基于ARM處理器與nRF24L01無線通信的植物工廠監控系統

摘 要：利用無線傳感網絡技術和嵌入式實時數據處理技術，提出了一種基于nRF24L01和GSM網絡的植物工廠無線監測系統。系統通過7個nRF24L01無線模塊構建星型子網結構，擴展用GPRS模塊SIM900A完成子網與GSM網絡的無線通信，從而實現監控人員對植物工廠的遠程監測。星型網絡由多個采集終端和集中控制機構成6發1收模式，以集中控制方式對植物工廠的大氣溫度、土壤濕度、光照強度、CO2等信息進行實時采集。實驗測試結果表明，星型子網能夠實時完成900 m距離范圍內的無線數據傳輸，系統可擴展性強、工作穩定，可以實現植物工廠的遠程在線監測。

關鍵詞：傳感器；ARM處理器；nRF24L01模塊；無線監測；GPRS

中圖分類號：TP391.8 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）09-00-05

0 引 言

隨著物聯網技術的快速發展，集成化和智能化設備被越來越多地應用于植物工廠的環境監測中[1]，選擇可靠監控方案的主要指標是其成本和能耗。傳統的植物生長監測系統使用標準CAN總線或者RS 485總線構成分布式監測網絡，這種網絡需要大量連接電纜，構建成本較高且系統維護和管理不易。相比較而言，無線連接方式主要應用于近距離無線通信技術構建無線傳感器網絡，使用標準的無線通信協議，避免了布線的麻煩，可以更靈活地管理監測點，還可以利用蜂窩網接入技術，以短消息的方式實現隨時隨地無線通信，在遠程無線監測中具有較好優勢[2]。ZigBee無線通信目前可以采用CC2530 ZigBee無線射頻芯片，用于構建低成本、短時延、低功耗、可靠的無線通信系統。但由于其涉及的通信協議復雜，較nRF24L01芯片來說價格沒有優勢。無線收發一體芯片nRF24L01[3]克服了無線局域網、藍牙、紅外線數據通信的通信協議和特定硬件結構的缺點，在短距離無線監測中具有較大優勢。本文設計的監控系統主要用來采集自然光光照強度、空氣溫度、土壤濕度、CO2濃度、植物生成圖像等環境參數。

1 系統的硬件

子網系統由6個數據采集終端和一個集中控制機構成，在集中控制機部分搭建GSM網絡，實時接收6個數據終端的數據。子系統的分布式星型網絡架構如圖1所示。按照nRF24L01說明書的闡述，nRF24L01一次只能接收同一頻率下6個不同的數據，因此集中控制機上可搭載撥碼開關，用于分時接收不同頻率下的6組數據，從而構建一個稍具規模的無線通信網絡。數據終端主要完成對植物生成環境參數的采集，并將采集到的數據通過nRF24L01模塊發送到集中控制機，集中控制機將數據處理后顯示并通過GPRS 模塊發送至手機終端或者帶有GSM接收的服務器，實現遠程在線預警和現場監測數據存儲分析。

1.1 集中控制機

集中控制機負責與監測終端之間點對多點無線通信和子網無線接入GSM的網絡通信。集中控制機主要包括STM32-M4板、無線傳輸電路、液晶顯示電路、存儲器、按鍵電路、GPRS模塊和語音報警模塊。nRF24L01模塊采用半雙工通信方式完成與6個監測終端的無線監控鏈路通信；數據存儲器采用24C02實現采集終端數據的越限記錄存儲，并可通過按鍵查詢歷史數據；利用STM32的RTL定時器實時顯示時間，并將越限時間一同存儲在24C02芯片中。顯示模塊采用7' TFTLCD，一行可顯示多個字符，滿足實時環境數據顯示的需要。GSM模塊采用SIM900A，借助GSM移動網絡，通過手機短信實現遠程監測或報警。集中控制機核心電路如圖2所示，M4芯片使用了STM32F407，硬件資源比較豐富，24C02采用了I2C通信接口，使用M4芯片的I2C接口IIC1_SCL、IIC1_SDA就能實現通信；nRF24L01采用SPI接口通信方式，主要引腳有CE、SCK、MISO、MOSI、CSN等，利用M4的SPI1接口就能實現；SIM900A采用了串口1，M4的U1_TX連接SIM900A的RXD_I，U1_RX連接SIM900A的TXD_O；液晶顯示接口占據34位管腳，采用16 b數據通信方式以提高顯示速度；其他外圍電路可以查看芯片應用手冊。

1.2 數據終端

數據終端的硬件電路主要由STM32核心板、溫度采集電路、土壤濕度檢測傳感器、光照傳感器、CO2采集電路、無線傳輸電路、液晶顯示電路、按鍵電路及電源穩壓電路等組成。溫度的采集利用DS18B20，集成度和精度滿足系統設計要求；光照強度監測采用BH1750FVI芯片，該芯片采用I2C總線接口，內含數字轉換器，檢測范圍寬，分辨率高；土壤濕度檢測電路利用模擬電路搭建而成，通過電位器調節相應閾值，可以以數字量直接輸出或通過AD轉換得到土壤濕度更精確的數值，數據采集終端電路如圖3所示。

數據終端采用Cortex?-M3 STM32F103ZET6作為主控MCU，由于與M4的資源相似，在此主要介紹集中控制機的主控MCU-STM32F407ZGT6[4]，其擁有的硬件資源包括集成FPU和DSP指令，同時具有192 KB SRAM、1 024 KB Flash、12個16位定時器、2個32位定時器、2個DMA控制器、3個SPI、2個全雙工I2S、3個I2C、6個串口、2個USB（支持HOST /SLAVE）、2個CAN、3個12位ADC、2個12位DAC、1個RTC、1個SDIO接口、1個FSMC接口、1個10/100 M以太網MAC控制器、1個攝像頭接口、1個硬件隨機數生成器以及112個通用IO口等，這些硬件資源便于系統的日后升級。

1.3 無線收發模塊

無線收發模塊采用Risym工業級nRF24L01+PA+LNA數傳無線模塊[5]。其最大功率為100 mW，通信距離為1 100 m。空中速率250 K、1 M、2 M可調，單個數據包1～32字節，3級FIFO緩沖。該模塊由挪威（Nordic）公司生產的nRF24L01+及其外圍電路組成，工作于2.4～2.5GHz世界通用ISM頻段，工作電壓為1.9～3.6 V。可通過SPI寫入數據，最高可達10 Mb/s，數據傳輸速率最快可達2Mb/s，且具有自動應答和自動再發射功能。芯片融入了增強式ShockBurstTM技術，其輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。該芯片的功耗較低，以-6 dBm功率發射時，工作電流為9 mA，接收時工作電流只有12.3 mA，在掉電模式和空閑模式下其功耗更低。

2 系統的軟件設計

2.1 子網組網原理

資料[6]講述了采用不用頻道進行通信的方法，將6個終端采用不同的頻道，主控端設有按鍵，使用按鍵選擇不同的從機頻道就可實現主機與從機的通信，但這種方法存在硬件稍微復雜，同一時刻只能顯示一組通信數據等缺陷。本設計則通過所有從機使用相同的頻道，不同的地址來實現。單個子網無線數據傳輸采用中心集中控制模式，由控制終端以廣播的方式與監測終端建立有效通信鏈路，控制終端和監測終端在發送數據完畢后立即返回接收狀態，實現“六發一收”的功能，還可以通過擴展地址的方式增加監測終端數量。

nRF24L01[7] 模塊工作于增強型SchockBurstTM模式下，增強型ShockBurst?數據包格式如表1所列。其文字表述如下所示：

1字節前導碼+5字節工作通道地址+9位標志位+32位的傳感器數據+2字節CRC校驗

nRF24L01模塊用前導碼來檢測0和1，芯片在接收模式下去除前導碼，在發送模式下加入前導碼；工作通道地址是nRF24L01模塊發送或者接收數據的通道地址；標志位是進行數據包丟包重傳的計數；32位數據包括4位溫度信息、4位土壤含水量、4位CO2濃度、19位可擴展數據（便于后續擴展）、1位通道標識符；2字節的CRC檢驗碼用于檢測數據傳輸的正確性。

在接收端，集中控制機將數據接收后存入RX_FIFO寄存器，通過函數將32位接收的數據讀取出來，按照事先定義好的通信協議判別是哪一個通道上的數據：判斷tmp_buf[31]==0否，則為0通道，判斷tmp_buf[31]==1否，則為1通道，以此類推，并按照通道號顯示在相應的TFT_LCD上。

2.2 主程序流程

系統的開發環境采用KEIL uVision 5 IDE，它集編程、編譯、下載、調試于一體，可對多種嵌入式芯片進行開發。程序代碼采用搭積木的方式對如實時時鐘程序RTC，按鍵程序key，無線通信程序24L01等以子程序的形式編輯，編譯通過后提供.c和.h文件放置在HARDWARE文件夾下，并在目標文件的編譯選項下提供所有子程序的文件包含路徑Include Paths，只需要在主程序中加載相應的頭文件就可以實現子程序的調用。這種編程方式結構清晰，便于查錯調試。

在主程序中首先定義相關變量，之后設置系統的時鐘為168 MHz，串口的波特率為115 200 b/s，配置實時時鐘RTC的WAKE_UP中斷，使其1秒中斷一次，用于定時，LED系統運行提示初始化，液晶驅動初始化，無線通信模塊的收發初始化，按鍵初始化。初始化完成后，檢測nRF24L01是否正常工作，并給出相應的提示信息，掃描按鍵以確定主從機的通信頻率。設置好后按照預先定義好的數據幀格式判斷接收的是哪路信號，并顯示在相應的位置。與此同時，系統設置每隔5分鐘由主機通過GPRS模塊SIM900A發送6路信息到手機或其他智能終端。主程序流程圖如圖4所示。

2.3 無線發送模式流程

無線發送模式流程[7，8]如下所示：

（1）MCU控制引腳CE為低，使nRF24L01進入待機模式1；

（2）發送節點地址（TX_ADDR）、接收節點地址（RX_ADDR_P0用于自動應答）和有效數據（TX_PLD）通過SPI接口寫入 nRF24L01，當CSN為低時數據被不斷寫入；

（3）使能通道0的自動應答和通道0的接收地址；

（4）設置自動重發的時間間隔和最大自動重發次數；

（5）設置RF的通道；

（6）設置TX的發射參數、0 db增益、2 Mb/s通信速率，開啟低噪聲增益；

（7）配置PWR_UP、EN_CRC、16BIT_CRC，開啟所有中斷；

（8）MCU控制引腳CE為高，使nRF24L01進入發送模式；

（9）發送端發送完數據后進入接收模式來接收應答信號。

nRF24L01的發送模式程序流程圖如圖5所示。

2.4 無線接收模式流程

無線接收模式流程如下所示：

（1）MCU將nRF24L01的CE引腳置低，使其進入待機模式1，并對其寄存器進行配置；

（2）寫入6個從機的地址P0～P5；

（3）使能通道0～5的自動應答，使能通道0～5的接收地址，允許接收；

（4）設置RF的通信頻率，通信頻率可以通過軟件編程設置，利用通信頻率的不同實現多機通信；

（5）設置通道0～5的接收數據長度，統一設置為（RX_PLOAD_WIDTH=32）32個字節；

（6）設置TX的發射參數，0 db增益，2 Mb/s的通信速率，開啟低噪聲增益；

（7）設置PWR_UP、EN_CRC、16BIT_CRC接收模式的基本操作；

（8）將nRF24L01的CE引腳置高，使其進入接收模式；

（9）接收到有效數據包后（地址匹配、CRC校驗正確），數據包設置最后一個字節的內容為0，判斷當前數據包的第31位數據是0還是1～5，這樣就可以按照通道號將傳感器數據顯示在不同的行上；

（10）發送確認信號。

無線接收流程圖如圖6所示。

單片機與SIM900A模塊通過串口相連，按通信協議用AT指令實現SIM900A模塊與GSM網絡的通信[9]。

DS18B20[10]采集溫度程序設計：使能端口時鐘PORTG，使用端口PG11采集溫度，首先檢查DS18B20芯片是否就位，接著初始化DS18B20，復位DS18B20，跳過讀取芯片內部的ROM序列，讀取溫度的低字節和高字節，數據處理后進行無線數據包的數據填充并顯示。

光照強度采集程序設計：使能端口時鐘PORTB，使用PB6的I2C1_SCL和PB7的I2C1_SDA，利用I2C硬件接口按照時序就可讀取BH175FVI模塊的光照情況，數據處理后供無線數據包填充和顯示。

3 結 語

本項目設計的無線監測系統使用ARM M3-CPU和nRF24L01等模塊構建數據的采集節點，ARM M4-CPU、 nRF24L01模塊、 GPRS模塊等構成集中控制器，利用ARM CPU強大的數據處理功能和nRF24L01模塊組網靈活的特點，實現了1收6發的分布式植物工廠監控系統。測試結果表明，由于采用了雙天線的nRF24L01模塊，因此在900 m范圍內無線傳輸基本穩定，隨著距離的增加，數據丟包率隨之升高。系統通過擴展，相鄰子網之間采用不同頻率方式工作而且頻率間隔較大，可以實現更大范圍的分布式監控系統。由于利用了TFT顯示屏，可以隨時查看采集的數據信息，該信息通過GPRS模塊實時發送到用戶的智能終端。該系統具有設計簡單、穩定性好、可擴展性強等優點，可應用到各類無線傳輸的工程領域中，為其它環境監測系統提供參考。

參考文獻

[1]劉彤，李堯，賀宏偉，等.基于ZigBee的密閉式LED植物工廠監控系統[J].農機化研究，2015 （5）：75-81.

[2]鄭爭兵.基于nRF24L01和GSM的沼氣工程無線監測系統設計[J].核電子學與探測技術，2013，33（8）：995-999.

[3]時志云，蓋建平，王代華，等.新型高速無線射頻器件nRF24L01及其應用[J].國外電子元器件，2007 （8）：42-44.

[4]意法半導體.STM32F103ZET6中文手冊[EB/OL]. http：//wenku.baidu.com/view/b42bbf40be1e650e52ea992f.html.

[5] Risym器件.工業級nRF24L01+PA+LNA 數傳無線模塊[EB/OL]. https：//detail.tmall.com/item.htm？id=25563544406&spm=a1z09.2.0.0.RrAOte&_u=324f64f3ac.

[6] nRF24L01 如何實現多機通訊[EB/OL].http：//www.openedv.com/posts/list/18326.htm.

[7]訊通科技.nRF24L01中英文說明[EB/OL]. http：//wenku.baidu.com/link？url=G26rAwQSd7mYwNKQ8mlitzGm3PXm5bH8jgPgChM6gOhsXlJrgv36gmV04cWxhyDdHlXDEkOtu38ToIgLWSoWbAokdbS1tcPtSTKHF9PlDum.

[8]張永宏，曹健，王麗華.基于51單片機與nRF24L01無線門禁控制系統設計[J].江蘇科技大學學報（自然科學版），2013，27（1）：64-69.

[9]李雪峰，何振俊.基于單片機控制的多路激光安防報警裝置設計[J].電子設計工程，2016，24（1）：144-148.

[10]莊華勇，伍川輝.基于ZigBee的高速動車組車內溫濕度監測系統設計[J].中國測試，2013，39（2）：85-88.