nRF 芯片在校園智能灌溉系統中的應用

◎冉菲帆 曹涌 郭建巍

科技和創新是促使一個國家向前邁進的重要因素。工業和農業一直是國家發展的重要產業，而提到農業，首先要考慮的就是植被的灌溉問題，目前常見的灌溉方式主要是人工灌溉和噴灑式灌溉，然而，在現代化的今天，傳統的灌溉方式存在的弊端日益明顯，因此，只有將科學技術與農業結合起來，才能進行更加高效的灌溉。在整個校園智能灌溉系統中，最為重要且關鍵的模塊，就是實現主機和從機的無線通信，在經過實際測試之后，我們發現nRF24L01 芯片無疑是最適合的。

一、nRF24L01 芯片的基礎特性及引腳接口

nRF24L01 的輸入地址、輸出功率和通信頻道都可以通過程序來進行設置，提供了可控性和多樣性，并且適合多個設備之間進行通信。它的溫度范圍和工作濕度跨度非常大，這使它可以很輕松的保證在各種惡劣天氣環境下運行，它最高工作速率能達到2Mbps，且具有超強的抗干擾能力，不用擔心在工作時被其他信號所干擾。它的內部設有專門的穩壓電路，再加上具有自動應答機制和CRC 校驗功能，使其不會因為電源和信號的波動而影響通信效果，保證了數據通信高效穩定的進行。

八引腳接口的設計使它功能十分的全面，其中除了GND 和VCC 外，共有四個接口負責數字輸入，兩個接口負責數字輸出，此芯片對于單片機的要求比較低，即使是沒有集成SPI 功能的單片機也可以很容易的控制本模塊，用普通的單片I0 口模擬SPI 時序進行讀寫操作就可以。負責數字輸入的管腳 CE、CSN、SCK、MOSI 分別代表的是收發模式切換控制端口、SPI 片選使能端，且對低電平有效、SPI 時鐘、SPI 從設備數據輸入；負責輸出的管腳MISO、IRQ分別代表SPI 從設備數據輸出以及工作狀態指示。

二、nRF24L01 的工作模式及配置字

（一）工作模式

nRF24L01主要有四種工作狀態，分別為發送狀態、接收狀態、空閑狀態和掉電狀態。

CE、PRIM_RX register、PWR_UP register 這三種組合來決定當前所處的工作狀態。其中收發模式是四種模式中的核心模式，在增強ShockBurstTM 收發模式下，要使用到先入先出算法，使用此堆棧區，可以把數據從微控制器中以一個較低的速度送出，之后用較高的速度發射，這樣做的好處，一是系統費用低，因為不管是高速射頻還是低速射頻都可以使用低速的微處理器，這樣就大大節省了費用；二是抗干擾性強，由于發射出去的數據的速度是較高的，這也就代表數據在空中停留較短的時間，越短的時間，數據被干擾的可能性就越小，同時在很大程度上減少了整個灌溉系統的平均電流。

1.發送模式。

首先，為了可以使它的工作模式為發射模式，要對CONFIG 寄存器進行相應的配置，然后把數據和接收節點的地址依次按時序寫入緩沖區，通過MCU 把CE 置1并保持至少10us，在發射的過程中首先需要給射頻前端提供電量，然后對需要發送的數據（射頻數據）進行打包，也就是前面提到的添加字頭和CRC 校驗碼，最后利用其高速發射的特點把打包好的數據以較快的速度發射出去。

2.接收模式。

總體來說，接收數據的流程與發送數據的流程是類似的，先對CONFIG 寄存器和地址及數據進行相應的配置，將地址和數據寫入緩沖區，之后把CE 置為1 并保持大約130us，之后將會進入監視狀態以等待數據包的到來，一旦接受到數據包，通過對字頭、地址、CRC 的檢測來判斷接受到的數據包是否正確，在正確的情況下nRF24L01 會自動把它們移除，接下來nRF24L01 會將狀態寄存器置位來通知MCU，此時的微控制器就會產生中斷，把輸入的數據從芯片內讀出，最后當所有的數據都已經讀出來以后，它可以清除掉STATUS 寄存器，并使得nRF24L01 進入之前介紹過的四種工作模式之一，以此循環。

3.待機模式和關機模式。

待機模式最大的特點就是通過減小平均工作電流來降低功耗，這種狀態下為22uA，這在一定程度上極大地減少了能源的損耗，并且能夠縮短芯片的啟動時間，在這種模式下晶體振蕩器依然是工作的。需要注意的是，在待機狀態下，它會對所有的配置字進行保留，不會丟失。關機狀態下的電流損耗是最小的，此時它雖然不工作，但是所有配置寄存器的值也是保留的。

（二）配置字

nRF24L01 是先通過同步串行外設接口（SPI）來訪問配置寄存器，然后通過配置寄存器來進行配置字的定義的，這些配置寄存器可通過SPI 口訪問，一共有8 個與其有關的控制指令，nRF 芯片的MOS（IMaster Input Slave Output）輸入來進行使用，然后把數據輸出給微控制單元。它是采用先傳送低比特位，再傳送高比特位的方式來進行數據的傳輸，傳輸速率最大能達到10 Mb/s，但是對于單個字節而言是不同的，它對單個字節的傳輸要先送高比特位。

nRF24L0 共有25 個配置寄存器，其中較為常用的如下表所示：

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其主要的配置參數分別有：數據寬度、地址寬度、接收通道、CRC 校驗、工作頻率、發射頻率和通信頻率等。數據寬度：也就是數據包中的數據所占用的位數，它的存在可以讓芯片很清晰的分出來數據包中的數據和CRC 校驗碼，使得數據的傳輸更具有目的性；地址寬度：我們都知道，在傳輸的數據包中，一定會帶有源地址，而地址寬度的存在就可以讓芯片很輕松的把地址和數據發開來；接收通道：顧名思義，接受通道也就是接受地址，即數據即將到達的地址，通常情況下，有通道0 到通道5 的地址；CRC 校驗：這個參數的存在目的就是為了使芯片學會如何生成和接觸CRC 校驗碼，使用此技術時，一定要保證配置字，也就是 CONFIG 中的 EN_CRC 中的 CRC 校驗被使能，并且還有比較重要的一點就是，發送和接收使用的協議必須一致；工作效率：常規的工作頻率間隔為1M 赫茲，所以建議設置在2.4 到2.5G 赫茲這個范圍內；發射功率：發射功率也就是數據以高速發出時的速率，它的大小對于通信的距離以及整套系統的耗能起到了決定性的作用；通信速率：主機與從機之間進行通信的功率，基本上有兩種情況可以選擇設置，分別為1Mbps 和2Mbps。當把這一系列的參數都按照工作情況設置完成后，nRF24L01+就可以進入收發模式，從而進行整個系統的流程暢通。

三、nRF 芯片在校園智能節水灌溉系統中的實際應用

（一）在系統中的功能實現過程

在校園自動灌溉系統中，nRF24L01 芯片的主要作用是實現主機和從機之間的無線通信。前面我們已經從芯片特性、芯片內部結構、芯片工作模式及配置方法等多個方面介紹了nRF24L01，從功能特性上，它具備高效的GFSK 調制，抗干擾能力強，且滿足多點通信和跳頻通信的需要。從使用者的角度，它簡單易操作性也是給用戶提供了便利的服務，可以通過軟件設置地址，在收到本機地址時會輸出數據（提供中斷指示），而且，可以直接接各種單片機使用，軟件編程十分方便。

（二）NRF24L01 與單片機連接部分的原理圖

圖1.主機

圖2.從機

（三）代碼實現