基于nRF24L01的無線溫濕度檢測系統(tǒng)設汁[圖]

0 引言

在當今的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，需要進行溫濕度采集的場合越來越多，準確方便地測量溫度變得至關(guān)重要。傳統(tǒng)的有線測溫方式存在著布線復雜，線路容易老化，線路故障難以排查，設備重新布局要重新布線等問題。特別是在有線網(wǎng)絡不通暢或由于現(xiàn)場環(huán)境因素的限制而不便架設線路的情況下，給溫濕度的數(shù)據(jù)采集帶來了很大的麻煩。要想監(jiān)測到實時的溫濕度數(shù)據(jù)，就必須采用無線傳輸?shù)姆绞綄��?shù)據(jù)進行采集、發(fā)送、接收并對無線采集來的數(shù)據(jù)通過上位機進行處理，以控制并監(jiān)測設備的運行情況，減少不必要的線路設備開支。

1 系統(tǒng)組成框圖

本文設計的多路無線溫濕度檢測系統(tǒng)將單片機檢測控制系統(tǒng)和射頻通信系統(tǒng)相結(jié)合，系統(tǒng)由主機和從機兩部分構(gòu)成，從機負責檢測溫濕度，并將采集到的數(shù)據(jù)通過射頻系統(tǒng)發(fā)送給主機，主機接收從機發(fā)送過來的信號，并通過串口和PC機進行通信，記錄數(shù)據(jù)。同時可通過PC機設定報警數(shù)據(jù)上下限。其系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

2 系統(tǒng)硬件電路

系統(tǒng)的溫濕度數(shù)據(jù)采用數(shù)字式溫濕度傳感器DHT11進行數(shù)據(jù)采集，以51系列增強型單片機STC12C5A08S2為核心和無線射頻nRF2401構(gòu)成收發(fā)電路，從機使用液晶LCD1602顯示，主機顯示則使用LCD12864,整個顯示系統(tǒng)可與PC上位機相連接。

2.1 溫濕度采集電路設計

DHT11是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器。該傳感器應用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。圖2所示為其溫度采集電路。DHT11傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，可與高性能8位單片機相連接。校準系數(shù)以程序的形式儲存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測信號的過程中可調(diào)用這些校準系數(shù)。單線制串行接口可使系統(tǒng)集成變得簡易而快捷，而且信號傳輸距離可達20m以上。當連接線長度短于20m時，應使用5kΩ上拉電阻，大于20m時，應根據(jù)情況使用合適的上拉電阻。

圖2 溫度采集電路

2.2 無線發(fā)射、接收電路設計

nRF24L01是NORDIC公司生產(chǎn)的一款無線通信芯片，采用FSK調(diào)制方式，內(nèi)部集成有NORDIC自己的Enhanced Short Burst協(xié)議�？梢詫崿F(xiàn)點對點或是1對6的無線通信。無線通信速度可以達到2 Mb/s.NORDIC無線發(fā)射、接收芯片nRF24L01的電路原理圖如圖3所示。

圖3 無線發(fā)射、接收原理圖

nRF24L01是單片射頻收發(fā)芯片，工作于2.4~2.5 GHz的ISM頻段，芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。nRF24L01芯片的能耗非常低，以-5 dBm的功率發(fā)射時，工作電流只有10.5 mA,接收時的工作電流只有18 mA,它具有多種低功率工作模式，節(jié)能環(huán)保，設計方便。

nRF24L01無線收發(fā)模塊的各管腳功能如表1所列，圖4所示是nRF24L01與單片機連接時的電路圖。

圖4 無線模塊與CPU連接電路圖

本無線發(fā)射接收模塊需要的電源為1.9~3.6 V,本系統(tǒng)中采用3.3 V直流電源來直接對無線發(fā)射接收模塊供電，5 V電源經(jīng)。ASM1117-3.3芯片轉(zhuǎn)換后可得到穩(wěn)定的直流電源，其電源轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。

圖5 無線模塊電源轉(zhuǎn)換電路

2.3 串行通信模塊

主機單片機接收到nRF24L01的數(shù)據(jù)后，經(jīng)MAX232電平轉(zhuǎn)換可實現(xiàn)單片機程序下載與升級，同時可實現(xiàn)單片機與PC機（上位機）的通信，以便將顯示數(shù)據(jù)信息通過此電路傳送到PC機，并存PC機上顯示，其串行通信電路如圖6所示。

圖6 MAX232CPE與PC的串口通信電路

3 軟件設計

3.1 下位機軟件

本系統(tǒng)使用C語言編程，應根據(jù)設計任務的要求確定系統(tǒng)程序的完整結(jié)構(gòu)，盡可能采用模塊化程序設計方法，將任務劃分為相對獨立的功能模塊，明確各模塊的功能、時間順序和相互關(guān)系，系統(tǒng)的軟件設計可以分為幾個部分，首先是各個模塊的底層驅(qū)動程序編寫，而后是系統(tǒng)聯(lián)機調(diào)試，最后再編寫上位機的系統(tǒng)程序。

主程序是控制和管理的核心，系統(tǒng)上電后，首先進行初始化，系統(tǒng)開始正常運轉(zhuǎn)后，再進行溫、濕度的監(jiān)測與處理等操作。

3.2 上位機軟件設計

系統(tǒng)上位機能完成的功能有顯示串口號，提示串口是否已被成功打開；同時，上位機能夠與下位機同步顯示溫度，而且能夠?qū)崟r曲線顯示溫度；上位機能夠設置下限溫濕度和上限溫濕度，當高于上限溫濕度或低于下限溫濕度時，還能夠報警。將主機單片機的控制電路串行接口與電腦串口經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換連接后，選擇正確的通信協(xié)議，設置好波特率，即可進行通信。圖7所示是上位機操作界面圖。

圖7 上位機操作界面

上位機軟件可在PC機上通過VC6.0編寫，主要是對MSComm控件及CserialPort類進行操作。

首先是串口設置。本系統(tǒng)利用的是CSERIALPORT類中的初始化函數(shù)InitPort （this,nport,nbtl,'N',8,1,m_dwCommEvents,512）。其巾nport為串口號，nbtl為波特率，可利用串口設置對話框中的串口號和波特率兩個組合框分別得到初始化函數(shù)中的nport和nbtl.

其次是對溫濕度上下限的設置。可利用CSERIALPORT類中的啟動串口監(jiān)測進程函數(shù)Start Monitoring、發(fā)送字符串函數(shù)WriteToPort以及關(guān)閉串口進程StopMonitoring來進行溫度上下限的設置，其信息通過這些函數(shù)發(fā)送到串口，單片機從RS232上收到數(shù)據(jù)后，與自身的溫度相比較，再進行相應的處理。

第三是曲線顯示。動態(tài)曲線顯示可利用CHistogram類中的SetRange（200,400），SetPos（temp）函數(shù)，SetRange設置上下極限值，SetPos是在圖上顯示相應的數(shù)據(jù)點，temp是從單片機傳來的溫濕度數(shù)據(jù)的處理結(jié)果，具體的移動曲線可由CHistogram類中函數(shù)實現(xiàn)。

4 結(jié)論

經(jīng)測試，在發(fā)射接收模塊沒加天線的情況下，無線發(fā)射接收模塊在大多數(shù)情況下的數(shù)據(jù)傳輸距離在200 m左右，發(fā)射頭發(fā)射功率、接收頭接收靈敏度等因素可能會影響傳輸距離，若外加天線，則會大大增加傳輸距離。另外，在調(diào)試過程中，振蕩電阻必須匹配，否則接收距離會變短甚至無法接收。

本系統(tǒng)的數(shù)字信號由單片機采樣，基于DHT11的數(shù)字溫濕度傳感器構(gòu)成的實時監(jiān)控系統(tǒng)具有精度高、抗干擾能力強、電路簡單等諸多優(yōu)點。然后利用單片機與PC機的通信可將數(shù)據(jù)送到PC機進行數(shù)據(jù)的存儲、后期處理與顯示。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理功能強大、顯示直觀、界面友好、性價比高，可廣泛應用于工業(yè)控制、儀器、儀表、農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖及智能家居等諸多領域。