基于nRF24L01的無線溫度采集系統設計

1 引言
??? 溫度采集系統所采集的溫度通常通過RS485、CAN總線通信方式傳輸至上位機，但這種方式維護較困難，不利于工業現場生產；而無線通信GPRS技術傳輸距離長，通信可靠穩定，但設計復雜、成本昂貴。這里采用工業級內置硬件鏈路層協議的低成本單芯片nRF24L01型無線收發器件實現系統間的無線通信，完成無線信號的接收、顯示及報警功能。

2 nRF24L01簡介
??? nRF24L01是一款工業級內置硬件鏈路層協議的低成本無線收發器。該器件工作于2．4 GHz全球開放ISM頻段，內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器等功能模塊，并融合增強型ShockBurst技術，其輸出功率和通信頻道可通過程序配置。擁有ShockBurst和Enhanced ShockBurst兩種數據傳輸模式。可直接與單片機I／O連接，外接元件數目少。nRF24L01功耗低，以-6 dBm的功率發射時，工作電流僅9 mA；接收時，工作電流僅12．3 mA，多種低功率工作模式(掉電和空閑模式)更利于節能設計。

3 系統硬件設計
??? 系統硬件設計主要由采集發送和接收顯示兩部分組成。圖1為采集發送電路原理圖，該電路主要由溫度傳感器DS18B20、單片機STC12LE5408和nRF24L01組成。
　　

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　　STC12LE5408是增強型8051單片機，速度快，集成度高，電壓范圍寬(2．2～3．8 V)，和MCS-51系列單片機指令系統完全兼容。其內部還有8 KB Flash程序存儲器，512字節RAM、2 KB EEPROM、4路PWM以及硬件看門狗(WDT)等資源．性價比高。
??? DSl8B20是DALLAS公司生產的單總線數字1-Wire溫度傳感器，可把溫度信號直接轉換成串行數字信號供單片機處理，采用1-Wire接口。DSl8B20的數據端DQ可通過4．7 kΩ的上拉電阻接STC12LE5408。nRF24L01的CE，CSN，SCK，MOSI，MISO，IRQ引腳則可接STC12LE5408的任意端口，但需在編程時注意，這里接至P1端口。由于nRF24L01具有接收數據功能，所以接收顯示電路由單片機STC12LE5408、nRF24L01和顯示電路組成。所采集的數據也通過串口發送至PC機進行處理。
4 系統軟件設計
4．1 nRF24L01的軟件設置
??? 由于STC12LE5408無標準的SPI總線接口，需采用軟件模擬實現SPI總線。因此應嚴格按照SPI的時序要求編寫，否則導致對nRF24L01的操作失敗。nRF24L01的各種命令字都只有一個字節，分為讀寄存器、寫寄存器、讀數據接收緩沖區、寫發送數據緩沖區等。在輸入任意命令字的同時，MISO輸出STATUS寄存器的內容。對RF24L01的讀寫程序代碼如下：

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　　nRF24L01的ShockBurst和Enhanced ShockBurst兩種數據模式的區別是：后者比前者多一個確認數據傳輸的信號，保證數據傳輸的可靠性。按Enhanced ShockBurst模式初始化，重新發送等待時間為250μs，重新發送次數為10次，地址是RX_ADR_WIDTH，輸出功率為0 dBm，速度為1 Mb／s。nRF24L01處于POWER_UP狀態。函數中WRITE_REG為寫命令基地址0x20。其相關程序如下：


　　在接收端將nRF24L01配置為接收模式，地址是RX_AW，負載數據寬度是TX_PL_W，使能接收完數據中斷，CRC校驗位為2字節，nRF24L01處于POWER_UP狀態，其相關程序代碼如下：




4．2 數據采集發送子程序
　　數據采集發送部分上電后首先配置nRF24L01的相關寄存器．使其工作在發射狀態，然后復位DSl8B20，向DSl8B20發送溫度轉換命令，讀取已轉換的溫度值，然后由nRF24L01發送．其流程如圖2所示。



　　
　　這里需注意DS18B20是單總線器件．其硬件接口比較簡單，這是以相對復雜的軟件編程為代價的。DS18B20與單片機的接口協議也是通過嚴格的時序來實現的。雖然增加軟件開銷，但由于STC12LE5408運行速度快，可以滿足系統要求。另外，對DS18B20操作的程序必須按照初始化，ROM操作命令，存儲器操作命令，執行／數據的先后順序進行。如果總線上只掛1個DS18B20，初始化后可執行跳過ROM命令，再發送溫度轉換命令。溫度轉換完成后，將溫度值暫存在發送緩沖區tx_buf中，然后通過nRF24L01發送，其相關程序代碼如下：




4．3 數據接收顯示子程序
　　nRF24L01在數據接收顯示中為接收狀態。當nRF24L01模塊配置為接收模式后，當接收到數據中斷時，從接收FIFO讀取數據。然后將其存儲到接收緩沖區rX_bur中。其相關程序代碼如下：




5 結束語
　　本文介紹了nRF24L01和STC12LE5408組成的無線溫度采集系統。采用高度集成的nRF24L01器件。大大簡化了系統硬件和軟件設計，減小了體積，提高了系統工作的可靠性。采用新一代增強型8051單片機STC12LE5408降低了系統成本，縮短了開發時間。實踐證明該系統設計簡單，成本低廉，通信可靠，運行穩定，性能可靠，具有較高的實用價值。