基于DS18B20和nRF2401的庫區(qū)測(cè)溫網(wǎng)絡(luò)無線傳輸系統(tǒng)

摘要：為解決庫區(qū)溫度測(cè)量布線難度大、材料成本高、維護(hù)檢修難的問題，論文提出了一種用單片機(jī)作為控制核心，用DS18820搭建多點(diǎn)測(cè)溫網(wǎng)絡(luò)，nRF2401作為傳輸器件的庫區(qū)溫度數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，該系統(tǒng)測(cè)量準(zhǔn)確度高、傳輸距離遠(yuǎn)、性能可靠，具有較好的應(yīng)用前景。本文網(wǎng)絡(luò)版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/280695 _htm

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；nRF2401；DS18820；測(cè)溫網(wǎng)絡(luò)；無線傳輸

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2015.9.018

引言 庫區(qū)溫度直接關(guān)系到庫存物資的安全與性能，目前庫區(qū)溫度數(shù)據(jù)的傳輸大多采用有線方式，存在布線難度大、材料成本高、維護(hù)檢修不便等不足，并且數(shù)據(jù)線纜還易受雨雪、潮濕、鼠害等破壞。為克服此類弊端，本文采用nRF2401無線傳輸模塊，結(jié)合l-Wire器件DS18820，設(shè)計(jì)開發(fā)一款庫區(qū)溫度數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)。

1 總體方案

系統(tǒng)分為上位機(jī)與下位機(jī)兩大部分，二者之間的通信通過nRF2401實(shí)現(xiàn)，如圖l所示。上位機(jī)主要包括PC機(jī)和上位單片機(jī)，奠功能是負(fù)責(zé)接收下位機(jī)傳送的溫度數(shù)據(jù)和應(yīng)用程序的運(yùn)行，這一部分技術(shù)較為成熟，可借鑒的資料較多，不作為本文的重點(diǎn)：下位機(jī)采用51系列單片機(jī)AT89S51作為控制器，主要負(fù)責(zé)溫度數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸，圖l僅畫出兩組溫度傳感器和繼電器，實(shí)際連接10組。本文將著重介紹其硬件電路和軟件設(shè)計(jì)。

2 電路設(shè)計(jì)

下位機(jī)電路設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是測(cè)溫網(wǎng)絡(luò)和無線傳輸模塊的搭建，為實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫，選用Dallas公司出品的DS18820，構(gòu)建一個(gè)l-Wire總線的測(cè)溫網(wǎng)絡(luò)。DS18820是l-Wire總線的數(shù)字溫度傳感器，可直接將被測(cè)溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號(hào)供單片機(jī)處理，適用于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量：無線傳輸模塊選用新型單片射頻收發(fā)器件nRF2401，該器件工作于2.4 GHz～2.5GH_zISM頻段，輸出功率和通信頻道可通過編程進(jìn)行配置，同時(shí)，nRF2401功耗低，在以-6dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作電流僅9mA，接收信號(hào)時(shí)，工作電流也僅12.3 mA，特別適合單片機(jī)應(yīng)用場(chǎng)合。

圖2是市售nRF2401無線模塊，設(shè)計(jì)上位機(jī)、下位機(jī)電路時(shí)，只需留出相應(yīng)接口即可。

圖3是設(shè)計(jì)的電路原理圖，單片機(jī)P12口連接10個(gè)測(cè)溫器件（圖中僅畫出3個(gè)），從而構(gòu)建一個(gè)小型l-Wire總線測(cè)溫網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)10個(gè)庫區(qū)的溫度測(cè)量：?jiǎn)纹瑱C(jī)其他口線連接有10個(gè)繼電器（圖中畫出2個(gè)），用來控制10個(gè)庫區(qū)散熱風(fēng)扇的運(yùn)轉(zhuǎn)：無線模塊nRF2401通過接口端子與單片機(jī)連接，此處注意nRF2401工作電壓是3.3V，需增加電壓轉(zhuǎn)換芯片，為節(jié)省篇幅圖中并未畫出。

上位機(jī)接收部分的電路主要由上位單片機(jī)、無線模塊接口和電平轉(zhuǎn)換部分組成，這是由于nRF2401輸出數(shù)據(jù)格式是TTL電平，而PC機(jī)串口是MAX232電平，為此需要增加一個(gè)電平轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行匹配。

3 軟件編程

下位機(jī)編程重點(diǎn)在于溫度數(shù)據(jù)的采集與傳送，也就是DS18820和nRF2401的軟件設(shè)計(jì)。

3.1 1-wire總線的基本原理和操作

軟件設(shè)計(jì)之前，首先要了解l-wire總線的原理。l-wire總線的特點(diǎn)是用一條數(shù)據(jù)線同時(shí)傳輸時(shí)鐘信號(hào)和數(shù)據(jù)，總線上每一個(gè)器件都有一個(gè)唯一的地址，包括48位的序列號(hào)、8位的家族碼和8位的CRC碼，主機(jī)對(duì)各器件的尋址依據(jù)這64位的ID碼來進(jìn)行。

為保證在一條數(shù)據(jù)線上實(shí)現(xiàn)雙向通信，對(duì)DS18820的操作必須遵循嚴(yán)格的讀寫時(shí)序。以下介紹基于l-wire總線的幾種典型操作，其余的l-wire總線命令都是由這些典型操作而來。

3.1.1 復(fù)位子函數(shù)

在復(fù)位與應(yīng)答時(shí)序中，主機(jī)發(fā)出復(fù)位信號(hào)，要求l-wire器件在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)送回應(yīng)答信號(hào)。

首先主機(jī)將總線拉低480 μs，發(fā)出復(fù)位脈沖，然后產(chǎn)生一個(gè)上升沿的跳變，并延時(shí)60 μs等待l-wire器件的應(yīng)答；l-wire器件將總線拉低240μs，發(fā)出應(yīng)答，主機(jī)收到應(yīng)答后，再對(duì)DS18820進(jìn)行ROM命令。

3.1.2 讀寫操作

所有的讀寫時(shí)序至少需要60μs，在位讀和位寫時(shí)序中，主機(jī)要在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)讀回或?qū)懗鰯?shù)據(jù)。

寫時(shí)序時(shí)，主機(jī)在拉低總線15μs之內(nèi)釋放總線，并向l-wire器件寫l；讀時(shí)序時(shí)，主機(jī)發(fā)出讀數(shù)據(jù)命令，產(chǎn)生讀時(shí)序，l-wire器件隨即向主機(jī)傳輸數(shù)據(jù)。

3.2 DS18820的溫度轉(zhuǎn)換

DS18820網(wǎng)絡(luò)溫度測(cè)量的步驟一般是：器件初始化、復(fù)位、ROM操作、溫度轉(zhuǎn)換。初始化及復(fù)位完成后，要對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的器件進(jìn)行ROM識(shí)別，然后再讀取溫度數(shù)據(jù)。

3.2.1 利用二叉樹遍歷算法進(jìn)行器件識(shí)別

二叉樹遍歷算法是搜索識(shí)別網(wǎng)絡(luò)中l(wèi)-Wire器件的編程首選，二叉樹遍歷算法的要點(diǎn)可歸納為“讀2位，寫l位”。

首先主機(jī)向從機(jī)發(fā)出搜索命令，等待從機(jī)向主機(jī)發(fā)回當(dāng)前位之后，再讀從機(jī)發(fā)回當(dāng)前位的反碼，這兩個(gè)位數(shù)據(jù)的編碼存在4種可能：00、0l、10和11。

00表示從機(jī)在當(dāng)前位上有位分叉，即0和l兩個(gè)分支；

Ol表示從機(jī)的當(dāng)前位均為O：

10表示從機(jī)的當(dāng)前位均為l：

11表示總線上無器件響應(yīng)。

顯然，出現(xiàn)11時(shí)搜索應(yīng)退出。

對(duì)于前3種情況，根據(jù)搜索策略，主機(jī)向從機(jī)寫l位數(shù)據(jù)，決定繼續(xù)搜索哪一分支。第2和第3種情況下，搜索僅有一個(gè)方向，如果是第1種情況即出現(xiàn)00時(shí)，需要選擇下一步搜索路徑，方法是比較搜索位所在位置和最后一次發(fā)生位差異的所在位置，若二者相等，搜索1分支，若前者>后者，搜索O分支，若前者<后者，則采用上一次的搜索路徑。

在此需要注意兩點(diǎn)：一是網(wǎng)絡(luò)上DS18820發(fā)回的位數(shù)據(jù)呈“線與”關(guān)系：二是DS18820中64位ID碼標(biāo)記為第1-64位，而不是0-63位，空出來的O用來表示差異位位置記錄的初始狀態(tài)。

3.2.2 溫度數(shù)據(jù)的讀取

轉(zhuǎn)換完成后的溫度數(shù)據(jù)由低8位和高8位組成，且低8位在前，需將其轉(zhuǎn)換為1個(gè)16位的數(shù)、高5位代表符號(hào)，低11位是溫度值。11位的溫度值中高7位是溫度整數(shù)，低4位是溫度小數(shù)，如果是負(fù)溫度，則從溫度寄存器讀出的是補(bǔ)碼，應(yīng)將補(bǔ)碼取反加l得到原碼。

需要注意，單片機(jī)發(fā)出讀取溫度寄存器命令后，DS18820會(huì)返回9組數(shù)據(jù)，其中第一組數(shù)據(jù)的低4位代表溫度的小數(shù)值，因此溫度小數(shù)部分的精度為1/16=0.0625。另外程序中應(yīng)增加延時(shí)函數(shù)，確保溫度轉(zhuǎn)換完成。

3.3 nRF2401程序設(shè)計(jì)要點(diǎn)

溫度轉(zhuǎn)換完成后，由nRF2401將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)，并接收上位機(jī)發(fā)出的指令，實(shí)現(xiàn)雙向通信。

3.3.1 初始化配置與數(shù)據(jù)收發(fā)

nRF2401初始化配置包括設(shè)置待機(jī)模式、CRC校驗(yàn)、收發(fā)完成后中斷響應(yīng)、選擇射頻通道、設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸率和發(fā)射功率。

nRF2401的CE管腳為O時(shí)處于待機(jī)模式，為l時(shí)處于收發(fā)模式，收發(fā)模式有ShockBurst模式和直接模式兩種，本文選擇速度較快、功耗較低的ShockBurst模式。

發(fā)送過程為：設(shè)置Config寄存器使器件處于發(fā)送模式，當(dāng)測(cè)溫節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時(shí)，溫度和地址數(shù)據(jù)送到nRF2401中，單片機(jī)將CE管腳置高，激活ShockBurst發(fā)送模式，完成數(shù)據(jù)打包并高速發(fā)送，然后等待中斷。

接收過程為：設(shè)置Config寄存器使器件處于接收模式，單片機(jī)將CE管腳置高，激活ShockBurst接收模式，延時(shí)130 μs后檢測(cè)空中信息，若接收到有效的數(shù)據(jù)包，則發(fā)送確認(rèn)信號(hào)，產(chǎn)生中斷，同時(shí)讀出有效數(shù)據(jù)并發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)給PC機(jī)。

3.3.2 收發(fā)模式的自動(dòng)識(shí)別設(shè)計(jì)

為簡(jiǎn)化編程，增強(qiáng)代碼通用性，本文為上位單片機(jī)和下位單片機(jī)設(shè)計(jì)了完全相同的同一套程序代碼，系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別并設(shè)置工作模式，無需人為區(qū)分單片機(jī)是接收還是發(fā)送。實(shí)現(xiàn)接收和發(fā)送模式自動(dòng)切換的代碼如下：

void Switch_RT（uchar SW， uchar mode）

{ //收發(fā)模式切換子函數(shù)

CE=O，

//待機(jī)

if（SW）

//為l

SPI_WR_Reg（CONFIG， SPI_RD（CONFIG） Oxfe）；

//發(fā)射模式

else

//為O

SPI_WR_Reg（CONFIG， SPI_RD（CONFIG）| Ox01）；//接收模式if（mode）

CE=1；

//拉高CE啟動(dòng)收發(fā)

）

程序默認(rèn)無線模塊處于接收模式，下位單片機(jī)測(cè)得溫度數(shù)據(jù)后，將Config寄存器的PRIM_RX位置O，控制nRF2401工作于發(fā)送模式，將數(shù)據(jù)打包發(fā)出，隨即將PRIM RX位置l，處于接收模式：上位機(jī)端nRF2401接收到數(shù)據(jù)包后，即由上位單片機(jī)將其讀出并通過串口傳給上位PC機(jī)。

PC機(jī)向下位機(jī)發(fā)送指令時(shí)，首先將指令發(fā)給上位單片機(jī)，上位單片機(jī)一旦接到指令，即將PRIM RX位置O，控制nRF2401工作于發(fā)送模式，發(fā)出數(shù)據(jù)包：下位單片機(jī)通過nRF2401接收后將數(shù)據(jù)包讀出執(zhí)行。

4 系統(tǒng)運(yùn)行情況

PC機(jī)應(yīng)用程序采用Vis ualStudl02010 VB.net編寫，上位單片機(jī)與PC機(jī)應(yīng)用程序之間的通信通過串口控件實(shí)現(xiàn)，二者之間的參數(shù)設(shè)置需一致。

程序運(yùn)行界面如圖4所示，各庫區(qū)溫度正常時(shí)，溫度值字體顏色正常，某庫區(qū)溫度超過正常值時(shí)，相應(yīng)溫度值字體以紅色顯示并閃爍，下位單片機(jī)自動(dòng)接通對(duì)應(yīng)庫區(qū)繼電器，啟動(dòng)散熱風(fēng)扇進(jìn)行降溫：當(dāng)溫度下降至正常值后，單片機(jī)控制繼電器關(guān)斷散熱風(fēng)扇，同時(shí)溫度值字體顏色恢復(fù)正常。溫度值右側(cè)標(biāo)簽顯示的數(shù)據(jù)是設(shè)定的正常溫度范圍。

“庫區(qū)選擇”組合框中有10個(gè)復(fù)選框，對(duì)應(yīng)10個(gè)庫區(qū)；按下“啟動(dòng)風(fēng)扇”按鈕可對(duì)所選庫區(qū)進(jìn)行強(qiáng)制通風(fēng)：按下“關(guān)閉風(fēng)扇”按鈕可強(qiáng)制關(guān)閉散熱風(fēng)扇；“溫度范圍設(shè)定”按鈕可對(duì)所選庫區(qū)報(bào)警溫度閾值進(jìn)行設(shè)置：按下“保存數(shù)據(jù)”按鈕可將庫區(qū)編號(hào)、溫度值、時(shí)間信息等保存至指定位置，便于查看分析。

5 結(jié)論

利用本文設(shè)計(jì)的無線傳輸系統(tǒng)，可以采集10個(gè)重要庫所的溫度數(shù)據(jù)，經(jīng)過單片機(jī)的處理，將數(shù)據(jù)通過nRF2401傳輸給PC機(jī)顯示。經(jīng)實(shí)測(cè)證明，此無線傳輸方案能準(zhǔn)確采集并傳送溫度數(shù)據(jù)，傳送距離可達(dá)60米，空曠地帶接近100米，既避免了繁瑣的布線，又可有效防止惡劣天候的影響，采用元件少、簡(jiǎn)單易行、成本低廉、性能可靠、便于檢修，是一種新穎實(shí)用的庫區(qū)溫度監(jiān)控系統(tǒng)。