多點(diǎn)無線溫度采集系統(tǒng)設(shè)計

董寧，楊昭，馮進(jìn)良

（長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長春 130022）

在環(huán)境溫度監(jiān)測過程中，往往存在局部溫度差異的現(xiàn)象，采用單點(diǎn)溫度采集的方式不能準(zhǔn)確反映一個溫度場的實(shí)際狀況，因此采用多點(diǎn)溫度采集的方式來解決這一問題。由于測溫點(diǎn)的分布較為分散，采用信號線傳輸溫度信號的方式成本較高，布線困難，且更改采溫點(diǎn)比較麻煩，所以本文采用無線傳輸信號的方式進(jìn)行溫度采集。

本文對溫度傳感器技術(shù)、單片機(jī)智能控制技術(shù)和無線通信技術(shù)進(jìn)行了研究，給出了基于 nRF9E5的多點(diǎn)無線溫度采集系統(tǒng)設(shè)計方案。

1 系統(tǒng)方案

無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)有點(diǎn)對點(diǎn)，點(diǎn)對多點(diǎn)和多點(diǎn)對多點(diǎn)三種。本系統(tǒng)由CPU，主接收器和多臺數(shù)據(jù)終端組成。主接收器和數(shù)據(jù)終端之間的數(shù)據(jù)傳輸通過nRF9E5進(jìn)行，構(gòu)成點(diǎn)對多點(diǎn)多無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。

圖1 無線溫度采集系統(tǒng)框圖Fig.1 General diagram of the wireless temperature acquisition system

系統(tǒng)框圖如圖1所示。根據(jù)需要，在被測溫度場設(shè)置N個測溫點(diǎn)，依次將N個數(shù)據(jù)終端進(jìn)行地址編號。主接收器采用逐一查詢的方式探測各個數(shù)據(jù)終端有沒有收發(fā)通信請求或其它任務(wù)；數(shù)據(jù)終端則采用中斷方式，對主接收器發(fā)出的地址信息進(jìn)行處理，若與本機(jī)地址相符則執(zhí)行命令。

溫度傳感器在測量端獲取溫度信息，通過無線通信模塊發(fā)射端將終端地址及溫度信息發(fā)送，主接收端接收數(shù)據(jù)后上傳至 CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及顯示等操作。

2 硬件設(shè)計

該系統(tǒng)由溫度傳感器、無線通信模塊、CPU、和人機(jī)界面等部分組成。

2.1 溫度傳感器

系統(tǒng)選用PT100為溫度傳感器。PT100為鉑熱電阻，在0℃時阻值為100，其阻值會隨著溫度上升而增長，被測溫度與阻值之間有一定得對應(yīng)關(guān)系。經(jīng)過變送器后，將輸出相應(yīng)的4～20mA電流，這樣便于在信的傳輸過程中減小干擾和衰減。

根據(jù)AD轉(zhuǎn)換器的參考電壓和溫度測量范圍選定采樣電阻，將變送器輸出的電流值轉(zhuǎn)換為采樣電壓。在誤差允許范圍內(nèi)，采樣電壓與被測溫度之間的關(guān)系可用=+來描述，經(jīng)過標(biāo)定后確定參數(shù)k和b值。

2.2 無線通信模塊

nRF9E5是挪威NordicVLSI公司系統(tǒng)級RF芯片，其內(nèi)置nRF905433/868/915MHz射頻收發(fā)器。

2.2.1 微控制器

nRF9E5的片內(nèi)微控制器與標(biāo)準(zhǔn)8051兼容，指令時序與標(biāo)準(zhǔn)8051稍有區(qū)別。通過串口，nRF9E5的片內(nèi)微控制器與數(shù)據(jù)采集終端的 CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

2.2.2 射頻收發(fā)器

nRF9E5收發(fā)器通過內(nèi)部并行口或內(nèi)部 SPI口與其它模塊進(jìn)行通信，具有同單片射頻收發(fā)器nRF905相同的功能。收發(fā)器通過片內(nèi)MCU的并行口或SPI口與微控制器通信，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好，載波檢測和地址匹配信號能夠作為微控制器的中斷。

nRF9E5工作于433/868/915MHzISM頻段。收發(fā)器由1個完整的頻率合成器、1個功率放大器、1個調(diào)節(jié)器和2個接收器組成。輸出功率、頻道和其它射頻參數(shù)可通過對特殊功能寄存器 RADIO（0xA0）編程進(jìn)行控制。

2.3 CPU

CPU選用 ATMEGA16芯片。ATMEGA16是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，ATmega16的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。

在溫度采集終端，CPU與無線通信模塊之間通過串行口交換數(shù)據(jù)、控制命令。為了節(jié)省硬件開銷，選擇ATMEGA16自帶10位AD，其片內(nèi)參考電壓2.54V，并據(jù)此選用100采樣電阻，經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后將被測的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

在主接收器端，nRF9E5接收器將接收到的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給主CPU，主CPU負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)多路數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理，以及人機(jī)交互。

2.4 人機(jī)界面

選用觸摸屏作為人機(jī)界面。

系統(tǒng)選用的觸摸屏通過串口與CPU通信。CPU向觸摸屏發(fā)送控制命令和需要顯示的內(nèi)容，觸摸屏向 CPU發(fā)送觸點(diǎn)坐標(biāo)。根據(jù)要求將控制界面以圖片的形式預(yù)置到觸摸屏，在操作過程中，點(diǎn)擊觸摸屏，CPU將接收到觸點(diǎn)的坐標(biāo)信息，并判斷是否執(zhí)行相應(yīng)的操作。

3 軟件設(shè)計

3.1 通信協(xié)議

本系統(tǒng)為單點(diǎn)對多點(diǎn)的無線通信，主接收器在可靠通信范圍內(nèi)分別與每個數(shù)據(jù)終端通信。主接收器與每個數(shù)據(jù)終端都有一個唯一的地址，因此在通信過程中必須明確接收方的地址。系統(tǒng)通信協(xié)議定制如表1所示。

表1 系統(tǒng)通信協(xié)議格式Tab.1 Format of system communication protocol

Head為數(shù)據(jù)包頭，Add為接收端地址，接下來根據(jù)數(shù)據(jù)類型（命令/數(shù)據(jù)）決定發(fā)送的數(shù)據(jù)類容，CRC為校驗(yàn)碼，最后是數(shù)據(jù)包尾。

3.2 系統(tǒng)程序

如圖2所示，CPU接受鍵盤指令后啟動主接收器與數(shù)據(jù)終端之間的通信。每次通信都由主接收器先發(fā)起，通信數(shù)據(jù)里含有數(shù)據(jù)終端地址，只有地址相匹配的數(shù)據(jù)終端才應(yīng)答，接下來主接收器向匹配的數(shù)據(jù)終端發(fā)送控制命令，開始采集測溫點(diǎn)溫度，采集后通過數(shù)據(jù)終端將溫度信號發(fā)送回主接收器，在交與CPU送觸摸屏顯示。

圖2 系統(tǒng)程序框圖Fig.2 System programming

4 結(jié)論

本文基于無線通信模塊 nRF9E5、ATMEGA16單片機(jī)，采用無線通信技術(shù)構(gòu)建多點(diǎn)無線溫度采集系統(tǒng)，在無遮擋的情況下，實(shí)際作用距離可達(dá)100m，其性能穩(wěn)定、可靠性高。可以根據(jù)需要比較方便的擴(kuò)展通信節(jié)點(diǎn)數(shù)量，實(shí)現(xiàn)較大范圍的溫度檢測，能夠用于諸多工業(yè)及民用領(lǐng)域。

［1］鄭啟忠，耿四軍，朱宏輝.射頻SoCnRF9E5及無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)［J］.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2004（8）：51-54.

［2］季一錦，尹明德.一種基于nRF9E5的無線監(jiān)測局域網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計［J］.國外電子元器件，2004，（12）：22-25.

［3］馬祖長，孫怡寧，梅濤.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜述［J］.北京：通信學(xué)報，2004，25（4）：15-17.

［4］盛超華，陳章龍.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及應(yīng)用［J］.微型電腦應(yīng)用，2005，21（6）：10-13.