基于nRF24L01的無線溫濕度采集報警器系統設計

楊寅坤,陳麗瓊

(湖南科技學院 智能制造學院,湖南 永州 425199)

0 引言

溫濕度采集系統對大家而言都不陌生,被廣泛應用于工業和農業的生產。通過傳感器將現場的溫度和濕度等不確定因素實時準確直觀地反饋給科研工作者,讓科研工作者做出更合適的調整。另外,伴隨著技術的發展與進步,數據采集在人們的生活中隨處可見,而這些數據采集大部分是利用無線通信進行的[1]。

1 總體方案設計

1.1 系統設計概述

此次設計采用了工作于2.4 GHz頻段nRF24L01射頻芯片。該芯片相對滿足工業控制的背景,內置硬件CRC檢錯,其中的頻道數可以達到126個,能夠完全滿足多點通信。nRF24L01射頻芯片還有很多其他優點,比如能夠有效屏蔽環境的特殊干擾,采用的調制是高效的GFSK,是專門為工業上的控制環境設置的,還內置了點對點通信地址控制。該系統具有兩個最大的特點,一是滿足基本要求,在通信上能夠相對穩定,保證通信質量;二是在軟件設計上模塊及模塊之間的關系相對簡單[2]。為了滿足以上設計的要求,筆者選擇89C52RC作為整個系統的核心控制芯片。該報警器系統分為交付和接管兩個部分,在交付部分,設計溫濕度采集的芯片是DHT11,這種芯片是一種實時采集方式,傳輸無線數據主要是通過nRF24L01進行;在接管部分,需要在接管端的數碼管上進行數據讀取并做出正確的顯示。

1.2 主控芯片說明

STC89C52是STC公司生產的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K字節系統,可編程Flash存儲器。STC89C52都是ISP的,在線用串口編程,只需要接三四根線即可。而AT89S52需要取下編程器,在操作上比較麻煩。STC有很多集成的其他功能,內帶EEPROM,可以斷電后保存資料。比如溫度告警的上下限,當然也可以不用這些功能,而AT則沒有。AT若要實現斷點保存就得另外擴展存儲器[3],比如24C02。帶ADC的STC可以直接連接模擬的溫度探頭,AT還要外置ADC。因此本系統選用STC89C52為主控芯片[4]。

2 發送端電路設計

2.1 無線模塊電路設計

51單片機的I/O口輸出為5 V,而nRF24L01的電源輸入為1.9～3.6 V,如果直接接入單片機的電源會燒壞模塊,因而要對單片機的電源接口進行壓降,這里筆者選用3V降壓。要用nRF24L01進行通信首先要清楚它的發送和接收流程。筆者在使用nRF24L01的時候有一個頭文件,是關于nRF24L01的寄存器定義和相關函數的編寫,只需要按照它的發送和接收流程調用相關函數配置寄存器即可。

程序中通過讀取寄存器STATUS,FIFO來判斷發射部分的狀態,如果發射成功,則寄存器的數值就會發生改變。同理,在接收端,也讀取了寄存器CD的值。如果接收端收到載波,則寄存器的值就會變成1,如果沒有檢測到任何載波信號,那么寄存器的值就為0。通過檢測寄存器的狀態就可以判斷兩個模塊是否正常工作。例如,如果發射端的兩個寄存器的值正常改變,那么說明發生端是正常工作的。接收端如果CD的值始終為0,那么說明接收端的模塊出現問題,就這樣可以縮小排錯的范圍。正常情況下,如果發射和接收都正常,通過函數nRF24L01_RxPacket(RxBuf)就可以讀取接收端緩沖區的值,這個數組值的大小與發送的數值大小一樣。

2.2 傳感器電路設計

DHT11傳感器用于濕度和溫度測量。用1602做顯示,單總線控制的器件,基本上沒有指令,只有一個啟動信號,然后連續讀出40bit的數據。隨后加上了防死循環的檢測,元器件的精度是溫度±2 ℃,濕度±5%,精度相對不高,但是應用于當前系統已足夠。元件測出溫度值與18B20相比大約差1 ℃,考慮到18B20的誤差,基本上精度在其所標示的±2 ℃內。濕度與家用電子濕度計比較,基本一致。

程序思路:與紅外解碼基本相似,需要主機發送一個啟動信號,然后等待器件響應后,連續讀出40位數據,每位數據以低電平50 us開頭,然后維持高電平26～28 us或70 us以區分數據0或1,以讀取高電平發生后第38 us電平高低來判斷。數據以高位在前低位在后分別讀取,最后一個為校驗數據,作為相應的校驗后顯示數值。這里設計的關注點主要集中在以下幾個方面。

元器件整個讀取操作需要一次完成,時間約需要4 ms,加上啟動指令最少18 ms,則一次操作需要約22 ms。雖然不長,但在一些場合應用中,需要分時分步執行一些固定程序時,比如數碼管動態掃描顯示,則在讀取過程中要么造成數據丟失,要么顯示屏閃動。據資料顯示該元器件內部集成8位MCU處理數據,如果增加指令,除啟動指令外還增加一個讀數據指令,并調整指令長度。比如以主機拉低500 us則視為啟動指令,以300 us視為讀數據指令,這樣在發起啟動指令后,元件內部完成數據轉換,然后等待外部讀數據指令。每一個讀指令則輸出一個8位數據,這樣處理后,有利于在程序中分步讀取數據,每次讀取1字節數據最多不超過500 us。則在動態顯示中采用分步讀取,不會影響動態掃描。

2.3 報警電路設計

本系統是一個報警器系統,所以筆者設計了溫濕度不在設置范圍內時應當發出報警的聲音。通過報警,讓用戶及時發現不適宜的溫濕度,從而做出合適的判斷和相應的操作。該報警設備主要的電路是由蜂鳴器組成。

3 單片機軟件設計

3.1 發送部分軟件設計

第一步,本系統需要進行初始化操作,該操作主要包括兩個方面,分別是DHT11和nRF24L01無線模塊。從DHT11讀取溫濕度數據,然后交付端通過無線傳輸將數據進行傳輸,最后接管端接收到數據以后,需要在液晶顯示模塊上顯示出來。

3.2 溫濕度傳感DHT11

對DHT11進行操作,首先通過調用void COM(void)函數對DHT11進行復位,然后調用void RH(void)向DHT11發送一條ROM指令,只有按照這樣的操作步驟才能實現預定的設計。

4 結語

在單片機應用領域,數據采集被廣泛應用于工農業生產,本設計就是一個典型案例。本設計通過一種直接數字輸入式的溫濕度傳感芯片DHT11實現對非電信號的采集。基于DHT11數字溫濕度傳感器的實時監控系統確實具有精度高、抗干擾能力強等特點。另外,本設計使用nRF24L01無線傳輸模塊完成了無線傳輸的過程。通過無線傳輸模塊可以省去有線帶來的布線麻煩,能夠實現多點動態采集。