基于nRF24L01家居無線溫濕度監測系統設計

陳輝煌

摘要：為了實現對家居溫濕度監測低功耗的需求，提出了一種基于nRF24L01家居無線監測系統設計方案，并完成系統的硬軟件設計。該系統采用STM32F103處理器及AM2301溫度濕度傳感器構成低功耗的無線監測系統。實際應用表明，該系統具有數據采集準確的特點，達到了設計要求。

Abstract： In order to meet the demand of low power consumption in home temperature and humidity monitoring， a wireless monitoring system based on nRF24L01 is proposed， and the hardware and software design of the system is completed. The system uses STM32F103 processor and AM2301 temperature and humidity sensor to form a wireless monitoring system with low power consumption. The practical application shows that the system has the characteristics of accurate data acquisition and can meet the design requirements.

關鍵詞：家居；STM32F103；AM2301；無線監測系統

Key words： household；STM32F103；AM2301；Wireless monitoring system

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）06-0088-03

0 引言

在智能家居物聯網系統中溫濕度是一個重要的系統參數。我們可以根據系統測量的參數打開或關閉空調、加濕器等，調整家居的舒適度。傳統有線測量系統成本高、布線復雜、系統擴展性能差，因此提出并設計了一種基于nRF24L01的無線溫濕度監測系統。該系統能夠完成對其準確檢測。

1 系統整體設計

系統以基于STM32F103處理器為核心，在不同節點的 nRF24L01組網后，可實現家居溫濕度數據無線傳輸；使用 AM2301 溫濕度傳感器完成環境節點數據采集；使用ILI9325液晶顯示屏實時顯示各監測節點的信息。該監測系統整體設計如圖1所示。

2 系統硬件設計

該溫濕度監測系統為一對多的無線數據采集系統，由多個從機將本地的采集的數據經nRF24L01無線射頻模塊發送到主機上，一個主機經nRF24L01無線射頻模塊收集多通道中的終端節點的溫濕度數據，自組實現一對多的無線傳感器監測系統，以實現對家居溫濕度的實時監測和報警。

2.1 處理器主控模塊

采用STM32F103RCT6[1]處理器為主控模塊，該處理器為ARM Cortex-M3，外設包括3個12位ADC、12通道DMA控制器、11個定時器，工作頻率可達72MHz，具有USB、I2C、SPI、CAN和USART等接口。芯片工作電壓范圍2.0V-3.6V，支持睡眠模式、停機模式和待機模式三種低功耗模式。該模塊在整個電路中負責對數據采集信號進行發送與接收。

2.2 nRF24L01無線模塊

NORDIC公司的nRF24L01芯片[2]，采用FSK調制方式，芯片內部集成該公司的Enhanced Short Burst協議。可以達到2Mb/s的通信速度，能實現1對6的通信，內置2.4GHz天線，SPI接口可以和處理器機I/O口進行直接相連。內部集成的RF協議相關的信號處理部分，能夠自動檢測，自動重發功能和重發丟失的數據包，便于嵌入式應用。nRF24L01無線射頻模塊的電路圖如圖2所示。

通過對nRF241L0寄存器配置，可將模塊設置為接收、發射、掉電和空閑四種工作模式，如表1所示。

2.3 溫濕度采集模塊

溫濕度傳感器（AM2301）[3]采用單總線的連接方式直接與MCU相連接，完成家居溫度與濕度的采集。溫濕度采集電路如圖3所示，AM2301的Data端口與單片機建立同步通信，以單總線的數據格式輸出40位數據，16位濕度數據、16位溫度數據，8位校驗和。

3 系統軟件設計

系統上電，所有硬件初始化啟動完成后，下位機STM32處理器發送溫濕度數據采集起始信號，等待AM2301響應，STM32讀取40位數據后并校驗，正確的數據通過無線網絡傳送到上位機[4]。系統通過無線網絡完成家居溫濕度數據的讀取。系統發送端流程如圖4所示，系統接收端程序流程圖如圖5所示。

4 實驗應用

該系統用于家居室內測試，采集三個節點的溫濕度數據，發送給上位機并顯示節點數據。在進行測試時，系統初始化后，完成數據采集設置和通信配置后，上位機接收下位機發回的數據；并將結果進行顯示，室內采樣點溫濕度數據如表2所示。通過實際應用測試，該測試系統測試結果準確、穩定可靠。

5 結論

本文家居無線溫濕度監控，與傳統的控制方式比較，不受空間的限制，布置多個無線節點可方便組網，滿足現代家居溫濕度控制的需求。該系統在家居環境控制應用中，檢測準確、運行良好，功耗低，模塊性能穩定，人機界面好，具有廣闊的應用前期。

參考文獻：

[1]意法半導體.STM32F103數據手冊[R].北京：意法半導體，2007.

[2]nRF24L01+ Single Chip 2.4GHz Transceiver Product Specification v1.0[R].Nordic Semiconductor，2008.

[3]張玉建.基于nRF24L01的無線溫濕度檢測系統設計[J]. 物聯網技術，2012（1）：21-22.

[4]意法半導體.STM32F10xxx_中文_編程說明[R].北京：意法半導體，2007.