多路無線溫度采集系統設計

【摘要】本文設計了一種基于無線傳輸的多路溫度采集系統。無線傳輸模塊為nRF24L01，體積小，速率高。傳感器采用單總線的高精度數字式溫度傳感器DS18B20，使多點溫度測量電路變得簡單、可靠。該系統可廣泛應用于工業控制、儀器、儀表、機電一體化、智能家居等諸多領域。

【關鍵詞】多通道;無線傳輸;數據采集;單片機

引言

溫度采集系統可被廣泛應用于溫度測量或相應的可轉換為溫度量或供電故障監控的工業、農業、環保、服務業、安全監控等工程中[1]。但在眾多應用領域中，數據傳輸容易受到傳輸介質的限制，因此本文設計了一種基于無線傳輸的多路溫度采集系統，對工業控制、儀器儀表、機電一體化、智能家居等諸多領域具有很高的實用價值。

1.設計方案

系統結構如圖1所示。系統主要由兩個部分組成，采集機與主控機，一臺主控機可搭載多臺采集機。采集機采用51單片機作為主控器，一方面通過溫度傳感器實時采集數據，另一方面通過無線傳輸模塊與主控機交換數據。主控機同樣采用51單片機作為主控制器，其主要功能是向采集機發送命令，接收采集機傳輸的數據并重新組幀成上傳到PC機。

圖1 多路無線溫度采集系統結構圖

圖2 多路無線溫度采集系統采集機原理圖

根據系統需求，選擇合適的無線數據傳輸模塊相當重要。本系統選用的無線傳輸模塊為nRF24L01，在目前較為流行的無線通信芯片中，無論從使用的方便性、傳輸速度還是輸出等各個方面考慮，nRF24L01都是一種較為理想的選擇[2]。

在溫度傳感器方面，采用單線數字溫度傳感器DS18B20。它是Dallas公司生產的一線式數字溫度傳感器，其分辨率可達0.0625℃，被測溫度用符號擴展的16位數字量方式串行輸出。CPU只需一根端口線就能與諸多DS18B20通信，占用微處理器的端口較少，可節省大量的引線和邏輯電路 [3]。

2.硬件電路設計

多路無線溫度采集系統硬件設計包括主控機和采集機兩部分，兩部分的重點都是如何實現基于nRF24L01模塊的無線數據傳輸。采集機主要由主控制器、溫度傳感器、無線傳輸模塊組成，其硬件電路原理圖如圖2所示。

圖3 多路無線溫度采集系統主控機原理圖

圖4 多路無線溫度采集系統主控機流程圖（a）

和采集機流程圖（b）

主控機主要由主控制器、無線傳輸模塊和串口通信模塊組成。主控制器主要負責向采集機發送命令，并接收溫度數據，通過串口發送到PC機。PC機的串口支持RS-232標準，而單片機支持TTL電平，因此，它們之間的信號需要經過電平轉換。選用美信公司的芯片MAX232來完成RS-232和TTL電平的轉換，硬件原理圖見圖3所示。

3.系統軟件設計

軟件包括采集機和主控機兩部分。由于本系統包括多個采集機，它們都要向主控機發送數據，因此必須嚴格控制每臺采集機向主控機發送數據的時間，避免數據的混亂。假設整個系統包括N臺采集機，則由主控機循環發出命令，命令幀格式：“主控機編號（1-N）+發送數據請求”，循環次數為N。接收工作則全部通過中斷函數處理，以提高系統的實時性。采集機初始化后處于接收狀態，當接收到主機發出的命令且命令中包含的編號信息與本機一致時，采集機置發送狀態，向主控機發送溫度數據。圖4給出了多路無線溫度采集系統主控機與采集機工作流程圖。

圖5 多路無線溫度采集系統PC機顯示界面

4.測試結果

圖5為環境溫度25℃，四路采集機所采集的溫度信息在PC機顯示的結果。

5.結語

本文提出了一種基于無線傳輸的多路溫度采集系統設計方案，解決了在眾多領域中數據傳輸受到傳輸介質限制的問題。通過簡單的無線通信協議，實現可靠性與功耗平衡。低功耗、實時性、多通道的無線溫度檢測是該設計的最大特點，對工業控制、儀器儀表、機電一體化、智能家居等諸多領域具有很高的實用價值。

參考文獻

[1]雷線，何小陽，蘇生輝.基于ZigBee的多點溫度采集系統設計與實現[J].自動化技術與應用，2010，29（2）： 43-46.

[2]楊旭，李德敏，張謙益.基于nRF24L01的一種無線通信協議設計[J].通信技術，2011，44（7）：57-62.

[3]易麗華，黃俊.基于AT89C51單片機與DS18B20的溫度測量系統[J].電子與封裝，2009，9（5）：39-43.

作者簡介：潘巖（1989—），男，長江大學在讀碩士研究生，研究方向：檢測技術與自動化管理。

通訊作者：魏呈霖（1989—），男，長江大學在讀碩士研究生。