無線數據采集系統設計

摘 要:隨著人類社會的發展與進步，人類對無線通信的依賴程度越來越高。無線通信以其不需鋪設明線，使用便捷等特點，在現代通信領域占據重要地位。在無線通信領域，越來越多的通信產品大量涌現出來，但設計無線數據采集產品往往需要相當的無線電專業知識和價格高昂的專業設備，因而影響了用戶的使用和新產品的開發。nRF2401是一個為2.4GHz ISM頻段設計無線收發芯片，它為短距離無線數據采集應用提供了較好的解決辦法，使用nRF2401降低了開發難度，縮短了開發周期，使產品能更快地推向市場。主要可以應用于無線會議系統;汽車輪胎氣壓檢測系統;室內控制家用電器;流量檢測;水電表計量采集和醫學領域等！

關鍵詞:數據采集系統傳感器單片機AVRnRF2401無線

中圖分類號:文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)07(C)-0012-02

隨著人類社會的發展與進步，人類對無線通信的依賴程度越來越高。無線通信以其不需鋪設明線，使用便捷等特點，在現代通信領域占據重要地位。在無線通信領域，越來越多的通信產品大量涌現出來，但設計無線數據采集產品往往需要相當的無線電專業知識和價格高昂的專業設備，因而影響了用戶的使用和新產品的開發。nRF2401是一個為2.4GHz ISM頻段設計無線收發芯片，它為短距離無線數據采集應用提供了較好的解決辦法，使用nRF2401降低了開發難度，縮短了開發周期，使產品能更快地推向市場。

1 總體方案

通過在被測位置安裝傳感器，從而使從機位置的單片機通過傳感器采集到信息數據，經過單片機處理數據，經過無線傳輸模塊2401，傳送給從機的傳輸模塊2401，主機的單片機通過無線傳輸模塊2401接收信息數據，再由CPU(Central Processing Unit，中央處理器)根據當前控制對像，把數據處理為與其相關的數據或信息，顯示在液晶顯示屏上，從而達到監控等目的，圖1。

此系統中各終端之間通過無線模塊通信，不得有任何電纜連接。設計者在完成以上任務的基礎上，可自行擴展其它功能。

2 硬件系統

主機硬件:(如圖2)

1)電源模塊(7805和LM1117-3.3線性穩壓芯片);

2)中心控制模塊(AVR單片機);

3)人機界面(液晶顯示和按鍵);

4)無線收發模塊(nRF2401無線收發芯片)。

從機硬件:(如圖3)

1)電源模塊(7805和LM1117-3.3線性穩壓芯片);

2)中心控制模塊(AVR單片機);

3)無線收發模塊(nRF2401無線收發芯片);

4)溫濕度傳感器(SHT10 系列)。

3 系統主機硬件的設計

由于本系統的核心模塊──無線收發芯片nRF2401只能工作在3.6V以下，而液晶模塊也是工作在3.3V以下，正常顯示字符。又由于本系統工作于無線方式，以安裝方便靈活為其最大特點之一，所以不宜采用變壓器供電。

如圖4，7805芯片有字的面向自己，左邊的為“1”，為整流器輸出的正電壓，中間的為“2”，為共地(也就是負極)，右邊為“3”，就是我們需要的5V輸出電壓了，下面介紹一個簡單的7805電路。

將正5V電壓輸入LM1117的第三腳，經第二腳即可輸出穩定的直流電壓。調節R2的大小可改變加到第一腳的調整電壓大小，可使輸出的穩定直流電壓在1.2～37V范圍內連續可調。

4 單片機的選擇及其外圍電路設計

AVR ATmega16單片機I/O口功能的實現，作為通用數字I/O使用時，所有AVR的I/O端口都具有真正的讀-修改-寫功能。這意味著用SBI或CBI指令改變某些管腳的方向(或者是端口電平、禁止/使能上拉電阻)時不會無意地改變其它管腳的方向(或者是端口電平、禁止/使能上拉電阻)。輸出緩沖器具有對稱的驅動能力，可以輸出或吸收大電流，直接驅動LCD。所有的端口引腳都具有與電壓無關的上拉電阻。并有保護二極管與VCC和地相連。

在設計中用到的ATmega16 I/O口:PB3，PB4，PB5，PB6，PB7，PC0，PC1，PC2，PC3，PC4，PC5，RESET。

串行外設接口SPI，簡化了單片機與無線收發芯片之間的通訊，減少連線。允許ATmega16和外設或其他AVR器件進行高速的同步數據傳輸。

5 nRF2401無線收發芯片

在系統選用的無線收發芯片是挪威NORDIC公司出品的nRF2401。nRF2401為半雙工的收發芯片，nRF2402只具有收發射功能，價格比nRF2401低，可以視為nRF2401的簡化版本，所以下面僅討論nRF2401。

nRF2401適用于多種無線通信的場合，如無線數據傳輸系統、無線鼠標、無線耳機等，圖5。

nRF2401芯片的工作模式

nRF2401的工作模式有四種，收發模式、配置模式、待機模式和關機模式。nRF2401的工作模式由PWR1、CE、CS三個管腳決定。

(1)收發模式

nRF2401的收發模式有ShockBurstTM收發模式和直接收發模式兩種。在此模式下，數據從單片機以低速傳入芯片內置的“先入先出”堆棧區，這樣做有三個好處:1)節能;2)降低系統成本。

(2)配置模式

nRF2401的所有配置工作通過CS、CLK1和DATA三個引腳完成，其時序與其在ShockBurstTM模式下發送數據的時序相似，不同的是在配置狀態下CE必須保持低電平，CS為高電平，新的配置字從CS的下降沿開始生效。

6 軟件設計

無線數據采集主要由無線模塊nRF2401、ATmega16/ATmega48單片機、傳感器、顯示器和按鍵等組成。整個系統的各個部分都是服務于無線數據采集這個目的。所以，在整個系統的軟件設計中，無線數據的采集是最為重要的。這里使用匯編語言編寫單片機控制程序。控制系統CPU采用AVR單片機，nRF2401芯片發射/接收模式由程序控制。

7 主程序

無線數據采集系統主程序如圖6，圖7。

8 nRF2401接收部分的子程序

主要分以下幾步:首先初始化nRF2401芯片，建立無線物理鏈路，nRF2401連接，如果不成功，再次建立無線物理鏈路;成功后等待數據收發命令，等到命令，判斷是否收發數據，如果收發，就選擇是“數據接收處理”還是“數據發送處理”，選擇后處理完畢，處理后等待下一次的數據收發。

9 結論

此次設計將應用于無線通信領域，并且針對當前市場上無線產品的不足進行了改進。本文根據nRF2401的特點，提出了一種將其應用無線數據采集系統的實現方案。此方案采用了較完善的軟硬件設計，保證了系統工作的安全性和可靠性，是一種較好的設計思路，具有通用性，便于投入實際應用。并且只要稍作改動就可以應用到小區傳呼、工業數據采集、自動讀表、警報和安全系統、無線鍵盤、無線操縱桿、家庭自動化、遙測和玩具等其他一些短距離無線通信領域，實現無線數據的雙向傳輸，具有較好的市場應用價值。

參考文獻

[1]NORDIC，et al．Printed Monopole Antenna For 2.45GHz．Norway，2003．

[2]ATMEL，et al．ATMEGA16L Datasheet．U.S.A.，2002．

[3]Carl J.Weisman，et al．The Essential Guide to RF and Wireless(RF與無線技術精要)．北京:電子工業出版社，2003．

[4]姚國年，劉自強等．同一環境下多點溫濕度測量誤差的分析[J].控制工程，2002，9(3):70-71．