基于NRF24L01的空氣粉塵濃度檢測器設計

朱思清，錢國明南京郵電大學電子科學與工程學院

基于NRF24L01的空氣粉塵濃度檢測器設計

朱思清，錢國明
南京郵電大學電子科學與工程學院

摘要：隨著環(huán)境污染的加重，空氣粉塵顆粒的濃度不斷增加，人們的健康也隨之受到危害，因此文中介紹了一種基于nRF24L01的空氣粉塵濃度檢測器的設計，該系統(tǒng)利用光電傳感器中光通過空氣粉塵折射產(chǎn)生的電壓信號，經(jīng)過放大整形后，通過AD轉(zhuǎn)換后由單片機進行相應的處理，并在LCD上進行顯示，同時由單片機通過nRF24L01進行無線傳輸。接收端由nRF24L01接收信號至單片機，然后通過串口線將數(shù)據(jù)傳入PC上位機進行顯示。

關(guān)鍵詞：nRF24L01；無線傳輸；粉塵濃度檢測

項目來源：南京郵電大學STITP重點項目。

1　引言

隨著工業(yè)和經(jīng)濟的快速發(fā)展以及城市化的迅速推進，空氣質(zhì)量不斷惡化，霧霾天氣逐漸增多。空氣中的粉塵多為細小的固體顆粒物，其中PM0.1、PM2.5、PM10及其吸附的重金屬（如Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn等）粒子為霧霾的重要組成部分[1]。目前無線數(shù)據(jù)通信在工業(yè)、家居智能化、農(nóng)業(yè)自動化等領域的應用越來越廣泛。因此本系統(tǒng)的目的是設計一個基于nRF24L01無線傳輸模塊的以ATmega328p作為主控的空氣粉塵濃度檢測器，以適用家居生活中的環(huán)境監(jiān)測，提醒大家關(guān)注空氣質(zhì)量問題。

2　系統(tǒng)整體設計

圖1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

空氣粉塵濃度檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。本系統(tǒng)主要由單片機ATmega328p主控模塊、空氣粉塵傳感器GP2Y1010AU0F、1.3寸OLED顯示屏、獨立按鍵預警模塊以及nRF24L01無線數(shù)據(jù)傳輸和接收模塊組成。GP2Y1010AU0F光學傳感器根據(jù)空氣中粉塵濃度值輸出模擬電壓信號，通過ATmega328p內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換為模擬值，再進行數(shù)據(jù)處理后轉(zhuǎn)換為粉塵濃度值，在OLED液晶屏上進行顯示。當檢測計算得出的濃度值超過獨立按鍵自行設定的閾值時蜂鳴器進行預警。同時將濃度值通過NRF24L01無線數(shù)據(jù)傳輸模塊發(fā)送。接收端通過nRF24L01進行數(shù)據(jù)接收后通過串口傳輸至PC上位機并顯示粉塵濃度值。

3　系統(tǒng)硬件設計

3.1信號采集模塊

本設計采用的傳感器為GP2Y1010AU0F光學濃度檢測傳感器。此傳感器利用內(nèi)部紅外發(fā)光管與接收管檢測粉塵，并依靠輸出脈沖的電壓值來計算濃度值。由于GP2Y1010AU0F對驅(qū)動其LED的脈沖要求較高，輸入信號采樣周期為10ms±1ms；輸入高脈沖的寬度為0.32ms±0.02ms。所以對于采樣信號，需要等待輸入信號出現(xiàn)高脈沖以后再計時0.28ms進行采樣。其中一個信號周期為10ms。

圖2.輸出電壓與粉塵濃度關(guān)系曲線

上圖為GP2Y1010AU0F的輸出電壓與空氣粉塵顆粒濃度值的關(guān)系曲線。由于傳感器的電源供壓為3.3V，所以可以基本認為在輸出電壓范圍內(nèi)輸出電壓與粉塵濃度關(guān)系近似為一條直線。經(jīng)計算得出輸出電壓與空氣粉塵顆粒濃度的關(guān)系式為：Dust density= 0.17*Output voltage–0.1。

3.2單片機處理模塊

單片機核心選用的是ATmega328p微處理器。這是一款高性能、低功耗的RISC結(jié)構(gòu)的8位AVR微處理器，支持IIC以及SPI通信。同時其內(nèi)部的10位六通道ADC用于本系統(tǒng)對傳感器所得濃度值進行轉(zhuǎn)換。

3.3無線傳輸模塊

nRF24L01是Nordic公司研發(fā)的一款工業(yè)級集成鏈路層的射頻通信芯片。它采用全球普遍使用的2.4G~2.5GHzISM通信頻段，最高工作速率2Mbps，具有125個頻點，滿足多點通信和跳頻通信的需要，內(nèi)置硬件CRC檢錯和點對多點通信地址控制，支持SPI通信協(xié)議。nRF24L01的SPI接口可以與單片機的硬件SPI口進行直接連接或者與單片機I/O口模擬的SPI口進行通信。

nRF24L01繼承了所有與RF協(xié)議相關(guān)的高速信號處理部分，如自動重發(fā)丟失信號數(shù)據(jù)包和自動產(chǎn)生應答信號等，采用Shock?Burst和Enhanced ShockBurst兩種協(xié)議引擎[2]。在Enhanced Shock?Burst模式下，數(shù)據(jù)包的裝配以及時序處理將自動完成。nRF24L01功耗低，在-6dBm功率的工作模式下，發(fā)射端工作電流僅為9mA，接收端工作電流僅為12.3mA。

4　系統(tǒng)軟件設計

4.1nRF24L01射頻收發(fā)芯片

4.1.1無線射頻發(fā)送模式

ATmega328p單片機和nRF24L01初始化后，設置接收標識符，設置一次收發(fā)的字節(jié)數(shù)并將發(fā)送數(shù)據(jù)拆分為單字節(jié)數(shù)組形式，設置發(fā)送通道并確認接收端通道與之一致，然后將接收機地址和即將發(fā)送數(shù)據(jù)按時序送入nRF24L01。將CE置高，等待10μs，數(shù)據(jù)包完成并完成CRC校驗計算，并確認接收機的地址位，延遲130μs左右后發(fā)射數(shù)據(jù)。

4.1.2無線射頻接收模式

接收端nRF24L01初始化后，定義兩個變量用于存儲舊結(jié)果和新結(jié)果防止相同結(jié)果一直輸出，設置接收標識符，設置接收通道并保持與發(fā)送通道一致，等待接收數(shù)據(jù)并配置CONFIG寄存器使之進入接收模式，把CE置高。等待約130μs后，nRF24L01進入監(jiān)視狀態(tài)等待數(shù)據(jù)包。當接收到正確的地址位和CRC校驗碼后把字頭、地址位和CRC校驗碼移去并把數(shù)據(jù)接收到數(shù)組中。nRF24L01把STATUS寄存器的DR1拉高并通知MCU，然后單片機將數(shù)據(jù)讀出。當接收數(shù)據(jù)完畢時，nRF24L01將DR1置低。若CE在數(shù)據(jù)下載期間仍然保持為高，nRF24L01會重新進入數(shù)據(jù)的接收準備狀態(tài)；若CE被置低，則nRF24L01進入空閑模式[3]。

4.2主程序設計

本系統(tǒng)由兩片ATmega328p共同組成控制系統(tǒng)。發(fā)送端：各模塊初始化，鍵盤輸入濃度閾值，傳感器采集當前濃度值，當濃度值大于閾值時蜂鳴器報警，然后在OLED上顯示當前濃度值與閾值，無線模塊傳送數(shù)據(jù)；接收端：無線模塊收到數(shù)據(jù)，然后通過串口傳送至PC上位機。

5　總結(jié)

本文主要設計了一款空氣粉塵濃度檢測器，此系統(tǒng)以AT?mega328p為核心，采集的粉塵信號通過nRF24L01傳輸并由串口傳送至PC上位機。由于本設計使用的無線通信系統(tǒng)在日常生活中有著廣泛的應用，隨著生活水平的提高，無線通信技術(shù)預計將在更多領域有著這更加廣泛的應用。

參考文獻：

[1]劉玲.淮南市空氣懸浮顆粒特征及污染物的樹木監(jiān)測[D].南京：南京林業(yè)大學，2013

[2]陸欣云，陳巍，張娟.基于FPGA的LED點陣系統(tǒng)控制器的設計與分析[J].南京工程學院學報：自然科學版.2011,9(3):40-44

[3]李閃，黃小莉，胡兵，等.基于nRF24L01的無線智能溫度監(jiān)測系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2011(12):52-54

導師簡介：錢國明（1964-），男，浙江紹興人，南京郵電大學教授，研究方向為無線通信技術(shù)與信號處理。

作者簡介：朱思清（1995-），男，江蘇南京人。