基于nRF24L01的無線溫濕度檢測系統設計

引言

在當今的工農業(yè)生產中，需要進行溫濕度采集的場合越來越多，準確方便地測量溫度變得至關重要。傳統的有線測溫方式存在著布線復雜，線路容易老化,線路故障難以排查,設備重新布局要重新布線等問題。特別是在有線網絡不通暢或由于現場環(huán)境因素的限制而不便架設線路的情況下，給溫濕度的數據釆集帶來了很大的麻煩。要想監(jiān)測到實時的溫濕度數據，就必須采用無線傳輸的方式對數據進行采集、發(fā)送、接收并對無線采集來的數據通過上位機進行處理，以控制并監(jiān)測設備的運行情況，減少不必要的線路設備開支。

1  系統組成框圖

本文設計的多路無線溫濕度檢測系統將單片機檢測控制系統和射頻通信系統相結合,系統由主機和從機兩部分構成,從機負責檢測溫濕度，并將釆集到的數據通過射頻系統發(fā)送給主機，主機接收從機發(fā)送過來的信號，并通過串口和PC機進行通信，記錄數據，同時可通過PC機設定報警數據上下限。其系統組成框圖如圖1所示。

2  系統硬件電路

系統的溫濕度數據采用數字式溫濕度傳感器DHT11進行數據釆集，以51系列增強型單片機STC12C5A08S2為核心和無線射頻nRF24L01構成收發(fā)電路，從機使用液晶LCD1602顯示，主機顯示則使用LCD12864,整個顯示系統可與PC上位機相連接。

2.1  溫濕度采集電路設計

DHT11是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。該傳感器應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。圖2所示為其溫度采集電路。DHT11傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，可與高性能8位單片機相連接。校準系數以程序的形式儲存在OTP內存中，傳感器內部在檢測信號的過程中可調用這些校準系數。單線制串行接口可使系統集成變得簡易而快捷，而且信號傳輸距離可達20m以上。當連接線長度短于20m時,應使用5kΩ上拉電阻，大于20m時，應根據情況使用合適的上拉電阻。

2.2  無線發(fā)射、接收電路設計

nRF24L01是NORDIC公司生產的一款無線通信芯片，采用FSK調制方式，內部集成有NORDIC自己的EnhancedShortBurst協議?？梢詫崿F點對點或是1對6的無線通信。無線通信速度可以達到2Mb/s。NORDIC無線發(fā)射、接收芯片nRF24L01的電路原理圖如圖3所示。

nRF24L01是單片射頻收發(fā)芯片，工作于2.4?2.5GHz的ISM頻段，芯片內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。nRF24L01芯片的能耗非常低，以一5dBm的功率發(fā)射時，工作電流只有10.5mA,接收時的工作電流只有18mA,它具有多種低功率工作模式，節(jié)能環(huán)保，設計方便。

nRF24L01無線收發(fā)模塊的各管腳功能如表1所列，圖4所示是nRF24L01與單片機連接時的電路圖。

本無線發(fā)射接收模塊需要的電源為1.9?3.6V,本系統中采用3.3V直流電源來直接對無線發(fā)射接收模塊供電,5V電源經ASM1U7-3.3芯片轉換后可得到穩(wěn)定的直流電源,其電源轉換電路如圖5所示。

2.3  串行通信模塊

主機單片機接收到nRF24L01的數據后，經MAX232電平轉換可實現單片機程序下載與升級,同時可實現單片機與PC機（上位機）的通信，以便將顯示數據信息通過此電路傳送到PC機，并在PC機上顯示，其串行通信電路如圖6所示。

3  軟件設計

3.1  下位機軟件

本系統使用C語言編程,應根據設計任務的要求確定系統程序的完整結構，盡可能釆用模塊化程序設計方法,將任務劃分為相對獨立的功能模塊，明確各模塊的功能、時間順序和相互關系，系統的軟件設計可以分為幾個部分，首先是各個模塊的底層驅動程序編寫，而后是系統聯機調試,最后再編寫上位機的系統程序。

主程序是控制和管理的核心，系統上電后，首先進行初始化，系統開始正常運轉后，再進行溫、濕度的監(jiān)測與處理等操作。

3.2  上位機軟件設計

系統上位機能完成的功能有顯示串口號,提示串口是否已被成功打開；同時，上位機能夠與下位機同步顯示溫度，而且能夠實時曲線顯示溫度；上位機能夠設置下限溫濕度和上限溫濕度，當高于上限溫濕度或低于下限溫濕度時，還能夠報警。將主機單片機的控制電路串行接口與電腦串口經過電平轉換連接后,選擇正確的通信協議，設置好波特率，即可進行通信。圖7所示是上位機操作界面圖。

上位機軟件可在PC機上通過VC6.0編寫，主要是對MSComm控件及CserialPort類進行操作。

首先是串口設置。本系統利用的是CSERIAL-PORT類中的初始化函數InitPort(this,nport,nbtl,'N',8,1,m_dwCommEvents,512)，其中nport為串口號,nbtl為波特率，可利用串口設置對話框中的串口號和波特率兩個組合框分別得到初始化函數中的nport和nbtl。

其次是對溫濕度上下限的設置?？衫肅SERIALPORT類中的啟動串口監(jiān)測進程函數Start-Monitoring、發(fā)送字符串函數WriteToPort以及關閉串口進程StopMonitoring來進行溫度上下限的設置，其信息通過這些函數發(fā)送到串口，單片機從RS232上收到數據后，與自身的溫度相比較，再進行相應的處理。

第三是曲線顯示。動態(tài)曲線顯示可利用CHis-togram類中的SetRange(200,400),SetPos(temp)函數,SetRange設置上下極限值,SetPos是在圖上顯示相應的數據點，temp是從單片機傳來的溫濕度數據的處理結果，具體的移動曲線可由CHistogram類中函數實現。

4  結論

經測試，在發(fā)射接收模塊沒加天線的情況下，無線發(fā)射接收模塊在大多數情況下的數據傳輸距離在200m左右，發(fā)射頭發(fā)射功率、接收頭接收靈敏度等因素可能會影響傳輸距離，若外加天線，則會大大增加傳輸距離。另外，在調試過程中，振蕩電阻必須匹配，否則接收距離會變短甚至無法接收。

本系統的數字信號由單片機采樣，基于DHT11的數字溫濕度傳感器構成的實時監(jiān)控系統具有精度高、抗干擾能力強、電路簡單等諸多優(yōu)點。然后利用單片機與PC機的通信可將數據送到PC機進行數據的存儲、后期處理與顯示。本系統數據處理功能強大、顯示直觀、界面友好、性價比高，可廣泛應用于工業(yè)控制、儀器、儀表、農業(yè)養(yǎng)殖及智能家居等諸多領域。

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