微功率RF芯片測溫系統(tǒng)設計方案

　　本文針對由于農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，采用無線通信技術進行數(shù)據(jù)傳輸。利用微功率RF芯片（nRF24E1）設計了一個體積小、成本低、性能穩(wěn)定、功耗低、數(shù)據(jù)傳輸可靠的點對多點的無線射頻數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實現(xiàn)了對多個采樣點的實時數(shù)據(jù)無線采集。經過實際使用，DSl8820和單片機AT89S52以及RF芯片組成的測溫系統(tǒng)，*符合用戶的需要。
　　
　　1、系統(tǒng)總體設計
　　
　　本系統(tǒng)要實現(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)場信號轉換為電信號，經過模／數(shù)轉換器ADC采樣、量化、編碼后轉換成數(shù)字信號，送到單片機進行初步處理，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，手機通過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)進一步處理的任務。
　　
　　2、系統(tǒng)硬件設計
　　
　　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公司生產的一線式數(shù)字溫度傳感器，可把溫度信號直接轉換成串行數(shù)字信號供微機處理。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9～12bA／D轉換精度，測溫分辨率可達O．0625℃，被測溫度用符號擴展的16b數(shù)字量方式串行輸出；其工作電源既可在遠端引入，也可采用寄生電源方式產生；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讀出的信息或寫入DSl820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。以上特點使DSl8B20非常適用于遠距離多點溫度檢測系統(tǒng)。DSl820提供九位溫度讀數(shù)，構成多點溫度檢測系統(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，下位機和上位機通過無線數(shù)據(jù)通道。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內部結構
　　
　　nRF24E1芯片是無線數(shù)據(jù)收發(fā)部分的核心，通過內嵌的51單片機內核，控制芯片內的A／D轉換模塊，無線收，發(fā)模塊。將射頻發(fā)射、接收、GMSK調制、解調、增強型8051內核、9輸入12bADC、125頻道、UART、SPI、PWM、RTC、WDT全部集成到單芯片中，從而實現(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）。帶有增強型805l內核，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。可編程確定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轉換器。A／D轉換器有9個輸入通道可通過軟件進行選擇。
　　
　　（6）無線收發(fā)器，通過內部并行口或內部SPI口與其他模塊進行通信，工作于開放的2．4～2．5GHz頻段。
　　
　　3、無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的軟件設計與實現(xiàn)
　　
　　本系統(tǒng)在編程時采用模塊化設計思想，各主要功能模塊均編成獨立的函數(shù)在主程序中加以調用，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轉換器精度及其他內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)軟件設計主要包括兩部分：無線通信模塊和手機端數(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)實現(xiàn)無線通信。由于從機有多個，采用輪詢的方式，對從機輪流發(fā)給“令牌”，從機在獲得“令牌”期間才能和主機間進行通信。采用單工方式通信，首先打開通信配置，發(fā)送“配置字”，然后關閉通信配置，接收方接收到“配置字”后按照地址進行通信。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、結語
　　
　　該無線系統(tǒng)電路簡單、性能穩(wěn)定、抗*力強、可靠性高、搭建方便、易于擴展，本系統(tǒng)適用于在短距離對多種環(huán)境溫濕度的監(jiān)測，有廣闊的應用前景。無線數(shù)據(jù)傳輸在實驗室的效果是好的，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一步提高系統(tǒng)效率，采用USB接口，可提率，同時支持即插即用，這些特性都需要進一步改善。