基于RF微功率芯片的測溫系統(tǒng)設(shè)計

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中，溫度、濕度信息的采集和傳遞是一項很重要的功能，以前粗放式生產(chǎn)，現(xiàn)在是追求高技術(shù)含量的精細(xì)化生產(chǎn)。農(nóng)業(yè)上孵化、育種等場合，需要對溫度實(shí)行控制，許多領(lǐng)域?qū)匾约皦毫Φ葦?shù)據(jù)的采集可通過傳感器來實(shí)現(xiàn)，如何有效地管理棚室溫度，是當(dāng)前蔬菜管理的重點(diǎn)。本文針對由于農(nóng)作物的不同時期傳感器的空間位置不固定，布線不方便，可靠性差的問題，采用無線通信技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。利用微功率RF芯片(nRF24E1)設(shè)計了一個體積小、成本低、性能穩(wěn)定、功耗低、數(shù)據(jù)傳輸可靠的點(diǎn)對多點(diǎn)的無線射頻數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對多個采樣點(diǎn)的實(shí)時數(shù)據(jù)無線采集。經(jīng)過實(shí)際使用，DSl8820和單片機(jī)AT89S52以及RF芯片組成的測溫系統(tǒng)，完全符合用戶的需要。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的是溫度、濕度和壓力的采集、傳輸、顯示和后期處理等功能。系統(tǒng)的總體構(gòu)想為數(shù)據(jù)采集模塊，短距離無線通訊模塊，串口通信模塊，顯示處理模塊幾大部分。系統(tǒng)方案的確定主要集中在無線通訊模塊的選擇和顯示模塊上。

硬件系統(tǒng)組成如圖1所示，首先用傳感器將現(xiàn)場信號轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC采樣、量化、編碼后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，送到單片機(jī)進(jìn)行初步處理，然后利用nRF2401無線數(shù)據(jù)傳輸芯片通過無線方式將有效數(shù)據(jù)發(fā)送給接收端，接收端在接收到有效數(shù)據(jù)后通過串行口將數(shù)據(jù)送入手機(jī)，手機(jī)通過C#語言編寫的控制程序完成數(shù)據(jù)的顯示以及對有效數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理的任務(wù)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件組成

圖2所示是系統(tǒng)的硬件組成，DSl8820是DALLAS公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器，可把溫度信號直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號供微機(jī)處理。具有3引腳TO-92小體積封裝形式;溫度測量范圍為-55～+125℃，可編程為9～12 b A/D轉(zhuǎn)換精度，測溫分辨率可達(dá)O.0625℃，被測溫度用符號擴(kuò)展的16b數(shù)字量方式串行輸出;其工作電源既可在遠(yuǎn)端引入，也可采用寄生電源方式產(chǎn)生;多個DSl8820可以并聯(lián)到3根或2根線上，CPU只需1根端口線就能與諸多DS18B20通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。從DSl820讀出的信息或?qū)懭隓Sl820的信息，僅需要1根口線(單線接口)。讀寫及溫度變換功率來源于數(shù)據(jù)總線，總線本身也可以向所掛接的DS1820供電，而無需額外電源。以上特點(diǎn)使DSl8B20非常適用于遠(yuǎn)距離多點(diǎn)溫度檢測系統(tǒng)。DSl820提供九位溫度讀數(shù)，構(gòu)成多點(diǎn)溫度檢測系統(tǒng)而無需任何外圍硬件，DSl820與nRF24E1的連接方式如圖3所示。

在本系統(tǒng)中，傳感器采集數(shù)據(jù)后，送到下位機(jī)，下位機(jī)和上位機(jī)通過無線數(shù)據(jù)通道聯(lián)系。無線數(shù)據(jù)收發(fā)部分主要由nRF24E1芯片、E2PR-OM、晶振、傳感器信號輸入和天線組成。

2.2 芯片nRF24E1內(nèi)部結(jié)構(gòu)

nRF24E1芯片是無線數(shù)據(jù)收發(fā)部分的核心，通過內(nèi)嵌的51單片機(jī)內(nèi)核，控制芯片內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換模塊，無線收，發(fā)模塊。將射頻發(fā)射、接收、GMSK調(diào)制、解調(diào)、增強(qiáng)型8051內(nèi)核、9輸入12b ADC、125頻道、UART、SPI、PWM、RTC、WDT全部集成到單芯片中，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，傳輸，處理等功能。硬件模塊如圖4所示，芯片主要由以下部分組成：

(1)CPU(微處理器)。帶有增強(qiáng)型805l內(nèi)核，ADC、SPI、RF發(fā)射器1個、RF接收器2個、喚醒定時器5個中斷源，1個UART以及3個定時器。

(2)PWM輸出?？删幊檀_定PWM的輸出工作于6位、7位或8位，PWM信號的頻率可由軟件控制。

(3)SPI接口和SPI總線。

(4)RTC喚醒定時器、WTD和RC振蕩器。

(5)A/D轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換器有9個輸入通道可通過軟件進(jìn)行選擇。

(6)無線收發(fā)器，通過內(nèi)部并行口或內(nèi)部SPI口與其他模塊進(jìn)行通信，工作于全球開放的2.4～2.5 GHz頻段。

3 無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的軟件設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)在編程時采用模塊化設(shè)計思想，各主要功能模塊均編成獨(dú)立的函數(shù)在主程序中加以調(diào)用，程序主要由以下功能模塊組成：上電初始化程序、無線收發(fā)程序、數(shù)據(jù)包打包拆包程序、數(shù)據(jù)處理程序。采集端和接收端在上電后首先調(diào)用初始化程序，完成無線收發(fā)頻率、工作模式、發(fā)射速率、A/D轉(zhuǎn)換器精度及其他內(nèi)部寄存器的初始化配置。

3.1 軟件流程圖

軟件流程圖如圖5～圖7所示。

3.2 無線通信軟件系統(tǒng)描述

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括兩部分：無線通信模塊和手機(jī)端數(shù)據(jù)處理模塊，采用C#語言編寫。無線通信模塊首先需完成串口配置、A/D配置和接收器的配置，然后編寫發(fā)送函數(shù)和接收函數(shù)實(shí)現(xiàn)無線通信。由于從機(jī)有多個，采用輪詢的方式，對從機(jī)輪流發(fā)給“令牌”，從機(jī)在獲得“令牌”期間才能和主機(jī)間進(jìn)行通信。采用單工方式通信，首先打開通信配置，發(fā)送“配置字”，然后關(guān)閉通信配置，接收方接收到“配置字”后按照地址進(jìn)行通信。接收函數(shù)和發(fā)送函數(shù)簡介如下：

3.2.1 接收函數(shù)

接收函數(shù)程序如下：

3.2.2 發(fā)送函數(shù)

發(fā)送函數(shù)程序如下：

4 結(jié)語

該無線系統(tǒng)電路簡單、性能穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、搭建方便、易于擴(kuò)展，本系統(tǒng)適用于在短距離對多種環(huán)境溫濕度的監(jiān)測，有廣闊的應(yīng)用前景。無線數(shù)據(jù)傳輸在實(shí)驗室的效果是好的，對采集參數(shù)的接收和數(shù)據(jù)的發(fā)送都反應(yīng)靈敏。但無線數(shù)據(jù)傳輸還存在著一些問題，若采用競爭信道的方式可進(jìn)一步提高系統(tǒng)效率，采用USB接口，可提高效率，同時支持即插即用，這些特性都需要進(jìn)一步改善。