陳東陽，司永杰，＊＊，艾樹峰，靳敬磊，司永光

(1.石家莊鐵道大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，石家莊050043;2.浙江傳媒學(xué)院，杭州310018;3.河北省疾病預(yù)防控制中心，石家莊050021)

1 引言

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、生活和科研中?；趥鹘y(tǒng)有線傳輸方式的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)在于傳輸質(zhì)量比較可靠，實(shí)時(shí)性比較好，但是這種系統(tǒng)架設(shè)有線網(wǎng)絡(luò)的一次性投資較大，硬件改造及擴(kuò)展都不方便，系統(tǒng)的安裝成本高，人工維護(hù)量大[1]，且很難對移動的被測對象進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，因此有線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用范圍受到了很大程度的制約。近年來，無線數(shù)據(jù)采集方式越來越被人們所接受，并且它代表著工業(yè)控制及現(xiàn)場監(jiān)測等領(lǐng)域的一個發(fā)展方向。目前使用較為廣泛的近距無線通信技術(shù)有藍(lán)牙技術(shù)(Bluetooth)、無線局域網(wǎng)802.11(Wi－Fi)和紅外數(shù)據(jù)傳輸(IrDA)技術(shù)等，可根據(jù)檢測系統(tǒng)的具體應(yīng)用環(huán)境以及成本等因素選擇不同的通信技術(shù)。然而在某些場合，上述技術(shù)并不能可靠地工作，如地鐵、鐵路邊坡監(jiān)測、橋梁監(jiān)測、箱梁內(nèi)部和隧道內(nèi)部的監(jiān)測等。

本文提出的基于nRF905的嵌入式無線多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以MSP430微控制器作為數(shù)據(jù)采集器與數(shù)據(jù)集中器的控制核心，通過nRF905無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊構(gòu)成數(shù)據(jù)傳輸鏈路，從而形成完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)的最大特點(diǎn)在于軟硬件結(jié)構(gòu)簡單、功耗低，并且可根據(jù)需要定義鏈路參數(shù)和數(shù)據(jù)傳輸控制算法。如果有必要，還可采用跳頻算法，因此具有良好的適應(yīng)性。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 總體結(jié)構(gòu)

如圖1所示，系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)集中器和若干個數(shù)據(jù)采集器構(gòu)成，數(shù)據(jù)集中器和數(shù)據(jù)采集器內(nèi)部都帶有nRF905無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊。數(shù)據(jù)采集器對被測對象的參數(shù)(如電壓、電流、壓強(qiáng)、溫度等)進(jìn)行采集，將采集所得信號以無線的方式發(fā)送到數(shù)據(jù)集中器，數(shù)據(jù)集中器通過RS485通信接口與上位機(jī)之間進(jìn)行現(xiàn)場通信，由上位機(jī)對所得各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行分析處理以判斷被監(jiān)測對象的狀態(tài)。相應(yīng)地，數(shù)據(jù)集中器也可把上位機(jī)下發(fā)的命令傳送至數(shù)據(jù)采集器。由于數(shù)據(jù)集中器與數(shù)據(jù)采集器之間的通信是一點(diǎn)對多點(diǎn)的無線通信，所以在數(shù)據(jù)采集器初始化時(shí)需通過單片機(jī)賦予每個nRF905不同的地址。一個數(shù)據(jù)集中器理論上可與許多個數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行通信，但為使通信更穩(wěn)定可靠，在實(shí)際設(shè)計(jì)中限制每個數(shù)據(jù)集中器與不超過20個數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行通信。

圖1 總體結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of system architecture

2.2 數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集器如圖2所示，其核心部分是MSP430微控制器、nRF905無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊和數(shù)據(jù)采集電路。MSP430系列微控制器是目前應(yīng)用極為廣泛的超低功耗單片機(jī)[2]。本文出于采集、通信控制的需求，選擇含有8路A/D、2 KB內(nèi)存、62 KB程序存儲器的MSP430F149作為主控芯片。

nRF905是挪威NordicVLSI公司推出的單片射頻收發(fā)器。根據(jù)資料，nRF905提供了強(qiáng)大的跳頻機(jī)制以及大量的頻道支持，即使利用無增益的PCB天線，其傳輸距離也可達(dá)200 m，能夠滿足中等距離數(shù)據(jù)通信的要求[3]。

圖2 數(shù)據(jù)采集器Fig.2 Data acquisition module

2.2.1 數(shù)據(jù)采集電路

數(shù)據(jù)采集電路包括電壓、電流、壓力、位移、應(yīng)力以及溫度采集電路。因?yàn)镸SP430F149具有8路A/D通道，所以理論上可同時(shí)采集8路模擬量。不過為防止干擾，我們只使用了4路，并且間隔使用，將不用的A/D通道引腳全部接地。

為進(jìn)一步降低功耗，電路設(shè)計(jì)中應(yīng)注意:A/D參考電源、轉(zhuǎn)換時(shí)鐘不使用CPU內(nèi)部電路提供。

2.2.2 nRF905 的數(shù)據(jù)傳輸控制

MSP430用標(biāo)準(zhǔn)SPI口與nRF905進(jìn)行通信，SPI(Serial Peripheral Interface)是一種高速、全雙工、同步的串行通信協(xié)議，工作在3線模式下。nRF905一旦配置完成便不再需要CPU干預(yù)，只需將待發(fā)送數(shù)據(jù)提交給nRF905，它就會自動打包發(fā)送。當(dāng)有數(shù)據(jù)到來時(shí)，nRF905會自動喚醒CPU。

nRF905有兩種工作模式和兩種節(jié)能模式。兩種工作模式分別是接收模式和發(fā)送模式，兩種節(jié)能模式分別是關(guān)機(jī)模式和空閑模式。最初我們采用單一nRF905模塊構(gòu)成上、下行通信鏈路，通過TRX_CE、TX_EN和PWR_UP 3個引腳改變其工作模式來實(shí)現(xiàn)半雙工通信。但工作模式的轉(zhuǎn)換需要時(shí)間，且采集器的數(shù)據(jù)采集及處理時(shí)間不確定，因而造成鏈路控制算法復(fù)雜，甚至無法可靠工作。為此，我們采用兩塊nRF905模塊構(gòu)成上、下行通信鏈路，使鏈路控制變得簡單。

2.3 數(shù)據(jù)集中器設(shè)計(jì)

我們在工作現(xiàn)場對nRF905無線通信模塊進(jìn)行了測試，由于散射波的干擾，實(shí)際傳輸距離只有60～80 m，并不能達(dá)到我們所需的150～200 m的傳輸距離要求。為此，我們專門設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)集中器，利用集中器將原來將近200 m的長度劃為3個區(qū)域，每個區(qū)域由一個集中器和若干采集器構(gòu)成一個無線主－從數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)，相鄰網(wǎng)絡(luò)使用不同的頻點(diǎn)以避免相互干擾[4]。

數(shù)據(jù)集中器主要由MSP430F149單片機(jī)處理單元、nRF905無線通信模塊、RS485通信接口和電源模塊組成。由于RS232的通信距離太短不能滿足要求，故數(shù)據(jù)集中器通過標(biāo)準(zhǔn)的RS485接口與PC機(jī)進(jìn)行通信，在 PC機(jī)處還需連接一個 RS485/RS232轉(zhuǎn)換器。數(shù)據(jù)集中器與數(shù)據(jù)采集器之間通過nRF905實(shí)現(xiàn)無線通信。數(shù)據(jù)集中器的主要結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)集中器示意圖Fig.3 Schematic diagram of data concentrator

3 軟件設(shè)計(jì)

編譯環(huán)境采用 IAR Embedded Workbench for MSP430，該軟件支持匯編語言、C語言、匯編語言和C語言混合進(jìn)行編程，可進(jìn)行軟件、硬件仿真，也可進(jìn)行單步、連續(xù)、斷點(diǎn)調(diào)試。為方便程序調(diào)試，縮短開發(fā)周期，提高程序的可移植性，采用了模塊化設(shè)計(jì)的方法。軟件由主程序和各個功能子模塊組成，此處重點(diǎn)介紹主程序和nRF905數(shù)據(jù)收發(fā)程序。

3.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序設(shè)計(jì)包括數(shù)據(jù)集中器和數(shù)據(jù)采集器兩部分。數(shù)據(jù)集中器的主程序較簡單，通過RS485口接收上位機(jī)指令，根據(jù)指令與相應(yīng)采集器通信，將采集器中的數(shù)據(jù)保存在緩沖區(qū)中，并上傳到上位機(jī)。

數(shù)據(jù)采集器的主程序流程如圖4所示。系統(tǒng)初始化包括設(shè)置本機(jī)地址、AD初始化、nRF905初始化、IIC總線初始化和PCF8583初始化。初始化完成后開AD總中斷，開始采集數(shù)據(jù)。采集完成后對得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后保存到緩沖區(qū)模塊。在主循環(huán)周期內(nèi)對nRF905模塊進(jìn)行查詢，若數(shù)據(jù)集中器有數(shù)據(jù)請求，則本機(jī)生成數(shù)據(jù)幀，通過發(fā)送模塊將其上傳至數(shù)據(jù)集中器。

圖4 數(shù)據(jù)采集器主程序流程圖Fig.4 Main program flowchart of data collector

3.2 nRF905數(shù)據(jù)接收程序

初始化之后nRF905的配置頻段在430 MHz左右，輸出功率為10 dB，地址寬度為4 B，8位CRC校驗(yàn)，TRX_CE=1，TX_EN=0。啟動接收數(shù)據(jù)后，nRF905不斷進(jìn)行載波檢測，當(dāng)檢測到同一頻段的載波時(shí)，載波檢測引腳被置高(CD=1)，開始接收數(shù)據(jù)。一個正確的數(shù)據(jù)包接收完畢后，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好引腳DR置高，然后MSP430單片機(jī)把TRX_CE引腳置低，讀nRF905接收到的數(shù)據(jù)，并將所得數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲[5]。數(shù)據(jù)接收流程圖如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)接收流程圖Fig.5 Data reception flowchart

3.3 nRF905數(shù)據(jù)發(fā)送程序

數(shù)據(jù)采集器與數(shù)據(jù)集中器的發(fā)送程序有所不同，每個主－從網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的采集器均向相同的數(shù)據(jù)集中器發(fā)送數(shù)據(jù)，因而它們有相同的發(fā)送地址。而數(shù)據(jù)集中器要向不同的數(shù)據(jù)采集器發(fā)送數(shù)據(jù)，所以每次發(fā)送地址是不同的。發(fā)送模塊和接收模塊的配置基本相同，即輸出功率為10 dB，地址寬度為4 B，8位CRC校驗(yàn)，但是發(fā)送模塊的工作頻點(diǎn)與接收模塊的工作頻點(diǎn)要錯開。

數(shù)據(jù)采集器初始化之后，當(dāng)數(shù)據(jù)采集模塊有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時(shí)，通過SPI接口按時(shí)序把待發(fā)數(shù)據(jù)及其地址傳送給nRF905，然后微控制器把nRF905的工作模式設(shè)置為發(fā)送模式[6]。數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖Fig.6 Data transmission flowchart

3.4 鏈路控制方案設(shè)計(jì)

由于nRF905模塊工作在開放頻段，突發(fā)干擾難以避免，為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕ǔ２捎妹嫦蜻B接的傳輸模式，即發(fā)送請求或數(shù)據(jù)后必須要求有回應(yīng)，以確保數(shù)據(jù)的正確傳輸。一旦在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)未收到回應(yīng)，則需要重發(fā)。為此，我們在數(shù)據(jù)幀中定義了數(shù)據(jù)幀標(biāo)識字段，每一個通信周期的數(shù)據(jù)幀擁有相同的標(biāo)識，不同周期標(biāo)識不同，從而避免了重復(fù)數(shù)據(jù)或重復(fù)動作。等待響應(yīng)的時(shí)間根據(jù)采集器的采集周期確定，通常設(shè)為5～10 ms。重發(fā)次數(shù)一般限定為3～5次，超過該次數(shù)即報(bào)通信失敗。

4 實(shí)際應(yīng)用中面臨的問題及應(yīng)對方案

盡管nRF905和MSP430具有較強(qiáng)的抗干擾能力，但在實(shí)際應(yīng)用中為保證系統(tǒng)的可靠性還應(yīng)注意以下問題:

(1)由于無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)對電磁環(huán)境極為敏感，因此在使用該系統(tǒng)之前應(yīng)對應(yīng)用現(xiàn)場進(jìn)行相關(guān)測試，將取得的相關(guān)參數(shù)作為無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)收發(fā)模塊選型以及工作頻段、頻點(diǎn)及工作模式設(shè)計(jì)的依據(jù);

(2)根據(jù)現(xiàn)場的空間結(jié)構(gòu)對無線電波的影響，適當(dāng)調(diào)整發(fā)射功率和接收靈敏度(減少散射波影響)以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?

(3)盡量減少數(shù)據(jù)幀的長度，降低被干擾的可能性。nRF905模塊最大數(shù)據(jù)幀長度為32 B，實(shí)際應(yīng)用時(shí)盡量不超過16 B;

(4)為進(jìn)一步降低數(shù)據(jù)采集器的功耗，用于發(fā)送數(shù)據(jù)的nRF905模塊完成數(shù)據(jù)發(fā)送后應(yīng)立即關(guān)閉(關(guān)機(jī)模式);MSP430完成數(shù)據(jù)采集和發(fā)送周期后也應(yīng)立即轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài);

(5)上、下行頻點(diǎn)應(yīng)至少相差300 kHz。

5 結(jié)論

數(shù)據(jù)傳輸可簡單地分為有線傳輸和無線傳輸，相比較而言，用無線數(shù)據(jù)傳輸模塊建立的專用無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)具有成本低廉、可移動性強(qiáng)和易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。由于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)多用于工業(yè)現(xiàn)場，環(huán)境惡劣，本系統(tǒng)通過設(shè)置合理的通信參數(shù)，運(yùn)用科學(xué)的鏈路控制算法可有效滿足數(shù)據(jù)采集和通信要求。由數(shù)據(jù)集中器和若干數(shù)據(jù)采集器構(gòu)成的無線主－從數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)，易于調(diào)整、均衡各采集器的通信距離，應(yīng)用于狹窄的場合(如隧道、封閉長廊等)時(shí)可減少散射波的干擾，大大提高系統(tǒng)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

[1]高靜，黃紹明.基于PROFIBUS－DP的環(huán)境參數(shù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].電訊技術(shù)，2011，51(2):80 －84.GAO Jing，HUANG Shao － ming.Design and Application of Environment Parameter Acquisition System Based on PROFIBUS － DP[J].Telecommunication Engineering，2011，51(2):80 －84.(in Chinese)

[2]張福才.MSP430單片機(jī)自學(xué)筆記[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2011.ZHANG Fu－cai.Study Notes of MSP430 MCU[M].Beijing:Beihang University Press，2011.(in Chinese)

[3]寧運(yùn)琨，熊顯明，趙國如.基于nRF905和MSP430的慣性傳感器無線數(shù)傳系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2013，32(5):138 －141.NING Yun －kun，XIONG Xian －ming，ZHAO Guo －ru.Design of wireless data－transfer system for inertial sensor based on nRF905 and MSP430[J].Transducer and Micr-osystem Technologies，2013，32(5):138 －141.(in Chinese)

[4]李靜，黃崢.無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2010，31(2):178 －182.LI Jing，HUANG Zheng.Design of Wireless Data Acquiring System[J].Journal of North University of China(Natural Science Edition)，2010，31(2):178 －182.(in Chinese)

[5]李增祥，李田澤，巨同升.基于MSP430的土壤溫度檢測系統(tǒng)[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，49(9):2241 －2242.LI Zeng－xiang，LI Tian － ze，JU Tong － sheng.Development of A Soil Temperature Monitor System Based on MSP430[J].Hubei Agricultural Sciences，2010，49(9):2241 －2242.(in Chinese)

[6]邢唱白.淺談基于MSP430和nRF905的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)[J].科技信息，2012(23):47－49.XING Chang － bai.Discussion about The Design of Wireless Sensor Network Based on MSP430 and nRF905[J].Science＆Technology Information，2012，51(2):47 － 49.(in Chinese).