摘 要:無線通信技術(shù)不斷進(jìn)步，低功耗、體積小的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)成為無線通信技術(shù)的一個重要發(fā)展方向。在此介紹一種以ATmega128L單片機(jī)為控制核心，基于無線收發(fā)芯片CC1100的通信模塊系統(tǒng)。對其工作原理和工作方式進(jìn)行分析，給出設(shè)計思路和硬件電路，并重點(diǎn)闡述通信模塊的接口實現(xiàn)過程。

關(guān)鍵詞:無線通信;數(shù)據(jù)采集;射頻芯片;溫濕度傳感器

中圖分類號:TP393文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B

文章編號:1004-373X(2010)02-166-03

Design of Wireless Humidity Temperature Data Collection System

YUE Pengxia

(Shaanxi Post and Telecommunication College，Xianyang，712000，China)

Abstract:The wireless communication technology unceasingly make progresses，the low power and small size wireless data collection system become an important aspect of wireless communication.A wireless data collection system based on ATmega128L and CC1100 is introduced.The design of hardware software is given，the work principle of this system is analysed.The RF module is introduced emphatically.

Keywords:wireless communication;data collection;RF chip;humidity temperature sensor

溫濕度的測量在倉儲管理、生產(chǎn)制造、科學(xué)研究以及日常生活中被廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的溫濕度測量采用有線測控系統(tǒng)，需要實施網(wǎng)絡(luò)布線工程，鋪設(shè)光纖或者電纜，大大增加了系統(tǒng)成本，降低了系統(tǒng)的靈活性、可維護(hù)性與可擴(kuò)展性。把無線通信技術(shù)應(yīng)用到溫濕度測量系統(tǒng)中，由傳感器實時采集各節(jié)點(diǎn)處溫濕度的信息，經(jīng)處理后通過無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將溫濕度信息傳輸?shù)奖O(jiān)控終端，從而實現(xiàn)集成化、低成本和易操作的目的。目前，這種微功率短距離無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)在工業(yè)、民用等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

1 無線溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

微功率短距離無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)作為一種無線通信實用技術(shù)，一般使用單片射頻收發(fā)芯片，加上微控制器和少量外圍器件構(gòu)成專用或通用無線通信模塊，采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。只要依據(jù)命令字進(jìn)行操作即可實現(xiàn)基本的數(shù)據(jù)無線傳輸功能。

2 系統(tǒng)硬件研制

該系統(tǒng)選擇支持省電工作模式的ATmega128L單片機(jī)作為處理器，CC1100作為射頻模塊，數(shù)字溫濕度傳感器SHT11作為數(shù)據(jù)采集模塊;使用8 MHz，26 MHz和32 768 Hz三種不同的晶振以滿足處理器模塊和射頻模塊的使用需要;采用兩節(jié)5號高能電池供電。

圖1 無線溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 處理器單元

ATmega128L單片機(jī)[1，2]是基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位低功耗CMOS微處理器，由于其先進(jìn)的指令集以及單周期指令執(zhí)行時間，ATmega128L的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS/MHz，可以減緩系統(tǒng)功耗和處理速度之間的矛盾，并且具有比較豐富的內(nèi)部資源和外部接口，可以較好的滿足傳感器節(jié)點(diǎn)對處理器模塊的要求。另外，在電源管理方面，ATmega128L設(shè)計了六種不同的睡眠模式，特別適合有能量限制的應(yīng)用。

2.2 射頻收發(fā)單元

無線通信模塊選用 CHIPCON公司專門為低功耗無線通信設(shè)計的CC1100芯片[3]。該芯片體積小，功耗低，數(shù)據(jù)速率支持1.2~500 Kb/s的可編程控制，可以工作在915 MHz，868 MHz，433 MHz，315 MHz四個波段，在所有頻段提供-30~+10 dBm輸出功率。CC1100的RF收發(fā)器集成了支持不同調(diào)制格式的調(diào)制解調(diào)器，并且為數(shù)據(jù)包處理、數(shù)據(jù)緩沖、突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸、清晰信道評估、連接質(zhì)量指示和電磁波激活提供廣泛的硬件支持，使其更加適用于無線環(huán)境惡劣的地方。這里CC1100工作在433 MHz的頻率上，采用FSK調(diào)制方式，數(shù)據(jù)速率為250 Kb/s，信道間隔為200 kHz。

如圖2所示，CC1100通過4線SPI兼容接口(SI，SO，SCLK和CSn)配置，這個接口同時用作寫和讀緩存數(shù)據(jù)。SPI接口是一種同步串行通信接口，CSn是芯片選擇管腳，當(dāng)該管腳為低電平時，SPI接口可以通信，反之不能通信。SI和SO為數(shù)字傳輸管腳，SI用于數(shù)據(jù)輸入，SO用于數(shù)據(jù)輸出。SCLK為同步時鐘，在時鐘的上升沿或下降沿數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)被寫入或讀出。

圖2 CC1100與ATmega128L應(yīng)用電路連接圖

2.3 數(shù)據(jù)采集單元

設(shè)計中采用了瑞士Sensirion 公司生產(chǎn)的具有I2C總線接口的數(shù)字溫濕度傳感器SHT11[4]。SHT11溫濕度傳感器是高度集成的芯片，提供全量程標(biāo)定的數(shù)字輸出。通過該傳感器對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)溫度和濕度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作，具有極高的安全性、可靠性和長期穩(wěn)定性。

SHT11包括一個電容性聚合體濕敏元件和一個用能隙材料制成的溫敏元件，這兩個敏感元件與一個14位的A/D 轉(zhuǎn)換器以及一個串行接口電路設(shè)計在同一個芯片上面。SHT11的供電電壓為2.4～5.5 V，能夠直接提供溫度在-40～+120 ℃ 范圍內(nèi)、濕度在0～100%RH 范圍內(nèi)的數(shù)字輸出，在溫度為25℃時測溫精度為±0.4 ℃，測濕精度為±3.0%RH，其封裝形式采用了SMD(LCC)貼片封裝。由于其具有數(shù)字式輸出、免調(diào)試、免標(biāo)定、一致性好的特點(diǎn)，非常適合于單片機(jī)溫濕度測量與控制系統(tǒng)。SHT11溫濕度傳感器典型應(yīng)用電路如圖3所示。

3 系統(tǒng)軟件研制

3.1 總體流程圖

軟件采用模塊化程序設(shè)計方法，總體流程圖如圖4所示。

圖3 SHT11溫濕度傳感器典型應(yīng)用電路

3.2 射頻收發(fā)芯片CC1100驅(qū)動程序

CC1100提供了一個4線SPI接口(SI，SO，SCLK和CSn)與微處理器連接[3]，通過這個接口完成設(shè)置和收發(fā)數(shù)據(jù)兩方面的任務(wù)。這些接口可以同時用作寫和讀緩存數(shù)據(jù)。SPI接口上所有的地址和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換被最先在重要的位上處理。SPI接口上的所有處理都包含一個讀/寫位，一個突發(fā)訪問位和一個6位地址的頭字節(jié)一起作用。

地址和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時，CSn引腳(低電平有效)必須保持低電平。如果在轉(zhuǎn)換過程中CSn 變?yōu)楦唠娖?，則轉(zhuǎn)換取消。當(dāng)CSn變低，在開始轉(zhuǎn)換頭字節(jié)之前，MCU必須一直等待，直到SO引腳變低。SO變低表明電壓調(diào)制器已達(dá)到穩(wěn)定，晶體正在工作中。除非器件處在SLEEP 或XOFF狀態(tài)，SO引腳在CSn變低之后總會立即變低\\。

圖4 總體流程圖

圖5 數(shù)據(jù)發(fā)送過程

(1) 往CC1100指定寄存器寫入一個數(shù)值

void SPIWriteReg(unsigned char addr，unsigned char data){

SPIEnable();//CS置低，SPI口可以寫入數(shù)據(jù)

while (SPI_PxINSPI_SOMI);//等待CC1100準(zhǔn)備

SPIPut(addr);//SPI輸入要寫的寄存器地址

SPIPut(data);//SPI輸入要寫的數(shù)據(jù)

SPIDisable();//CS置高，SPI口不能使用

}

(2) 讀單個寄存器值

unsigned char SPIReadReg(unsigned char addr){

unsigned char value ;

SPIEnable();//啟用SPI

while(SPI_PxINSPI_SOMI);//等待CC1100準(zhǔn)備

SPIPut(addr|CC1100_READ_SINGLE);//寫入寄存器地址

value = SPIGet();//讀出寄存器值

SPIDisable();//禁用SPI

return value;//返回寄存器值

}

圖5和圖6為利用CC1100進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)的流程圖。

圖6 數(shù)據(jù)接收過程

4 結(jié) 語

由ATmega128L單片機(jī)和CC1100構(gòu)成的無線溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以實現(xiàn)低功耗近距離的無線數(shù)據(jù)傳輸，具有成本低、通用性強(qiáng)、可擴(kuò)展性強(qiáng)、操作靈活簡單的特點(diǎn)，可以應(yīng)用在各種無線遙測系統(tǒng)中。

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