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摘要：為解決庫區溫度測量布線難度大、材料成本高、維護檢修難的問題，論文提出了一種用單片機作為控制核心，用DS18B20搭建多點測溫網絡，nRF2401作為傳輸器件的庫區溫度數據無線傳輸系統。經實際測試，該系統測量準確度高、傳輸距離遠、性能可靠，具有較好的應用前景。 引言 庫區溫度直接關系到庫存物資的安全與性能，目前庫區溫度數據的傳輸大多采用有線方式，存在布線難度大、材料成本高、維護檢修不便等不足[1-2]，并且數據線纜還易受雨雪、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，結合1-Wire器件DS18B20，設計開發一款庫區溫度數據無線傳輸系統。 1 總體方案 系統分為上位機與下位機兩大部分，二者之間的通信通過nRF2401實現，如圖1所示。上位機主要包括PC機和上位單片機，其功能是負責接收下位機傳送的溫度數據和應用程序的運行，這一部分技術較為成熟，可借鑒的資料較多，不作為本文的重點;下位機采用51系列單片機AT89S51作為控制器，主要負責溫度數據的采集、處理和傳輸，圖1僅畫出兩組溫度傳感器和繼電器，實際連接10組。本文將著重介紹其硬件電路和軟件設計。 2 電路設計 下位機電路設計的重點是測溫網絡和無線傳輸模塊的搭建，為實現多點測溫，選用Dallas公司出品的DS18B20，構建一個1-Wire總線的測溫網絡。DS18B20是1-Wire總線的數字溫度傳感器，可直接將被測溫度轉化成串行數字信號供單片機處理，適用于惡劣環境的現場溫度測量[3-4];無線傳輸模塊選用新型單片射頻收發器件nRF2401，該器件工作于2.4 GHz～2.5 GHz ISM頻段，輸出功率和通信頻道可通過編程進行配置[5]，同時，nRF2401功耗低，在以-6dBm的功率發射時，工作電流僅9mA，接收信號時，工作電流也僅12.3 mA，特別適合單片機應用場合[6-8]。 圖2是市售nRF2401無線模塊，設計上位機、下位機電路時，只需留出相應接口即可。 圖3是設計的電路原理圖，單片機P12口連接10個測溫器件(圖中僅畫出3個)，從而構建一個小型1-Wire總線測溫網絡，可實現10個庫區的溫度測量;單片機其他口線連接有10個繼電器(圖中畫出2個)，用來控制10個庫區散熱風扇的運轉;無線模塊nRF2401通過接口端子與單片機連接，此處注意nRF2401工作電壓是3.3V，需增加電壓轉換芯片，為節省篇幅圖中并未畫出。 上位機接收部分的電路主要由上位單片機、無線模塊接口和電平轉換部分組成，這是由于nRF2401輸出數據格式是TTL電平，而PC機串口是MAX232電平，為此需要增加一個電平轉換電路進行匹配。 3 軟件編程 下位機編程重點在于溫度數據的采集與傳送，也就是DS18B20和nRF2401的軟件設計。 3.1 1-wire 總線的基本原理和操作 軟件設計之前，首先要了解1-wire 總線的原理。1-wire總線的特點是用一條數據線同時傳輸時鐘信號和數據，總線上每一個器件都有一個唯一的地址，包括48位的序列號、8位的家族碼和8位的CRC碼，主機對各器件的尋址依據這64位的ID碼來進行。 為保證在一條數據線上實現雙向通信，對DS18B20的操作必須遵循嚴格的讀寫時序[9]。以下介紹基于1-wire總線的幾種典型操作，其余的1-wire總線命令都是由這些典型操作而來。 3.1.1 復位子函數 在復位與應答時序中，主機發出復位信號，要求1-wire器件在規定的時間內送回應答信號。 首先主機將總線拉低480μs，發出復位脈沖，然后產生一個上升沿的跳變，并延時60μs等待1-wire器件的應答;1-wire器件將總線拉低240μs，發出應答，主機收到應答后，再對DS18B20進行ROM命令。 3.1.2 讀寫操作 所有的讀寫時序至少需要60μs，在位讀和位寫時序中，主機要在規定的時間內讀回或寫出數據。 寫時序時，主機在拉低總線15μs之內釋放總線，并向1-wire器件寫1;讀時序時，主機發出讀數據命令，產生讀時序，1-wire器件隨即向主機傳輸數據。 3.2 DS18B20的溫度轉換 DS18B20網絡溫度測量的步驟一般是：器件初始化、復位、ROM操作、溫度轉換。初始化及復位完成后，要對網絡中的器件進行ROM識別，然后再讀取溫度數據。3.2.1 利用二叉樹遍歷算法進行器件識別 二叉樹遍歷算法是搜索識別網絡中1-Wire器件的編程首選，二叉樹遍歷算法的要點可歸納為“讀2位，寫1位” [4]。 首先主機向從機發出搜索命令，等待從機向主機發回當前位之后，再讀從機發回當前位的反碼，這兩個位數據的編碼存在4種可能：00、01、10和11。 00表示從機在當前位上有位分叉，即0和1兩個分支; 01表示從機的當前位均為0; 10表示從機的當前位均為1; 11表示總線上無器件響應。 顯然，出現11時搜索應退出。 對于前3種情況，根據搜索策略，主機向從機寫1位數據，決定繼續搜索哪一分支。第2和第3種情況下，搜索僅有一個方向，如果是第1種情況即出現00時，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0分支，若前者[10];二是DS18B20中64位ID碼標記為第1—64位，而不是0—63位，空出來的0用來表示差異位位置記錄的初始狀態。 3.2.2 溫度數據的讀取 轉換完成后的溫度數據由低8位和高8位組成，且低8位在前，需將其轉換為1個16位的數，高5位代表符號，低11位是溫度值。11位的溫度值中高7位是溫度整數，低4位是溫度小數，如果是負溫度，則從溫度寄存器讀出的是補碼，應將補碼取反加1得到原碼。 需要注意，單片機發出讀取溫度寄存器命令后，DS18B20會返回9組數據，其中第一組數據的低4位代表溫度的小數值，因此溫度小數部分的精度為1/16=0.0625。另外程序中應增加延時函數，確保溫度轉換完成。 3.3 nRF2401程序設計要點 溫度轉換完成后，由nRF2401將數據發送給上位機，并接收上位機發出的指令，實現雙向通信。 3.3.1 初始化配置與數據收發 nRF2401初始化配置包括設置待機模式、CRC校驗、收發完成后中斷響應、選擇射頻通道、設置數據傳輸率和發射功率。 nRF2401的CE管腳為0時處于待機模式，為1時處于收發模式，收發模式有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。 發送過程為：設置Config寄存器使器件處于發送模式，當測溫節點有數據需要發送時，溫度和地址數據送到nRF2401中，單片機將CE管腳置高，激活ShockBurst發送模式，完成數據打包并高速發送，然后等待中斷。 接收過程為：設置Config寄存器使器件處于接收模式，單片機將CE管腳置高，激活ShockBurst接收模式，延時130μs后檢測空中信息，若接收到有效的數據包，則發送確認信號，產生中斷，同時讀出有效數據并發送給單片機，單片機通過串口將數據發給PC機。 3.3.2 收發模式的自動識別設計 為簡化編程，增強代碼通用性，本文為上位單片機和下位單片機設計了完全相同的同一套程序代碼，系統自動識別并設置工作模式，無需人為區分單片機是接收還是發送。實現接收和發送模式自動切換的代碼如下： void Switch_RT(uchar SW, uchar mode) { //收發模式切換子函數 CE=0; //待機 if(SW) //為1 SPI_WR_Reg(CONFIG, SPI_RD(CONFIG) & 0xfe); //發射模式 else //為0 SPI_WR_Reg(CONFIG, SPI_RD(CONFIG) | 0x01); //接收模式if(mode) CE=1; //拉高CE啟動收發 } 程序默認無線模塊處于接收模式，下位單片機測得溫度數據后，將Config寄存器的PRIM_RX位置0，控制nRF2401工作于發送模式，將數據打包發出，隨即將PRIM_RX位置1，處于接收模式;上位機端nRF2401接收到數據包后，即由上位單片機將其讀出并通過串口傳給上位PC機。 PC機向下位機發送指令時，首先將指令發給上位單片機，上位單片機一旦接到指令，即將PRIM_RX位置0，控制nRF2401工作于發送模式，發出數據包;下位單片機通過nRF2401接收后將數據包讀出執行。 4 系統運行情況 PC機應用程序采用Visual Studio2010 VB.net編寫，上位單片機與PC機應用程序之間的通信通過串口控件實現，二者之間的參數設置需一致。 程序運行界面如圖4所示，各庫區溫度正常時，溫度值字體顏色正常，某庫區溫度超過正常值時，相應溫度值字體以紅色顯示并閃爍，下位單片機自動接通對應庫區繼電器，啟動散熱風扇進行降溫;當溫度下降至正常值后，單片機控制繼電器關斷散熱風扇，同時溫度值字體顏色恢復正常。溫度值右側標簽顯示的數據是設定的正常溫度范圍。 “庫區選擇”組合框中有10個復選框，對應10個庫區;按下“啟動風扇”按鈕可對所選庫區進行強制通風;按下“關閉風扇”按鈕可強制關閉散熱風扇;按下“溫度范圍設定”按鈕可對所選庫區報警溫度閾值進行設置;按下“保存數據”按鈕可將庫區編號、溫度值、時間信息等保存至指定位置，便于查看分析。 5 結論 利用本文設計的無線傳輸系統，可以采集10個重要庫所的溫度數據，經過單片機的處理，將數據通過nRF2401傳輸給PC機顯示。經實測證明，此無線傳輸方案能準確采集并傳送溫度數據，傳送距離可達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、簡單易行、成本低廉、性能可靠、便于檢修，是一種新穎實用的庫區溫度監控系統。 參考文獻： [1]劉斌.基于nRF2401和GPRS的無線溫度傳輸系統設計[J].現代電子技術,2012;35(15):46-48 [2]王旭,馬汝建,王洪斌. 基于nRF24E1的多點無線測溫報警系統設計[J]. 濟南大學學報(自然科學版),2013;27(4);352-357 [3]丁恩杰,蹤曉志.基于nRF24E1和DS18B20的無線測溫系統[J].儀表技術與傳感器,2010;11(3);60-62 [4]李飛,沈玲,黃熹. 1-Wire總線測溫網絡的構建[J]. 電子產品世界,2012;(10);43-44 [5]孫保群,王瓊. 基于nRF2401軟件跳頻協議的設計與實現[J].電子技術應用,2012;38(5);46-48,51 [6]郭吉術,林明星,劉偉,等. 基于nRF2401的無線扭矩監測系統[J].儀表技術與傳感器,2012;(12);57-60 [7]朱嶸濤,徐愛鈞,葉傳濤. STC15單片機和nRF2401的無線門禁系統設計[J].單片機與嵌入式系統應用,2014;(6);57-60 [8]王曉峰,張致恒,張 波,等. 基于nRF2401的高速路不停車收費系統[J]. 電力學報,2009;24(5);431-433 [9]呂勝杰,霍淑艷. 基于DS18B20的單總線多點測溫技術[J].現代電子技術,2011;34(2);185-187 [10]陳佳聞. 基于多點測溫的溫室智能控制系統設計[J].山東農業大學學報(自然科學版),2010;41(3);435-439 |
