基于DSP和nRF24L01的無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計

摘要：設計基于DSP(Digital Signal Processor)和nRF24L01的無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)的主控部件選用的是TMS320LF2407，無線通信模塊選用的是nRF24L01。文中論述了系統(tǒng)各硬件模塊的選擇方案，給出了各部分的軟件設計。實驗表明，該系統(tǒng)可以實現對環(huán)境溫度、光照強度等的無線監(jiān)測。
關鍵詞：DSP；nRF24L01；無線傳輸；溫度傳感器；光度傳感器

引言
    目前，我國環(huán)境監(jiān)測設備已經有了長足的發(fā)展，例如應用衛(wèi)星遙感技術進行環(huán)境監(jiān)測，采用GPRS系統(tǒng)對地下水監(jiān)測等，各種環(huán)境采樣器也更加精確。但是大部分監(jiān)測站的儀器裝備技術含量較低，功能單一，穩(wěn)定性和可靠性差，多數小型儀器采用有線通信方式，亟待更新?lián)Q代。而且，我國在環(huán)境監(jiān)測儀器方面的自主開發(fā)能力較弱，精密儀器的技術含量和工藝要求都比較高，使得目前大量的精密儀器無法實現本地化生產，主要依靠進口，這就導致了價格非常昂貴。
    本文基于DSP和nRF24L01設計了一種無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)操作簡便、測量迅速、造價低廉、便于攜帶，能滿足一定靈敏度和準確度的要求，且采用無線數據通信作為傳輸載體，可應用于蔬菜大棚、生產車間、溫室、礦井等場所的溫度、光度監(jiān)測與控制系統(tǒng)。
    例如，在蔬菜大棚中，蔬菜生長的適宜溫度為20～30℃，大棚內白天增溫快，當棚外平均氣溫為15℃時，棚內可達40～50℃，不利于蔬菜生長。同樣，適當的光照強度對植物體內的硝酸鹽代謝起極為重要的作用，是決定植株硝酸鹽含量的主要因素之一，但過弱或過強的光照也不利于蔬菜的生長。因此，需要根據監(jiān)測值適時調節(jié)棚內溫度，以有效地避免不當的溫度、光照對蔬菜的危害。

1 方案論證
    本無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)是由一個主站和兩個分站組成。主站由無線收發(fā)模塊、信息處理模塊、顯示模塊構成，功能是無線發(fā)送分站的編號和命令，并無線接收分站發(fā)送的信息，同時顯示這些信息及分站的編號；分站由傳感器模塊、編碼模塊、信息處理模塊、顯示模塊和無線收發(fā)模塊構成，功能是采集溫度、光照信息，顯示所測信息，并將這些信息和自己的編號無線傳輸給主站。系統(tǒng)結構圖如圖1所示。

1．1 主控模塊
    本方案中主控模塊選擇TI公司的DSP芯片TMS320LF2407。TMS320LF2407內置10位(雙8路或單16路)A／D轉換器、看門狗定時器模塊；有41個可獨立編程的數字I／O引腳，絕大部分有復用功能；外設接口有串行通信SCI(Serial Communication Interface)與串行外設SPI(Serial Periphera1 Interface)；2個事件管理器EVA、EVB可為所有類型電機提供控制技術，為工業(yè)自動化方面的應用奠定了基礎；2個16位通用定時器，3個具有死區(qū)功能的全比較單元。
    較MCS-51系列單片機而言，TMS320LF2407內部有32 KB的Flash程序存儲器和2．5 KB的SRAM，更能滿足軟件對空間的要求，且方便在線調試。利用其內置的10位A／D轉換器，可以直接接溫度、光度傳感器模塊，將測得的溫度值、光照強度值等模擬量轉換為TMS320LF2407可以處理的數字信息，避免了用MCS51進行A／D擴展帶來的麻煩。另外，TMS320LF2407有41個可獨立編程的數字I／O引腳，絕大部分有復用功能，更能滿足硬件對I／O口的需求。使用TMS320LF2407的串行外設接口SPI，可以直接和無線傳輸模塊nRF24L01提供的SPI接口相連，不需要軟件模擬SPI。使用的開發(fā)環(huán)境是CCS3．0，完全支持C語言，方便程序編寫。

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1．2 傳感器模塊
    選用熱敏電阻來測量溫度。其值較為準確，靈敏度較高；配合電橋使用，工作溫度范圍寬、體積小，使用方便；電阻值可在0．1～100 kΩ間任意選擇。與熱電偶相比，熱敏電阻價格低廉；與DS18B20相比，熱敏電阻需要編寫的程序更加簡單。
    選用光敏電阻來測量光照。較光敏二極管，光敏電阻更能顯示出光的強弱；而且，它能夠和熱敏電阻應用到同一電路中。傳感器模塊電路如圖2所示。

1．3 編碼模塊
    選用跳線開關組成編碼模塊。與普通開關組成編碼模塊相比較，成本更加低廉。用兩列排針(各8位)：一列排針接到TMS320LF2407的I／O口，并經過10 kΩ電阻接+5 V電源VCC，另一列排針接地。兩列排針對應的位用跳線帽相連時置0，否則為1。這樣可以設置分站的編號0～255，即本系統(tǒng)最多可以擴展256個分站，用來監(jiān)測不同地點的當前環(huán)境溫度、光度值。
1．4 無線傳輸模塊
    選用無線傳輸模塊nRF24L01。它是一款工作在2．4～2．5 GHz世界通用ISM頻段的單片無線收發(fā)器芯片，采用FSK調制，內部集成自己的協(xié)議，有自動應答及自動重發(fā)功能、地址及CRC檢驗功能，可實現點對點或1對6的無線通信，無線通信速度可達2 Mbps；而且，電流消耗極低，當工作在發(fā)射模式下發(fā)射功率為-6 dBm時電流消耗為9 mA，接收模式下為12．3 mA。nRF24L01與PT2262／2272相比，不需要編碼和解碼，程序簡單；與nRF905相比，外圍元件更少，不需要曼徹斯特編碼；與nRF401相比，價位更低。
    TMS320LF2407只需為nRF24L01模塊預留6個I／O口，分別與其6個控制和數據信號CSN、SCK、MISO、MOSI、IRQ、CE相連。TMS320LF2407與nRF24L01的連接電路如圖3所示。

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1．5 顯示模塊
    選用型號為LG5011BSR的共陽極數碼管，與液晶顯示器相比，價格低廉。它由7段發(fā)光二極管組成，共有10只引腳。其中，3、8引腳為共陽極，其他引腳加低電平時對應的二極管就會亮，從而控制數碼管顯示相應的數值。
1．6 系統(tǒng)硬件結構
    傳感器模塊是信息采集的樞紐。如圖2所示，電源電壓經穩(wěn)壓管TL431穩(wěn)壓到2．5 V，提供給由普通電阻和熱敏電阻組成的分壓電路，以及普通電阻和光敏電阻組成的分壓電路。熱敏電阻分得的電壓通過TO輸出，接TMS320LF2407的ADCIN0；光敏電阻分得的電壓通過LO輸出，接TMS320LF2407的ADCIN1。利用讀取A／D轉換后的結果，并計算出對應的溫度值和光線強度值，經查表輸出顯示。
    無線傳輸模塊是數據傳輸的核心。如圖3所示，TMS320LF2407通過6個I／O端口(IOPC0，IOPC1，SPISIMO，SPISOMI，SPICLK，SPISTE)，依次與nRF24L01模塊的6個控制和數據信號IRQ、CE、MOSI、MISO、SCK、CSN相連。其中，CSN為芯片的片選線，CSN為低電平時芯片工作；SCK為芯片控制的時鐘線；SOMI為芯片控制數據線；MOSI為芯片控制數據線；IRQ為中斷信號，無線通信過程中DSP主要是通過SPI接口的SPISIM-O、SPISOMI與nRF24L01進行通信。CE為芯片的模式控制線，在CSN為低的情況下，CE協(xié)同nRF24L01的CONFIG寄存器共同決定nRF24L01的狀態(tài)。
    顯示模塊用TMS320LF2407的IOPB0、IOPB1來模擬串行發(fā)送數據的過程，外接串入并出移位寄存器74LS164構成。當需要顯示信息時，數據從IOPB0端在移位脈沖(由IOPB1輸出)的控制下逐位移入74LS164，74LS164能將輸入的串行數據轉換為并行數據輸出到數碼管。這樣的設計不僅節(jié)省I／O口，而且不占用串口資源。編碼模塊通過IOPA0～IOPA7與DSP相連。

2 軟件設計
    系統(tǒng)的主站、分站程序流程如圖4所示。主站程序主要包括初始化、無線發(fā)射、無線接收、數碼管顯示等部分；分站程序主要包括初始化、無線發(fā)射、無線接收、數據采集、數碼管顯示等部分。

2．1 初始化部分
    將數據地址、數據顯示區(qū)地址等內容初始化為0，設置數據顯示區(qū)地址的內容，進行數碼管顯示，以進行系統(tǒng)自檢。
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2．2 無線發(fā)射部分
    首先設置nRF24L01為發(fā)射模式(設置發(fā)射和接收節(jié)點地址)，使能自動應答，配置自動重發(fā)次數，選擇通信頻率，配置發(fā)射參數，選擇通道0有效數據寬度，配置nRF24L01的基本參數以及切換工作模式；然后設置發(fā)射數據，啟動發(fā)射，發(fā)射完數據后會自動轉入接收模式接收應答信號。

2．3 無線接收部分
    首先設置接收模式(即寫接收節(jié)點地址)，使能自動應答，通道0接收地址允許，選擇通信頻率，選擇通道0有效數據寬度，配置發(fā)射參數，配置nRF24L01的基本參數以及切換工作模式；然后啟動接收，130μs后開始檢測空中數據，若收到，則數據模塊會自動發(fā)射應答信號。

2．4 數據采集部分
   分站對溫度、光照、地址編號進行采集，通過讀取I／O口得到地址編號的值，通過讀取A／D來獲得溫度、光照的最初值，經過DSP處理后得到準確的溫度、光度值。

2．5 數碼管顯示部分
    程序以模擬串口的方式實現數據顯示，過程為：取一字節(jié)數據，移一位數據到I／O口中，通過置位另一I／O口高低電平來模擬時鐘信號，即把數據一位一位地移到移位寄存器74LS164中，然后并行輸出到數碼管顯示數據。

3 調試分析
3．1 系統(tǒng)板硬件部分調試
    系統(tǒng)板硬件部分調試主要是萬用表檢查電路通斷情況，并測量部分關鍵引腳的電壓是否達到要求。
3．2 環(huán)境溫度測量調試
    首先，把標準溫度計和熱敏電阻同時放入冰水混合液中，標準溫度計的示數為Y1，根據基礎表值探測點顯示為X1。接著，將它們放入沸水中，標準溫度計的示數為Y2，根據基礎表值探測點顯示為X2，得出比例系數K=(X2-X1)／(Y2-Y1)=2。最后，在沸水和冰水混合液之間的溫度內，測得標準溫度Yi(i=3，4，…，30)和探測點顯示值Xi(i=3，4，…，30)共28組，從而得到近似比例系數K=2±0．5。再通過軟件部分進行數據的校準，建立溫度數據表。最終，將溫度計和溫度傳感器置于同一環(huán)境下記錄測得的溫度值，如表1所列。

3．3 環(huán)境光度測量調試
    ①將分站放置在燈光下，從最亮逐漸調暗，當暗到人眼看字有些費力時，從LED數碼管上讀得的光度原始數據為195 lx。
    ②將分站放置在自然光下，用手遮擋光度傳感器，由亮到完全遮蔽，當暗到幾乎無光線進入時，從LED數碼管上讀得的光度原始數據為198 lx。
    根據以上試驗結果，結合人們的習慣思維，在程序上進行了一些設計。用195減去測得的原始數據，值小于等于零時顯示為零，光照越強顯示值越大。
3．4 無線通信調試
    首先進行分站單發(fā)送信息、主站單接收信息的調試，經過一步步改進，最終通信成功。然后再進行主站、分站(即發(fā)送又接收信息)的調試，經反復調試最終通信成功。

結語
    本文介紹的無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的控制采用TMS320LF2407實現。TMS320LF2407內部資源豐富，既有A／D轉換器，又有SPI、SCI，省去了系統(tǒng)擴展的麻煩；另外，I／O口比較多，內部存儲空間較大，有利于系統(tǒng)功能擴充。無線部分采用高度集成的nRF24L01器件，大大簡化了系統(tǒng)硬件和軟件設計，減小了體積，提高了系統(tǒng)工作的可靠性。
    經試驗驗證，用編碼模塊可以設置分站的地址編號1～255，并能實時采集到周圍環(huán)境的溫度和光照數據，平均誤差控制在0．5℃以內，溫度測量范圍在0～100℃，各項數據都能通過數碼管清晰地顯示出來。光的有無還可通過一個發(fā)光二極管顯示，有光時發(fā)光二極管滅，無光時發(fā)光二極管亮。主站能準確無誤地無線接收分站數據，距離50 m左右仍能無線通信，但響應較慢。該系統(tǒng)攜帶方便，價格低廉，可應用到狹小的環(huán)境，可以隨意放置；此外，還可再接入其他傳感器，以測量更多的環(huán)境參數。