摘 要： 針對傳統(tǒng)有線數(shù)據(jù)采集技術(shù)存在的可移動性差，電線鋪設(shè)受環(huán)境影響大等問題，運用短距離無線通信技術(shù)，采用挪威 Nordic 公司的單片射頻發(fā)射器nRF905設(shè)計出了一個自動氣象站系統(tǒng)，采集濕度、壓強、溫度、光照等氣象站數(shù)據(jù)。通過nRF905芯片，將采集而來的數(shù)據(jù)經(jīng)無線通信信道傳輸至接收端并用LCD12864液晶顯示器顯示出來。nRF905芯片工作電壓為1.9～3.6 V，工作于433 MHz/868 MHz/915 MHz 三個ISM頻道（全球免費波段），芯片功耗非常低。此系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于無線數(shù)據(jù)采集、環(huán)境監(jiān)測等場合，有很好的靈活性和良好的實時性。

關(guān)鍵詞： nRF905； 短距離； 無線傳輸； 12864液晶屏

中圖分類號： TN925?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）01?0050?04

0 引 言

20世紀90年代以來，無人值守氣象站數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)在歐美及亞洲各發(fā)達國家得到了迅猛發(fā)展，紛紛建立起業(yè)務(wù)性自動觀測網(wǎng)，且基于衛(wèi)星和GSM的通信模式實現(xiàn)了遙測自動化。并且能源多由綠色能源如太陽能、風(fēng)力、水力等等提供。

我國無線多節(jié)點環(huán)境監(jiān)測站研制工作開始于20世紀60年代，自1995年以來我國地面環(huán)境數(shù)據(jù)觀測網(wǎng)的觀測站已先后建成多套各種類型和型號的自動氣象站。

目前，國內(nèi)也有無線的無人值守氣象站數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)站，但存在許多不足之處，主要存在四大主要缺陷：

（1） 無線傳輸采用短信的方式，這樣對于多站點，多時次的信息需求來說，經(jīng)濟代價太大；

（2） 采集的數(shù)據(jù)存于介質(zhì)（活動存盤），需人員定時去取，影響信息的實時性，也帶來許多人力財力的投入；

（3） 國內(nèi)多節(jié)點環(huán)境監(jiān)測站的供電多由化石能源提供，污染環(huán)境并且容易導(dǎo)致化石能源的匱乏。

（4） 國內(nèi)環(huán)境監(jiān)測站的數(shù)據(jù)傳輸抗干擾能力差，數(shù)據(jù)傳輸距離短，數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建不合理，并且容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟失，查找困難等問題。

總之，國內(nèi)的無人值守氣象站數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)存在很多的不足，因此，還有很多的需要改進的部分。

本課題利用無線傳輸模塊，將環(huán)境數(shù)據(jù)采集到接收終端。再利用編寫的軟件應(yīng)用程序采集、傳輸和顯示環(huán)境信息，達到了多節(jié)點環(huán)境監(jiān)測站環(huán)境信息采集、傳輸和顯示的作用。

1 硬件設(shè)計

硬件發(fā)射和接收部分都以單片機、最小系統(tǒng)為數(shù)據(jù)處理的核心單元。發(fā)射部分的溫度傳感器直接輸出數(shù)字信號，濕度、光照、壓力傳感器采集輸出的模擬信號通過PCF8591轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，這些數(shù)字信號經(jīng)單片機處理后通過nRF905發(fā)射模塊發(fā)出信號。接收部分對應(yīng)的nRF905又將接收的信號送入單片機處理后顯示在顯示器上。其系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

圖1 無人值守氣象站數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件框圖

2 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計對應(yīng)于硬件部分有發(fā)送和接收兩部分。發(fā)送部分首先將無線發(fā)送模塊初始化，然后從單片機獲取相關(guān)數(shù)據(jù)并在監(jiān)聽信道空閑時將數(shù)據(jù)發(fā)出，然后返回重復(fù)此過程。接收模塊主要負責處理并顯示數(shù)據(jù)參數(shù)，初始化相關(guān)模塊單元后獲取單片機接收的數(shù)據(jù)，處理并實時顯示在LCD屏上，然后監(jiān)聽信道準備獲取顯示下一組數(shù)據(jù)并返回。其流程圖如圖2所示。

圖2 無人值守氣象站數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件流程圖

3 系統(tǒng)簡介

3.1 系統(tǒng)方案與功能指標

該系統(tǒng)主要采用達盛科技EXP?89S51/52/53單片機CPU板（EXP?KEIL C51 V1.0）與EXP?III通用板配合以及nRF905無線模塊完成各種應(yīng)用電路擴展。系統(tǒng)分兩個部分：發(fā)射部分功能是采用相應(yīng)的傳感器模塊采集多路物理信號，通過放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換，輸出能被單片機所識別的數(shù)字信號，進而使用單片機控制無線發(fā)射模塊將采集而來的數(shù)據(jù)發(fā)射出去，接收部分通過無線接收模塊將數(shù)據(jù)讀入單片機，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后將多路數(shù)據(jù)參數(shù)在LCD屏中實時顯示，具體有以下的功能指標：可同時采集多路物理信號并保證各信號之間的同步關(guān)系，互不影響；系統(tǒng)具有較強的軟、硬件支持，可靠性好，使用方便；具有最佳的設(shè)計方案，系統(tǒng)的軟件應(yīng)用程序可讀性、擴展性強；本系統(tǒng)發(fā)射部分可同時采集4路物理信號，并將數(shù)據(jù)通過無線信道傳輸，傳輸距離在200 m以上；接收部分通過液晶LCD顯示的實際溫度、濕度、壓力值準確度較高；系統(tǒng)由太陽能和風(fēng)能提供電力，非常環(huán)保；系統(tǒng)功耗非常低，且具有兩種工作模式：待機模式和工作模式，更節(jié)能；系統(tǒng)可以實現(xiàn)多節(jié)點測量，因此更加方便，系統(tǒng)具有存儲器可以將采集而來的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，方便提??；系統(tǒng)的多節(jié)點通信設(shè)置了載波監(jiān)聽，因此不用擔心數(shù)據(jù)傳輸沖突，數(shù)據(jù)傳輸交換安全無憂。

3.2 實現(xiàn)原理

采用可編程智能單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20進行4路溫度信號采集，DSl8B20的全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成電路內(nèi)，測量結(jié)果可在1 s（典型值）內(nèi)把溫度變換成數(shù)字，不需要任何外圍元件，接線方便，其測量精度可控。

壓力信號采集通過達盛科技產(chǎn)品壓力、溫度傳感器模塊LGDS內(nèi)MPX53硅壓力傳感器完成，采集數(shù)據(jù)通過A/D轉(zhuǎn)換輸送到單片機，通過單片機控制其在LCD屏中顯示。

濕度信號采集通過達盛科技產(chǎn)品壓力、溫度傳感器模塊LGDS內(nèi)濕敏電阻傳感器完成，采集數(shù)據(jù)通過A/D轉(zhuǎn)換輸送到單片機，通過單片機控制其在LCD屏中顯示。

模數(shù)轉(zhuǎn)換電路中采用PCF8591模數(shù)轉(zhuǎn)換器完成前一級硬件電路采集的壓力、濕度兩路物理信號的處理，將信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸入單片機控制電路。

單片機STC90C516控制電路接收已轉(zhuǎn)換物理信號，并通過預(yù)先編寫的源代碼程序完成對各參數(shù)的控制并將數(shù)據(jù)通過無線信道傳輸。

顯示電路將系統(tǒng)接收部分接收而來的多路參數(shù)經(jīng)處理后在中文圖形液晶模塊12864實時顯示，顯示結(jié)果靈活、直觀。

3.3 關(guān)鍵電路介紹

3.3.1 A/D轉(zhuǎn)換電路

A/D轉(zhuǎn)換電路采用PCF8591芯片，PCF8591是一個單片集成、單獨供電、低功耗、8 b CMOS數(shù)據(jù)獲取器件。PCF8591具有4個模擬輸入、1個模擬輸出和1個串行I2C總線接口。PCF8591的3個地址引腳A0， A1和A2可用于硬件地址編程，允許在同個I2C總線上接入8個PCF8591器件，而無需額外的硬件。在PCF8591器件上輸入輸出的地址、控制和數(shù)據(jù)信號都是通過雙線雙向I2C總線以串行的方式進行傳輸。PCF8591的功能包括多路模擬輸入、內(nèi)置跟蹤保持、8 b模數(shù)轉(zhuǎn)換和8 b數(shù)模轉(zhuǎn)換。PCF8591的最大轉(zhuǎn)化速率由I2C總線的最大速率決定。

I2C總線寫數(shù)據(jù)通信過程如下：

（1） 在檢測到總線空閑的條件下，主控首先發(fā)送一個START信號以控制總線；

（2） 主控發(fā)送一個地址字節(jié)；

（3） 當被控器件識別到主控發(fā)送的地址字節(jié)與自己的地址相同時，被控器件發(fā)送一個應(yīng)答信號（ACK）給主控；

（4） 在收到ACK后，主控發(fā)送第一個數(shù)據(jù)字節(jié)；

（5） 被控器件收到主控發(fā)出的數(shù)據(jù)字節(jié)后發(fā)送一個ACK表示可以繼續(xù)傳送數(shù)據(jù)，若發(fā)送NACK則表示數(shù)據(jù)傳送結(jié)束；

（6） 在主控發(fā)送全部數(shù)據(jù)完成后，將發(fā)送一個停止位STOP以結(jié)束整個通信并釋放總線。

讀數(shù)據(jù)通信過程如下：

（1） 在檢測到總線空閑的條件下，主控先發(fā)送一個START信號以控制總線；

（2） 主控發(fā)送一個地址字節(jié)；

（3） 當被控器件識別到主控發(fā)送的地址字節(jié)與自己的地址相同時，被控器件發(fā)送一個應(yīng)答信號（ACK）給主控；

（4） 在收到ACK后釋放數(shù)據(jù)總線，主控接收第一個數(shù)據(jù)字節(jié)；

（5） 被控器件收到主控發(fā)出的數(shù)據(jù)字節(jié)后發(fā)送一個ACK表示可以繼續(xù)傳送數(shù)據(jù)，若發(fā)送NACK則表示數(shù)據(jù)傳送結(jié)束；

（6） 在主控發(fā)送全部數(shù)據(jù)完成后，將發(fā)送一個停止位STOP以結(jié)束整個通信并釋放總線。

3.3.2 nRF905（無線收發(fā)）電路

發(fā)送過程如下：

（1） 當MCU要發(fā)送數(shù)據(jù)時，按時序通過SPI 接口將接收機的地址和要發(fā)送的數(shù)據(jù)傳送至nRF905，在器件配置和通信協(xié)議時確定SPI接口速率；

（2） MCU置高TX_EN和TRX_CE，觸發(fā)nRF905的Shock Burst TM發(fā)送模式；

（3） Shock Burst TM發(fā)送模式：自動開啟射頻寄存器；打包數(shù)據(jù)（加CRC校驗碼和字頭）；數(shù)據(jù)包發(fā)送；當發(fā)送完數(shù)據(jù)時，準備好數(shù)據(jù)，置高引腳。

（4） 置高AUTO_RETRAN，nRF905不斷重發(fā)，直至TRX_CE被置低；

（5） 當TRX_CE被置低時，nRF905完成發(fā)送過程，自動轉(zhuǎn)入空閑模式。

Shock Burst TM工作模式保證：一旦數(shù)據(jù)發(fā)送的過程開始，無論TX_EN和TRX_EN引腳是低或高，發(fā)送過程都將被處理完成。只有發(fā)送完前一個數(shù)據(jù)包，nRF905才會接收下一個發(fā)送數(shù)據(jù)包。

接收過程如下：

（1） 當TX_EN為低、TRX_CE為高時，nRF905將進入Shock Burst TM接收模式；

（2） 650 μs后，nRF905將不斷進行監(jiān)測，等待著接收數(shù)據(jù)；

（3） 當nRF905檢測到某載波處于同一頻段時，載波檢測引腳將會被置高；

（4） 當nRF905接收到一個匹配的地址時，地址匹配引腳將會被置高；

（5） 當一個正確數(shù)據(jù)包被接收完畢時，nRF905將自動移去其CRC校驗位、字頭和地址，且置高數(shù)據(jù)準備好引腳；

（6） MCU置低TRX_CE，nRF905將進入空閑模式；

（7） MCU以一定的速率通過SPI口將數(shù)據(jù)移至MCU內(nèi)；

（8） 當接收完所有的數(shù)據(jù)時，nRF905把地址匹配引腳和數(shù)據(jù)準備好引腳置低；

（9） 此時nRF905可進入Shock Burst TM發(fā)送模式、Shock Burst TM接收模式或關(guān)機模式。

正在接收數(shù)據(jù)包時，若TX_EN或TRX_CE引腳的狀態(tài)發(fā)生改變，nRF905將立即改變其工作模式，數(shù)據(jù)包將會丟失。當接到地址匹配引腳的信號之后，MCU就識別出nRF905正在接收數(shù)據(jù)包，MCU可以決定是讓nRF905進入另一個工作模式還是繼續(xù)接收該數(shù)據(jù)包。

SPI是環(huán)形總線結(jié)構(gòu)，其時序主要是在SCK的控制下，兩個雙向移位寄存器之間進行數(shù)據(jù)交換。SPI數(shù)據(jù)傳輸至少需要4根線，3根實際上也可以。這也是所有SPI設(shè)備所共有的，它們是SC（時鐘），SDO（數(shù)據(jù)輸出），SDI（數(shù)據(jù)輸入），CS（片選）。其中CS是控制是否被選中芯片的，也就是說只有預(yù)先規(guī)定的使能信號為片選信號時，對芯片的操作才會有效。這就使得將多個SPI設(shè)備連接在同一總線上成為可能。SPI方式下，數(shù)據(jù)的傳輸是一位一位的進行的。這就是存在SCK時鐘線的原因，SCK負責提供時鐘脈沖， SDO，SDI則在此脈沖的條件下完成數(shù)據(jù)的傳輸。通過SDO線實現(xiàn)數(shù)據(jù)輸出，數(shù)據(jù)在時鐘下沿或上沿時改變，在緊接的上沿或下沿被讀取。完成一位的數(shù)據(jù)傳輸，輸入也運用同樣的原理。這樣，至少8次時鐘信號的改變（下沿和上沿為一次），就可實現(xiàn)8位的數(shù)據(jù)傳輸。假設(shè)8位寄存器內(nèi)裝的是將要發(fā)送的數(shù)據(jù)01010101，上升沿發(fā)送數(shù)據(jù)、下降沿接收數(shù)據(jù)、先發(fā)送高位。那么在第一個上升沿到來時數(shù)據(jù)將會是高位數(shù)據(jù)SDO=0。下降沿來臨的時候，SDI上的電平將會被儲存到寄存器中去，這時寄存器=0010101SDI，這樣經(jīng)過8個時鐘脈沖，兩個寄存器內(nèi)的內(nèi)容將會互相交換一次即完成了一個SPI時序。

4 結(jié) 語

經(jīng)過一定時間的分析、研究、設(shè)計，本次設(shè)計課題最終實現(xiàn)了一套比較完整的通過無線方式實現(xiàn)溫度、濕度、壓力、光照的遠程采集、監(jiān)測、報警的系統(tǒng)。在明確了系統(tǒng)所要實現(xiàn)各組數(shù)據(jù)采集與無線傳輸方案的功能后，設(shè)計了系統(tǒng)的總體架構(gòu)，然后詳盡地闡述了系統(tǒng)的硬件電路結(jié)構(gòu)和完成各項功能相關(guān)的軟件設(shè)計。本系統(tǒng)是通過單片機控制無線傳輸來實現(xiàn)對周圍環(huán)境的溫度進行測量和傳輸，它是以STC89C52RC單片機為控制單元，各種傳感器為檢測器件，實現(xiàn)多組溫度數(shù)據(jù)的測量；以無線收發(fā)模塊nRF905完成數(shù)據(jù)的無線傳輸，保證了數(shù)據(jù)的安全傳輸；用LCD12864顯示器進行實時顯示，實現(xiàn)各組氣象數(shù)據(jù)的顯示。

參考文獻

[1] 劉威.基于DS18B20和nRF905的多點無線測溫系統(tǒng)[D].長春：吉林大學(xué)，2008.

[2] 張寶.基于nRF905和DS18B20的無線溫度采集系統(tǒng)設(shè)計[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2010（3）：103?105.

[3] FAROOQ Umar. A linear design of temperature detecting circuits with MCU [C]// The 2nd International Conference on Computer and Automation Engineering. Singapore： ICCAE， 2010： 592?597.

[4] 楊光松.基于nRF905的無線溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].微計算機信息，2008（22）：128?131.

[5] 謝自美.電子線路設(shè)計·實驗·測試[M].3版.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2005.

[6] 童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].4版.北京：高等教育出版社，2006.

[7] 譚浩強.C程序設(shè)計[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002.

[8] 沈紅衛(wèi).單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計實例[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

[10] 靳達.單片機應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)實例導(dǎo)航[M].北京：人民郵電出版社，2003.

[11] 金保華，張勇，崔光照.基于nRF905的無線數(shù)據(jù)多點跳傳通信系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2004（9）：39?40.