．3 V到RS 232電平(±12 V)的專用轉(zhuǎn)換芯片MAX3232的外圍電路如圖6所示，其中五個(gè)電容均取O．1μF的典型值。串口DB9只用三根線，5端公共端接系統(tǒng)的地，2，3端分別是接收和發(fā)送端。DB9接口通過(guò)交叉串口線連到PC機(jī)上，這樣就可以完成硬件串行通信。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括溫濕度測(cè)量和無(wú)線收發(fā)兩個(gè)部分。
3．1 溫濕度測(cè)量
    對(duì)于溫度和濕度，它們并非是急劇變化的物理量，溫濕度的變化往往是緩慢進(jìn)行的，因此針對(duì)這個(gè)特點(diǎn)對(duì)于溫濕度的測(cè)量采集并非需要時(shí)時(shí)刻刻都在進(jìn)行。而是每隔T時(shí)間(T根據(jù)實(shí)際需要而定，本系統(tǒng)選用1 s)采集一次，其余時(shí)間由于低功耗的要求使得MCU處于休眠狀態(tài)。其程序流程如圖7所示。其中Atmega16L進(jìn)入休眠狀態(tài)是通過(guò)對(duì)SE編程休眠使能，并且對(duì)SM 2．0編程后進(jìn)入相應(yīng)的省電模式狀態(tài)，然后通過(guò)定時(shí)器的計(jì)時(shí)中斷將Atmega16L喚醒，再進(jìn)行測(cè)量以及數(shù)據(jù)傳輸。

3．2 無(wú)線收發(fā)
    對(duì)于無(wú)線發(fā)送而言，在測(cè)量發(fā)送數(shù)據(jù)以后，應(yīng)考慮到數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，因此加上校?yàn)功能，并且為防止偶然的發(fā)送失敗帶來(lái)的不良后果，采取定時(shí)等待，超時(shí)后重發(fā)，收到接收主機(jī)命令后才進(jìn)入休眠的模式。具體流程圖如圖8所示。

    對(duì)于接收端而言，所完成的任務(wù)是時(shí)刻檢測(cè)無(wú)線接收模塊，對(duì)于收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，如果正確收到數(shù)據(jù)則無(wú)線發(fā)送相關(guān)指令告知接收端，使其能夠盡快進(jìn)入休眠省電模式，并且通過(guò)上位機(jī)顯示溫濕度；而接收到錯(cuò)誤數(shù)據(jù)后不做任何處理，等待接收端再次發(fā)送數(shù)據(jù)。
    相應(yīng)的初始化程序如下:
    unsigned char RFConf[11]=
   {
        Ox00， ／／配置命令／／
        0x6C， ／／CH_NO，配置頻段在433．2 MHz
        OxOC，／／輸出功率為10 dB，不重發(fā)，節(jié)電為正常模式
        0x44， ／／地址寬度設(shè)置，為4 B
        0x02，0x02， ／／接收發(fā)送有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為3 B
        0xE0，0xE0，0xE0，0xE0， ／／接收地址
        0x1E， ／／CRC充許，16位CRC校驗(yàn)，外部時(shí)鐘信號(hào)使能，16 MHz晶振
    }；
    for(unsigned char i=0；i<11；i++)
       SPDR=RFConf[i]；
      ／／SPDR是Atmegal-16L的SPI數(shù)據(jù)寄存器，相應(yīng)配置見(jiàn)數(shù)據(jù)手冊(cè)；
      而實(shí)際操作過(guò)程中通過(guò)對(duì)nRF905發(fā)送與接收實(shí)現(xiàn)是通過(guò)以下命令實(shí)現(xiàn)：
      寫(xiě)發(fā)射數(shù)據(jù)命令：20H；
      讀發(fā)射數(shù)據(jù)命令：21H；
      寫(xiě)發(fā)射地址命令：22H；
      讀發(fā)射地址命令：23H；
      讀接收數(shù)據(jù)命令：24H。

4 結(jié) 語(yǔ)
    該系統(tǒng)采用AVR系列低功耗單片機(jī)ATmega16L作為控制芯片，低功耗芯片nRF905作為無(wú)線收發(fā)模塊，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于數(shù)字溫濕度傳感器SHT11的溫濕度無(wú)線測(cè)量系統(tǒng)，這些低功耗產(chǎn)品使得該系統(tǒng)耗電量小，并且又特別適合將該系統(tǒng)小型化，智能化，儀表化。無(wú)線發(fā)射功能又代替了人工抄表的繁瑣，使得本系統(tǒng)有著廣泛的應(yīng)用前景。