一種基于nRF9E5的無線監(jiān)測局域網(wǎng)的系統(tǒng)

摘要：給出了用無線收發(fā)模塊nRF9E5設(shè)計的局域網(wǎng)系統(tǒng)，以實現(xiàn)對有毒氣體濃度進行無線監(jiān)測的系統(tǒng)設(shè)計方案。闡述了該系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計方法。文章通過構(gòu)建合理的通訊協(xié)議，有效地解決；了節(jié)點間的通訊尋址問題，保證了通訊的可靠性。

關(guān)鍵詞：nRF9E5；無線局域網(wǎng)絡(luò)；通訊協(xié)議；無線監(jiān)測

當今，無線技術(shù)正快速應(yīng)用于許多產(chǎn)品之中，與有線技術(shù)相比，無線技術(shù)主要具有成本低、攜帶方便、省去布線煩惱等優(yōu)點。特別適用于工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無線遙控系統(tǒng)、小型無線網(wǎng)絡(luò)、無線RS485/232數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)等。本文給出了一種用于監(jiān)測有毒氣體的無線局域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)方案設(shè)計方案。

1 系統(tǒng)的功能及組成

在石華工業(yè)中，為了有效監(jiān)測空氣中H 2S、CL 2等有毒氣體的濃度，把隱患消滅于萌芽狀態(tài)，通常需要設(shè)計許多無線網(wǎng)絡(luò)檢測系統(tǒng)。圖1所示就是一種多任務(wù)無線通訊局域網(wǎng)示意圖。該系統(tǒng)是由一臺中央監(jiān)控設(shè)備CMS（center monitering system）和多臺遠程終端節(jié)點RTN（remote terminal nodes）組成的多任務(wù)無線通信網(wǎng)絡(luò)。其中的中央監(jiān)控設(shè)備CMS主要由無線收發(fā)模塊Nrf9e5、報警裝置和上位機組成，能夠接收遠程各節(jié)點信息，監(jiān)控節(jié)點運行情況，并能根據(jù)上位機要求發(fā)送命令字到指定節(jié)點。各節(jié)點RTN主要由有毒氣體傳感部分和無線接收模塊Nrf9e5組成，能夠采樣并發(fā)送數(shù)據(jù)到CMS，接收并執(zhí)行CMS發(fā)送來的指令，并且可作為中轉(zhuǎn)站間接傳輸數(shù)據(jù)。

在CMS工作信號覆蓋范圍內(nèi)，各節(jié)點和CMS直接通訊，如圖中RTN100、RTN200和CMS之間可以直接通訊。在CMS工作信號覆蓋范圍外，各遠程終端節(jié)點其上級相應(yīng)節(jié)點和CMS間接通訊，如圖中RTN121、RTN122依次通過RTN120、RTN100和CMS來進行間接通訊。采用這種方法，可將系統(tǒng)擴展成一個非常大的無線居域網(wǎng)絡(luò)。

2 硬件設(shè)計

2．1 硬件電路連接

中央監(jiān)控設(shè)備（CMS）電路主要包括監(jiān)控計算機、接收模塊nRF9E5及報菟裝置，具體電路如圖2所示。圖中，把nRF9E5的P0.1、P0.2口配置成SCI模式，外接MAX232轉(zhuǎn)換電路，和上位機進行串行通訊；P0.3配置成普通端口，外接報警裝置。

該系統(tǒng)中的遠程終端節(jié)點（RTN）電路主要由射頻模塊nRF9E5和氣體變送器GT-130/H2S-1組成。ADC模塊選用內(nèi)部參考電壓，氣體傳感裝置能夠輸出4~20mA電流，經(jīng)75Ω電阻轉(zhuǎn)換為0.3~1.5V電壓信號，來作為ADC模擬量輸入信號。電路連接和圖2基本相似，區(qū)別是斷開圖2中的P0.1-P0.3端口，將變送器輸出端和nRF9E5的AIN0引腳相連接。

2．2 無線收發(fā)模塊nRF9E5

nRF9E5是挪威Nordic公司的產(chǎn)品。該芯片采用+3VDC供電，面積為5mm5mm，共有32個外部引腳，包括UART和SPI等功能。內(nèi)部集成了nRF9E5射頻模塊、8051微控制器及A/D轉(zhuǎn)換模塊，具有433/868/915MHz三波段載波頻率。采用GFSK調(diào)制，抗擾能力強；支持多點通訊，數(shù)據(jù)傳輸速率高達0.1Mbps。具有特有的ShockBurst信號發(fā)射模式和發(fā)射信號載波監(jiān)測功能，可有效降低功耗電流、避免數(shù)據(jù)沖突。內(nèi)部寄存器為用戶提供了基礎(chǔ)的通訊協(xié)議，便于用戶擴展，縮短了開發(fā)周期。外圍電路連接極為簡單，只需要一個晶體管和一個電阻，nRF9E5輸出端ANT1、ANT2外接50Ω單天線終端裝置，信號有效發(fā)射距離無遮擋時可達800m以上，有建筑物等遮擋時可達350m左右。

3 軟件設(shè)計

3．1 通訊協(xié)議

CMS可與在其信號覆蓋范圍內(nèi)的RINT進行直接通訊，在其工作信號覆蓋范圍之外的RIN通過其它節(jié)點轉(zhuǎn)載信號實現(xiàn)與CMS的間接通訊。同時，CMS能夠根據(jù)接收的數(shù)據(jù)內(nèi)容判斷信號來自哪一個RTN節(jié)點。為此，需把系統(tǒng)通訊協(xié)議設(shè)置為下列格式：

Preamble為引導字節(jié)；Add為接收機地址；Payload為有效加載數(shù)據(jù)（包括接收機識別碼Jid、目的機識別碼Mid、源信號機識別碼Yid及Data字：狀態(tài)字X=1時Data為命令字，X=0時Data為濃度數(shù)據(jù)）；CRC為校驗碼。

nRF9E5處于發(fā)射模式時，Add和Payload由微控制器按順序送入射頻模塊nRF9E5,Preamble和CRC由nRF9E5自動加載。接收模塊時，nRF9E5先接收一數(shù)據(jù)包，分別驗證Preamble、Add和CRC正確后，再將Payload數(shù)據(jù)送入微控制器處理；當接收機微處理器判斷Payload中的Payload中的Jid和本機識別碼號一致時，繼續(xù)處理后繼數(shù)據(jù)，否則放棄該數(shù)據(jù)包。

要實現(xiàn)上述數(shù)據(jù)通訊功能，需進行nRF9E5初始化配置和用戶程序設(shè)計。

3．2 nRF9E5子系統(tǒng)初始化配置

在nRF9E5模塊中，特殊寄存器RF-Register包含10個字節(jié)，其配置字內(nèi)容可決定射頻模塊nRF9E5的工作特性，表1列出本設(shè)計中特殊寄存器RF-Register需要配置的基本參數(shù)（文中未述及的參選用默認值）。

表1 RF-Register寄存器部分字節(jié)配置說明

系統(tǒng)通訊時，各模塊處于正常接收狀態(tài)：收發(fā)使能位TRX-CE=1且方式選擇位TX-EN=0。在運行過程中，可由用戶編程修改TX-EN=1使各字節(jié)工作于發(fā)射狀態(tài)。

本系統(tǒng)設(shè)定CMS和所有RTN的地址ADD均為0xE7h，這樣，系統(tǒng)內(nèi)CMS和所有RTN之間可以互相通訊，從而避免了其它系統(tǒng)的干擾。各節(jié)點識別碼長度根據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點級數(shù)和容量配置，繼承關(guān)系分配地址；通訊時，通過對目的機代碼Mid和接收機代碼Jid的比較和識別，不斷修改接收機代碼Jid，直至Jid=Mid為止，實現(xiàn)節(jié)點間的自動雙向?qū)ぶ?。以圖1中系統(tǒng)3級路徑為例，所有模塊識別碼長度均配置為12位，CMS識別碼配置為0x000h。各節(jié)點識別碼按照上下級路徑。繼承關(guān)系分配地址：第一級節(jié)點識別碼以高四位區(qū)分，其余位均為0，如節(jié)點0x100h與0x200h；第二級節(jié)點識別碼高四位繼承其上一級節(jié)點高四位識別碼，以中間四位區(qū)分，如RTN100的下級節(jié)點0x110h與0x120h；第三級節(jié)點繼承其上一級節(jié)點的前八位識別碼，以低四位區(qū)分，如0x120h的下級節(jié)點0x121h與0x122h。通訊時，即按照這種上下級路徑關(guān)系傳輸數(shù)據(jù)。采用上述方法，三級路徑最大可以配置四千多個節(jié)點，能組成一個比較大的無線局域網(wǎng)絡(luò)。

4 微處理器用戶程序

該系統(tǒng)的處理器用戶程序包括CMS用戶程序和RTN用戶程序，而它們又分別包括主程序和中斷子程序兩部分。

4.1 CMS用戶程序

a.CMS主程序

（1）當Flagi=1時，CMS對接收到的數(shù)據(jù)進行存儲和排序記錄，并在氣體深度超標時，使報菟輸出端P0.3=1；最后將Flagi清0。

（2）當Sleep=1時，由CMS發(fā)送命令字(X=1)到指定節(jié)點，最后將Sleep清0。

此時，Mid為目的機識別碼，Yid=0x000h，接收機識別碼Jid可由CPU根據(jù)Mid高四位自動產(chǎn)生。

b.CMS中斷子程序

（1）串行通信口接收計算機命令信號，置Sleep=1。中斷優(yōu)先級為最高。

（2）RD1=1時中斷CPU，接收某節(jié)點RTNi信號，置標志字Flagi=1。中斷優(yōu)無級為次高。

（3）用定時器2監(jiān)控各節(jié)點通訊記錄：若在定時器2的一個定時周期T2內(nèi)判斷出某節(jié)點一直沒有發(fā)送信號，則會記錄相應(yīng)警告信息，直至手動清除。其中，T2為系統(tǒng)中各節(jié)點和CMS通訊一次的最大遲滯時間，中斷優(yōu)先級為次低。

（4）定時器1定時中斷CPU，將內(nèi)存數(shù)據(jù)送上位計算機顯示處理，中斷優(yōu)先級為最低。

4．2 RTN用戶程序

a.RTN主程序

當Flagi=1時，CPU對Payload作如下處理后，最后將Flagi清0。

圖2

（1）若接收的數(shù)據(jù)包中，Mid=0x000h,Yid為RTNj識別碼，則數(shù)據(jù)來自下級節(jié)點RTNj，需凈數(shù)據(jù)繼續(xù)向CMS方向轉(zhuǎn)發(fā)。

在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包中，Jid內(nèi)容由CPU對本機識別碼的四位識別位清0獲得，其它數(shù)據(jù)不變。

（2）若接收的數(shù)據(jù)包中，Mid為下級節(jié)點識別碼，Yid=0x000h，則數(shù)據(jù)來自CMS，需將數(shù)據(jù)繼續(xù)向下級路徑轉(zhuǎn)發(fā)。

在此轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包中，Jid內(nèi)容由CPU將本機識別碼和目的機識別碼比較獲得。

（3）若接收機的數(shù)據(jù)包中，Mid為本機識別碼，判斷X=1時執(zhí)行命令字，作相應(yīng)處理。

b.RTN中斷子程序

（1）ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束標志EOC=1時產(chǎn)生中斷，提醒CPU將Add、Jid、Mid、Yid、X=0和氣體濃度Data依次送入nRF905模塊，準備發(fā)射。最后將EOC清0，并重新啟動ADC轉(zhuǎn)換器。中斷優(yōu)先級為低。

（2）在RTNi中，RD1=1時產(chǎn)生中斷，CPU讀取nRF9E5的數(shù)據(jù)，若Payload中Jid為本節(jié)點識別碼，存儲數(shù)據(jù)并置Flagi=1;否則將Payload丟棄，F(xiàn)lagi不變。中斷優(yōu)先級為高。

此時，Add=0xFFh,Mid=0x000h,Yid為本機識別碼。Jid內(nèi)容由CPU對本機識別碼的四位識別位置0獲得。

5 總結(jié)

本文根據(jù)nRF9E5的工作特點，通過構(gòu)建新的通訊協(xié)議，將其應(yīng)用于多點氣體濃度無線檢測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。此方案硬件電路連接簡單，易于調(diào)試，各節(jié)點編程具有通用性，適用于較大范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)測量。將系統(tǒng)信號采樣部分稍加改造，可以應(yīng)用于智能家庭、溫度、濕度采集遠程抄表等多種領(lǐng)域，因此，具有較高的實用推廣價值。