基于nRF24L01和IAP15W4K58S4的糧倉環境監測系統的設計

朱嶸濤++羅明璋

摘 要： 針對目前糧倉環境監測系統存在布線繁瑣、安裝不便、維護麻煩等問題，提出了一種基于nRF24L01和IAP15W4K58S4的糧倉環境監測系統的設計方案。nRF24L01是一種新興的無線通信技術，具有低功耗、高傳輸速率、低成本等特點，可直接與各種單片機連接使用，且編程簡單；IAP15W4K58S4是一款高性價比單片機，價格便宜且功能強大。該監測系統由傳感器節點和環境監測節點兩部分構成，傳感器節點將檢測到的溫度、濕度和氣體等數據發送給環境監測節點，環境監測節點將這些數據處理后，經由串口傳輸給PC機來顯示。經實際測試表明，該系統能穩定運行，并較好地應用于環境監測領域。

關鍵詞： 糧倉環境監測； nRF24L01； IAP15W4K58S4； 溫度?濕度檢測； 監測系統

中圖分類號： TN931+.3?34； TP368 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）18?0066?04

Design of barn environment monitoring system based on nRF24L01 and IAP15W4K58S4

ZHU Rongtao1， LUO Mingzhang2

（1. College of Technology & Enginerring， Yangtze University， Jingzhou 434020， China； 2. Yangtze University， Jingzhou 434023， China）

Abstract： Aiming at the problems of complicated wiring， inconvenient installation and troublesome maintenance of the available barn environment monitoring systems， a design scheme of the barn environmental monitoring system based on nRF24L01 and IAP15W4K58S4 is proposed. nRF24L01 is a new wireless communication technology， with low power consumption， high transmission rate， low cost and so on， and can be directly connected with a variety of MCU. Its programming is simple. IAP15W4K58S4 is a cost?effective microcontroller with powerful functions. The monitoring system is composed of the sensor node and the environmental monitoring node. The temperature， humidity and gas data detected by the sensor node are sent to the environmental monitoring node. The data processed by the environmental monitoring node are transmitted to the PC through a serial port for display. The practical test result shows that the system can run stably and can be used in the field of environmental monitoring.

Keywords： barn environmental monitoring； nRF24L01； IAP15W4K58S4； temperature?humidity detection； monitoring system

0 引 言

中國是一個人口大國同時也是一個經濟強國，保證一定數量和高質量的糧食儲備有利于保護國家糧食安全和維護社會穩定。糧食在存放的過程中容易受到溫度、濕度等因數的影響，進而使糧食發生霉變、滋生蟲害，極端情況下，還有可能引起火災，為了確保儲糧安全，必須實時監測糧倉的環境狀態。傳統的糧倉監測系統通常采用有線監測方式，這種方式的弊端非常明顯，如人工維護麻煩、實際走線困難、安裝難度高等問題。針對這些問題，設計了一種低成本、高精度的無線糧倉監測系統[1?4]。

1 系統整體設計

本文由傳感器節點和環境監測節點構成。傳感器節點負責對糧倉的溫度、濕度和氣體進行實時測量，并將測量的糧倉環境信息通過nRF24L01無線通信模塊實時發送到環境監測節點。環境監測節點將傳感器節點發送來的糧倉信息通過USB轉串口模塊發到PC機，并在PC機上串口終端中顯示。系統框圖如圖1所示。

2 硬件設計

2.1 nRF24L01無線通信模塊的設計

無線通信模塊的核心芯片為nRF24L01，nRF24L01是由Nordic公司出品的單芯片無線收發芯片，工作于2.4～2.5 GHz的全球免申請（ISM）頻段。nRF24L01的工作模式由PWR_UP，CE，TX_EN三個引腳決定。nRF24L01的收發模式有Enhanced ShockBurstTM收發模式、ShockBurstTM收發模式和直接收發模式三種。為了節能，通常使用Enhanced ShockBurstTM收發模式進行無線傳輸。nRF24L01無線通信模塊的電路原理圖如圖2所示。endprint

2.2 IAP15W4K58S4單片機

IAP15W4K58S4單片機是STC公司生產的單時鐘/機器周期（1 T）的單片機，是寬電壓/高速/高可靠/低功耗/超強干擾的新一代MCU。使用STC公司最新的方法進行處理，處理后的程序在一般情況下是不能破解的，并且開發人員編寫的程序能較好地兼容傳統的MCU，且速度還比傳統的MCU快8～12倍。STC15系列單片機內部機集成高精度R/C時鐘，可配置時鐘的范圍是5～30 MHz，同時STC15系列單片機內部集成了高可靠復位電路，因此IAP15最小系統是徹底省掉了昂貴的外部晶振和時鐘電路。IAP15W4K58S4具有8路CCP/PWM/PCA，8路10位高速A/D，內置4 KB大容量SRAM，4組超高速異步串行通信口和1組高速同步串行通信端口SPI，并且對于IAP15W4K58S4這款單片機來說，它的供電電壓很寬，在2.5～5.5 V之間都能正常工作[5]。

2.3 單元接口電路設計

DHT22溫濕度傳感器、MQ?2氣體傳感器和報警電路與IAP15W4K58S4單片機的接口電路原理圖如圖3所示。

圖3 單元接口電路圖

2.3.1 DHT22電路設計

DHT22溫濕度傳感器與IAP15W4K58S4的接口電路如圖3所示，它的供電電壓為3.3～6 V。DHT22溫濕度傳感器上電后，需要延時1 s以上的時間，來平穩過渡不穩定狀態，在這段時間內不要發送任何指令。電源引腳（VCC和GND）之間需要增加一個100 nF的電容，可以有效過濾干擾信號，引腳說明如表1所示。DHT22數字溫濕度傳感器使用單總線數據格式，其數據格式由5個字節構成。數據分溫度部分和濕度部分，一次有效的數據傳輸共40位，數據格式：40 b數據=16 b濕度數據+16 b溫度數據+8 b校驗和數據，其中校驗和數據為溫度數據與濕度數據之和[6?7]。DHT22一次通信時間最大為5 ms，主機連續采樣間隔建議不小于100 ms。

2.3.2 MQ?2接口電路設計

MQ?2氣體傳感器與IAP15W4K58S4的接口電路如圖3所示，它所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫。MQ?2氣體傳感器對空氣中可燃氣體的靈敏度較高，能有效地檢測出空氣中可燃氣體的濃度。MQ?2氣體傳感器的引腳說明如表2所示，DOUT引腳輸出TTL開關信號，當DOUT引腳為低電平時表示檢測到了可燃氣體，AOUT引腳輸出模擬信號，濃度越大AOUT引腳輸出的電壓值也越大[8]。

表2 MQ?2引腳說明

2.3.3 報警接口電路設計

報警電路與IAP15W4K58S4的接口電路如圖3所示，當糧倉內的溫濕度超出限定值或檢測到有可燃氣體時，都會觸發報警電路報警。

2.4 電源模塊設計

系統采用USB接口供電，USB接口提供的標準電壓是5 V，能滿足IAP15W4K58S4單片機、DHT22溫濕度傳感器和MQ?2氣體傳感器的供電要求，但射頻芯片的工作電壓是在1.9～3.6 V之間，為讓nRF24L01正常穩定的工作，必須給nRF24L01接一個直流電壓轉換模塊，經測試nRF24L01在3.3 V時工作比較穩定。本系統選用線性穩壓電源LM317構成模擬電源，通過調節滑動變阻器，使輸出電壓為3.3 V，3.3 V電源模塊原理圖如圖4所示[9]。

2.5 USB轉RS 232電路設計

為了便于環境監測節點和PC機之間進行數據傳輸，本系統設計采用USB轉串口芯片PL2303實現USB到串口的轉換。PC機與IAP15W4K58S4單片機之間電平不匹配，因此需要通過PL2303芯片實現電平匹配，從而保證數據的有效傳輸，USB轉串口電路原理圖如圖5所示。

3 系統軟件設計

本設計使用C語言編程，為了使程序具有良好的可讀性和移植性，將nRF24L01無線通信模塊驅動程序、DHT22溫/濕度傳感器驅動程序、LCD模塊顯示驅動程序和串口模塊驅動程序都寫成獨立的模塊程序，方便主程序調用[10?11]。

3.1 傳感器節點程序設計

傳感器節點主要負責對現場的環境參數信息進行有效測量，并將測量的數據實時傳輸到環境監測節點，主要流程如圖6所示。

3.2 環境監測節點程序設計

環境監測節點主要負責接收來自傳感器節點的數據，并將這些數據處理后，經由串口電路傳輸到上位機，主要流程如圖7所示。

4 測試結果

為了檢驗本文設計糧倉環境監測系統的實際效果，分別從DHT22溫/濕度傳感器的檢測效果和MQ?2氣體檢測效果兩個方面測試。

4.1 溫度和濕度測試

將傳感器節點和環境監測節點上電后，打開串口調試助手，在串口終端中會看到溫度和濕度，然后用手觸模傳感器節點的溫/濕度傳感器，會看到濕度數據發生明顯變大，溫度數據則會慢慢增大，具體信息如圖8所示。

4.2 氣體泄漏效果測試

將傳感器節點和環境監測節點上電后，打開串口調試助手，在串口終端的“gsa leak：”后會顯示“no”，表示沒有檢測到可燃氣體，然后將打火機靠近MQ?2氣體傳感器，將打火機內的氣體放出，就會看到串口終端中“gsa leak：”后的“no”變成“yes”，具體效果如圖9所示。

5 結 語

本文設計的糧倉環境監測系統選擇nRF24L01作為無線通信模塊，IAP15W4K58S4作為MCU，DHT22作為溫濕度傳感器，MQ?2作為可燃氣體傳感器，實現了對糧倉環境的無線監測，實際測試結果表明：該系統對環境數據的采集準確。無線數據的傳輸穩定且實時性較好，能較好地應用在糧倉環境監測和其需求相近的領域。

注：本文通訊作者為羅明璋。

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