張萬江++劉曉野++孫凡

摘要：介紹了以STC12LE5A60S2單片機為控制核心，選取DHT11為溫濕度傳感器，nRF24L01為無線收發(fā)芯片的的智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。主要介紹了系統(tǒng)構成、硬件電路及軟件設計流程等幾個方面。且此系統(tǒng)功耗小、電路簡單、成本低、易于實現(xiàn)。

關鍵詞：nRF24L01 無線傳輸技術 環(huán)境監(jiān)測

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）03-0030-02

1 引言

因無線傳輸技術的先進性、優(yōu)越性及其迅猛發(fā)展，無線傳輸技術被越來越廣泛的應用于各領域中，而利用無線傳輸技術對溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)進行監(jiān)測并實時顯示的工作方式也越來越廣泛的應用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。傳統(tǒng)的有線監(jiān)測方式一般需要鋪設很長的線路，布線復雜，空間占用率大，且線路故障時排除困難。而無線數(shù)據(jù)采集方式因具有無需布線、不受空間限制、布置靈活、實時監(jiān)測性強等優(yōu)點而受到人們的青睞。

本文采用的無線傳輸技術——射頻識別技術更是一種成本低、功耗低、且易于在嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)的無線傳輸技術。所謂射頻識別技術即是一種可以通過無線電訊號識別特定目標并讀寫相關數(shù)據(jù)，而無需接觸的雙向數(shù)據(jù)通信方式。本文提出的就是一種基于nRF24L01無線射頻收發(fā)芯片的實時環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)方案

系統(tǒng)平面拓撲結(jié)構如（圖1）所示，主要由三部分組成：溫濕度采集分站、數(shù)據(jù)接收主站及監(jiān)測主站。擁有自己獨立地址的各無線溫濕度采集器分布于監(jiān)測環(huán)境的各監(jiān)測點，自動進行溫濕度數(shù)據(jù)采集。且各溫濕度傳感器以數(shù)據(jù)接收主站為中心組成無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡。數(shù)據(jù)接收主站通過識別各溫濕度采集器的地址與之通信及發(fā)送控制命令。當數(shù)據(jù)接收主機發(fā)送巡檢命令時，對應的溫濕度傳感器將采集到的信息通過傳輸模塊以無線方式傳遞給數(shù)據(jù)接收主站。數(shù)據(jù)接收主站接收到環(huán)境參數(shù)信息后通過串口通信方式將采集的溫濕度數(shù)據(jù)信息上報給監(jiān)測主站，最后計監(jiān)測主站內(nèi)部的信息管理系統(tǒng)等軟件對數(shù)據(jù)進行分析、處理并進行實時顯示。

本無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要由STC12LEC5A60S2單片機（控制核心，低功耗，工作電壓2.2～3.6V），nRF24L01無線收發(fā)芯片（用于數(shù)據(jù)無線收發(fā)，工作電壓1.9～3.6V），DHT11溫濕度傳感器（用于溫濕度數(shù)據(jù)采集，工作電壓3.3～5.5V），ASM1117穩(wěn)壓電路（為系統(tǒng)提供3.3V電源），RS232串口電路（用于傳輸數(shù)據(jù)到PC機及程序的下載調(diào)試）組成。系統(tǒng)原理框圖如（圖2）所示。

控制芯片是整個系統(tǒng)的核心，單片機的選擇對整個系統(tǒng)來說尤為重要。分析本系統(tǒng)我們選擇的單片機需要滿足以下幾點：（1）有較大數(shù)據(jù)處理容量及豐富的外部接口；（2）高數(shù)據(jù)運算率；（3）低功耗，高抗擾性及性價比；（4）便于調(diào)試和下載；結(jié)合以上幾點選擇了宏晶科技生產(chǎn)的STC12LE5A60S2單片機。它是新一代的增強型8051單片機，低功耗設計，工作電壓為2.2～3.6V，且指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051；集成有1280字節(jié)RAM；8通道，10位高速ADC，單機器周期；支持ISP/IAP，無需專用編程器及專用仿真器，可通過串口（P3.0/P3.1）直接下載用戶應用程序，且時間只需數(shù)秒。且具有通用全雙工異步串行口（UART）及高速SPI串行通信接口。對于本系統(tǒng)的設計非常適用。

3 硬件電路設計

3.1 溫濕度采集電路設計

DHT11溫濕度傳感器采用溫濕度傳感技術和數(shù)字模塊采集技術，且內(nèi)部含有已校準數(shù)字信號輸出，因此具有響應快，高抗擾性，性價比高等優(yōu)點。它主要是由一個NTC測溫元件和一個電阻式感濕元件組成。主要通過DATA引腳與高性能的8位單片機進行輸入輸出雙向傳輸，只需一根傳輸線（當傳輸線長度小于20m時，需用5kΩ電阻上拉）。且此種單線雙向串行通信方式既能傳輸數(shù)據(jù)信號又能傳輸時鐘信號，使得外圍電路設計簡單。工作電壓為3.3～5.5V。其溫濕度采集電路如（圖3）所示。

3.2 無線傳輸電路設計

nRF24L01是一款工作在2.4GHz全球開放ISM頻段的無線射頻收發(fā)芯片。它無線數(shù)據(jù)傳輸速度為1或2Mbps，抗干擾能力強；具有自動應答及自動重發(fā)功能，內(nèi)置硬件CRC檢錯和點對多點通信地址控制；125個可選工作頻道，最多可實現(xiàn)1對6的無線通信，很短的頻道切換時間，滿足多點通信和跳頻通信需要；當工作在發(fā)射模式下發(fā)射功率為-6dBm時電流消耗為9mA，接收模式時為12.3mA。掉電模式和待機模式下電流消耗更低。工作電壓為1.9～3.6V；采用標準SPI總線接口進行數(shù)據(jù)通信，SPI接口通信速率可高達10Mbps。

本系統(tǒng)控制芯片與無線收發(fā)芯片之間采用的是SPI總線接口通信方式。且采用的是單主機—從機數(shù)據(jù)通信方式，STC12LE5A60S2單片機設定為主機而nRF24L01無線收發(fā)芯片設定為從機。其與單片機連接圖如（圖4）所示。其SPI接口通信原理如下，主機SPI與從機SPI的8位移位寄存器連接成一個循環(huán)的16位移位寄存器，當主機由程序控制向SPDAT數(shù)據(jù)寄存器寫入一個字節(jié)信息時，SPI總線接口將會立即啟動一個連續(xù)的8位移位通信過程：主機的SCLK引腳發(fā)出一串脈沖送入從機的SCLK引腳，在此脈沖的驅(qū)動下，主機SPI 8位移位寄存器中的數(shù)據(jù)將移動到了從機SPI的8移位寄存器中，與此同時，從機SPI的8位移位寄存器中的數(shù)據(jù)移動到了主機SPI的8位移位寄存器中。此為一個循環(huán)，由此，主機既可向從機發(fā)送數(shù)據(jù)，又可讀從機中數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)軟件設計

4.1 溫濕度數(shù)據(jù)信息采集分站軟件設計流程

系統(tǒng)上電后，首先將STC12LE5A60S2、DHT11及nRF24L01初始化，再將nRF24L01配置為發(fā)射模式。此時DHT11溫濕度傳感器已經(jīng)開始工作，自動采集溫濕度數(shù)據(jù)信息，并將數(shù)據(jù)傳輸給單片機，單片機判斷是否接收到數(shù)據(jù)，若判定為是，則將接收模塊的地址及溫濕度數(shù)據(jù)信息跟隨時序由SPI接口寫入到nRF24L01緩存區(qū)TX FIFO內(nèi)，當有巡檢命令到達時，將CE置高至少10us，啟動nRF24L01為增強型ShockBurstTM發(fā)射模式。數(shù)據(jù)發(fā)射完畢后nRF24L01立即將數(shù)據(jù)通道0設置為接收模式，等待接收應答信號，其自動應答接收地址與接受模塊地址相同。若在有效應答時間內(nèi)成功接收到應答信號，則認為數(shù)據(jù)成功的被接收端接收，通信成功，同時狀態(tài)寄存器將TX_DS位置高，并將TX FIFO中的數(shù)據(jù)清除，如果在有效應答時間內(nèi)沒有接收到應答信號，則啟動自動重發(fā)功能重新發(fā)送數(shù)據(jù)，若自動重發(fā)次數(shù)達到編程設定上限，狀態(tài)寄存器的MAX_RT位置高，將TX FIFO中的數(shù)據(jù)保留以便重新發(fā)送。發(fā)送成功后，將CE設置為低，nRF24L01模塊進入待機模式，等待下一次數(shù)據(jù)發(fā)送的命令。其流程圖如圖5所示。

4.2 數(shù)據(jù)接收主站軟件設計流程

接收數(shù)據(jù)時，第一步同樣是STC12LE5A60S2及nRF24L01初始化，再將nRF24L01配置為接收模式。同時配置接收模塊的接收地址及要接收數(shù)據(jù)包的大小，接受數(shù)據(jù)通道使能等。最后將CE設置為高，啟動接受模式。130μs后nRF24L01進入接收狀態(tài)，開始檢測空中信息，等待數(shù)據(jù)包的到來。當接受模塊檢測到地址匹配CRC校驗正確的有效采集溫濕度數(shù)據(jù)后，將有效數(shù)據(jù)存儲到RX FIFO寄存器中，同時狀態(tài)寄存器中的RX_DR位置高，IRQ引腳變低，產(chǎn)生中斷去通知MCU讀取數(shù)據(jù)，單片機通過SPI接口將數(shù)據(jù)讀出，同時接收完成后，nRF24L01進入發(fā)射模式，向發(fā)送模塊發(fā)送應答信號。最后微控制處理器通過SPI接口將CE腳置低，使接收模塊進入低功耗模式。等待下一個數(shù)據(jù)包的接收。其流程如圖6所示。

5 結(jié)語

本文主要介紹了基于nRF24L01無線模塊開發(fā)設計的一款無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)解決了有線監(jiān)測方式的布線復雜、浪費資源、不易檢修等問題，并且具有結(jié)構簡單、控制方便、工作穩(wěn)定等優(yōu)點，能實現(xiàn)智能的環(huán)境參數(shù)采集及可靠的無線數(shù)據(jù)傳輸。

參考文獻

[1]胡純意，李長庚，王鵬鵬，于澄澄.無線傳感網(wǎng)絡溫度采集系統(tǒng)的設計及實現(xiàn)[J].2010，5；1199-1201.

[2]崔遜學，趙湛，王成.無線傳感器網(wǎng)絡的領域應用與設計技術[M].國防工業(yè)出版社，2009.

[3]溫濕度傳感器DHT11產(chǎn)品手冊[EB/OL].http//www.aosong.com.

摘要：介紹了以STC12LE5A60S2單片機為控制核心，選取DHT11為溫濕度傳感器，nRF24L01為無線收發(fā)芯片的的智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。主要介紹了系統(tǒng)構成、硬件電路及軟件設計流程等幾個方面。且此系統(tǒng)功耗小、電路簡單、成本低、易于實現(xiàn)。

關鍵詞：nRF24L01 無線傳輸技術 環(huán)境監(jiān)測

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）03-0030-02

1 引言

因無線傳輸技術的先進性、優(yōu)越性及其迅猛發(fā)展，無線傳輸技術被越來越廣泛的應用于各領域中，而利用無線傳輸技術對溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)進行監(jiān)測并實時顯示的工作方式也越來越廣泛的應用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。傳統(tǒng)的有線監(jiān)測方式一般需要鋪設很長的線路，布線復雜，空間占用率大，且線路故障時排除困難。而無線數(shù)據(jù)采集方式因具有無需布線、不受空間限制、布置靈活、實時監(jiān)測性強等優(yōu)點而受到人們的青睞。

本文采用的無線傳輸技術——射頻識別技術更是一種成本低、功耗低、且易于在嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)的無線傳輸技術。所謂射頻識別技術即是一種可以通過無線電訊號識別特定目標并讀寫相關數(shù)據(jù)，而無需接觸的雙向數(shù)據(jù)通信方式。本文提出的就是一種基于nRF24L01無線射頻收發(fā)芯片的實時環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)方案

系統(tǒng)平面拓撲結(jié)構如（圖1）所示，主要由三部分組成：溫濕度采集分站、數(shù)據(jù)接收主站及監(jiān)測主站。擁有自己獨立地址的各無線溫濕度采集器分布于監(jiān)測環(huán)境的各監(jiān)測點，自動進行溫濕度數(shù)據(jù)采集。且各溫濕度傳感器以數(shù)據(jù)接收主站為中心組成無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡。數(shù)據(jù)接收主站通過識別各溫濕度采集器的地址與之通信及發(fā)送控制命令。當數(shù)據(jù)接收主機發(fā)送巡檢命令時，對應的溫濕度傳感器將采集到的信息通過傳輸模塊以無線方式傳遞給數(shù)據(jù)接收主站。數(shù)據(jù)接收主站接收到環(huán)境參數(shù)信息后通過串口通信方式將采集的溫濕度數(shù)據(jù)信息上報給監(jiān)測主站，最后計監(jiān)測主站內(nèi)部的信息管理系統(tǒng)等軟件對數(shù)據(jù)進行分析、處理并進行實時顯示。

本無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要由STC12LEC5A60S2單片機（控制核心，低功耗，工作電壓2.2～3.6V），nRF24L01無線收發(fā)芯片（用于數(shù)據(jù)無線收發(fā)，工作電壓1.9～3.6V），DHT11溫濕度傳感器（用于溫濕度數(shù)據(jù)采集，工作電壓3.3～5.5V），ASM1117穩(wěn)壓電路（為系統(tǒng)提供3.3V電源），RS232串口電路（用于傳輸數(shù)據(jù)到PC機及程序的下載調(diào)試）組成。系統(tǒng)原理框圖如（圖2）所示。

控制芯片是整個系統(tǒng)的核心，單片機的選擇對整個系統(tǒng)來說尤為重要。分析本系統(tǒng)我們選擇的單片機需要滿足以下幾點：（1）有較大數(shù)據(jù)處理容量及豐富的外部接口；（2）高數(shù)據(jù)運算率；（3）低功耗，高抗擾性及性價比；（4）便于調(diào)試和下載；結(jié)合以上幾點選擇了宏晶科技生產(chǎn)的STC12LE5A60S2單片機。它是新一代的增強型8051單片機，低功耗設計，工作電壓為2.2～3.6V，且指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051；集成有1280字節(jié)RAM；8通道，10位高速ADC，單機器周期；支持ISP/IAP，無需專用編程器及專用仿真器，可通過串口（P3.0/P3.1）直接下載用戶應用程序，且時間只需數(shù)秒。且具有通用全雙工異步串行口（UART）及高速SPI串行通信接口。對于本系統(tǒng)的設計非常適用。

3 硬件電路設計

3.1 溫濕度采集電路設計

DHT11溫濕度傳感器采用溫濕度傳感技術和數(shù)字模塊采集技術，且內(nèi)部含有已校準數(shù)字信號輸出，因此具有響應快，高抗擾性，性價比高等優(yōu)點。它主要是由一個NTC測溫元件和一個電阻式感濕元件組成。主要通過DATA引腳與高性能的8位單片機進行輸入輸出雙向傳輸，只需一根傳輸線（當傳輸線長度小于20m時，需用5kΩ電阻上拉）。且此種單線雙向串行通信方式既能傳輸數(shù)據(jù)信號又能傳輸時鐘信號，使得外圍電路設計簡單。工作電壓為3.3～5.5V。其溫濕度采集電路如（圖3）所示。

3.2 無線傳輸電路設計

nRF24L01是一款工作在2.4GHz全球開放ISM頻段的無線射頻收發(fā)芯片。它無線數(shù)據(jù)傳輸速度為1或2Mbps，抗干擾能力強；具有自動應答及自動重發(fā)功能，內(nèi)置硬件CRC檢錯和點對多點通信地址控制；125個可選工作頻道，最多可實現(xiàn)1對6的無線通信，很短的頻道切換時間，滿足多點通信和跳頻通信需要；當工作在發(fā)射模式下發(fā)射功率為-6dBm時電流消耗為9mA，接收模式時為12.3mA。掉電模式和待機模式下電流消耗更低。工作電壓為1.9～3.6V；采用標準SPI總線接口進行數(shù)據(jù)通信，SPI接口通信速率可高達10Mbps。

本系統(tǒng)控制芯片與無線收發(fā)芯片之間采用的是SPI總線接口通信方式。且采用的是單主機—從機數(shù)據(jù)通信方式，STC12LE5A60S2單片機設定為主機而nRF24L01無線收發(fā)芯片設定為從機。其與單片機連接圖如（圖4）所示。其SPI接口通信原理如下，主機SPI與從機SPI的8位移位寄存器連接成一個循環(huán)的16位移位寄存器，當主機由程序控制向SPDAT數(shù)據(jù)寄存器寫入一個字節(jié)信息時，SPI總線接口將會立即啟動一個連續(xù)的8位移位通信過程：主機的SCLK引腳發(fā)出一串脈沖送入從機的SCLK引腳，在此脈沖的驅(qū)動下，主機SPI 8位移位寄存器中的數(shù)據(jù)將移動到了從機SPI的8移位寄存器中，與此同時，從機SPI的8位移位寄存器中的數(shù)據(jù)移動到了主機SPI的8位移位寄存器中。此為一個循環(huán)，由此，主機既可向從機發(fā)送數(shù)據(jù)，又可讀從機中數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)軟件設計

4.1 溫濕度數(shù)據(jù)信息采集分站軟件設計流程

系統(tǒng)上電后，首先將STC12LE5A60S2、DHT11及nRF24L01初始化，再將nRF24L01配置為發(fā)射模式。此時DHT11溫濕度傳感器已經(jīng)開始工作，自動采集溫濕度數(shù)據(jù)信息，并將數(shù)據(jù)傳輸給單片機，單片機判斷是否接收到數(shù)據(jù)，若判定為是，則將接收模塊的地址及溫濕度數(shù)據(jù)信息跟隨時序由SPI接口寫入到nRF24L01緩存區(qū)TX FIFO內(nèi)，當有巡檢命令到達時，將CE置高至少10us，啟動nRF24L01為增強型ShockBurstTM發(fā)射模式。數(shù)據(jù)發(fā)射完畢后nRF24L01立即將數(shù)據(jù)通道0設置為接收模式，等待接收應答信號，其自動應答接收地址與接受模塊地址相同。若在有效應答時間內(nèi)成功接收到應答信號，則認為數(shù)據(jù)成功的被接收端接收，通信成功，同時狀態(tài)寄存器將TX_DS位置高，并將TX FIFO中的數(shù)據(jù)清除，如果在有效應答時間內(nèi)沒有接收到應答信號，則啟動自動重發(fā)功能重新發(fā)送數(shù)據(jù)，若自動重發(fā)次數(shù)達到編程設定上限，狀態(tài)寄存器的MAX_RT位置高，將TX FIFO中的數(shù)據(jù)保留以便重新發(fā)送。發(fā)送成功后，將CE設置為低，nRF24L01模塊進入待機模式，等待下一次數(shù)據(jù)發(fā)送的命令。其流程圖如圖5所示。

4.2 數(shù)據(jù)接收主站軟件設計流程

接收數(shù)據(jù)時，第一步同樣是STC12LE5A60S2及nRF24L01初始化，再將nRF24L01配置為接收模式。同時配置接收模塊的接收地址及要接收數(shù)據(jù)包的大小，接受數(shù)據(jù)通道使能等。最后將CE設置為高，啟動接受模式。130μs后nRF24L01進入接收狀態(tài)，開始檢測空中信息，等待數(shù)據(jù)包的到來。當接受模塊檢測到地址匹配CRC校驗正確的有效采集溫濕度數(shù)據(jù)后，將有效數(shù)據(jù)存儲到RX FIFO寄存器中，同時狀態(tài)寄存器中的RX_DR位置高，IRQ引腳變低，產(chǎn)生中斷去通知MCU讀取數(shù)據(jù)，單片機通過SPI接口將數(shù)據(jù)讀出，同時接收完成后，nRF24L01進入發(fā)射模式，向發(fā)送模塊發(fā)送應答信號。最后微控制處理器通過SPI接口將CE腳置低，使接收模塊進入低功耗模式。等待下一個數(shù)據(jù)包的接收。其流程如圖6所示。

5 結(jié)語

本文主要介紹了基于nRF24L01無線模塊開發(fā)設計的一款無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)解決了有線監(jiān)測方式的布線復雜、浪費資源、不易檢修等問題，并且具有結(jié)構簡單、控制方便、工作穩(wěn)定等優(yōu)點，能實現(xiàn)智能的環(huán)境參數(shù)采集及可靠的無線數(shù)據(jù)傳輸。

參考文獻

[1]胡純意，李長庚，王鵬鵬，于澄澄.無線傳感網(wǎng)絡溫度采集系統(tǒng)的設計及實現(xiàn)[J].2010，5；1199-1201.

[2]崔遜學，趙湛，王成.無線傳感器網(wǎng)絡的領域應用與設計技術[M].國防工業(yè)出版社，2009.

[3]溫濕度傳感器DHT11產(chǎn)品手冊[EB/OL].http//www.aosong.com.

摘要：介紹了以STC12LE5A60S2單片機為控制核心，選取DHT11為溫濕度傳感器，nRF24L01為無線收發(fā)芯片的的智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。主要介紹了系統(tǒng)構成、硬件電路及軟件設計流程等幾個方面。且此系統(tǒng)功耗小、電路簡單、成本低、易于實現(xiàn)。

關鍵詞：nRF24L01 無線傳輸技術 環(huán)境監(jiān)測

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）03-0030-02

1 引言

因無線傳輸技術的先進性、優(yōu)越性及其迅猛發(fā)展，無線傳輸技術被越來越廣泛的應用于各領域中，而利用無線傳輸技術對溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)進行監(jiān)測并實時顯示的工作方式也越來越廣泛的應用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。傳統(tǒng)的有線監(jiān)測方式一般需要鋪設很長的線路，布線復雜，空間占用率大，且線路故障時排除困難。而無線數(shù)據(jù)采集方式因具有無需布線、不受空間限制、布置靈活、實時監(jiān)測性強等優(yōu)點而受到人們的青睞。

本文采用的無線傳輸技術——射頻識別技術更是一種成本低、功耗低、且易于在嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)的無線傳輸技術。所謂射頻識別技術即是一種可以通過無線電訊號識別特定目標并讀寫相關數(shù)據(jù)，而無需接觸的雙向數(shù)據(jù)通信方式。本文提出的就是一種基于nRF24L01無線射頻收發(fā)芯片的實時環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)方案

系統(tǒng)平面拓撲結(jié)構如（圖1）所示，主要由三部分組成：溫濕度采集分站、數(shù)據(jù)接收主站及監(jiān)測主站。擁有自己獨立地址的各無線溫濕度采集器分布于監(jiān)測環(huán)境的各監(jiān)測點，自動進行溫濕度數(shù)據(jù)采集。且各溫濕度傳感器以數(shù)據(jù)接收主站為中心組成無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡。數(shù)據(jù)接收主站通過識別各溫濕度采集器的地址與之通信及發(fā)送控制命令。當數(shù)據(jù)接收主機發(fā)送巡檢命令時，對應的溫濕度傳感器將采集到的信息通過傳輸模塊以無線方式傳遞給數(shù)據(jù)接收主站。數(shù)據(jù)接收主站接收到環(huán)境參數(shù)信息后通過串口通信方式將采集的溫濕度數(shù)據(jù)信息上報給監(jiān)測主站，最后計監(jiān)測主站內(nèi)部的信息管理系統(tǒng)等軟件對數(shù)據(jù)進行分析、處理并進行實時顯示。

本無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要由STC12LEC5A60S2單片機（控制核心，低功耗，工作電壓2.2～3.6V），nRF24L01無線收發(fā)芯片（用于數(shù)據(jù)無線收發(fā)，工作電壓1.9～3.6V），DHT11溫濕度傳感器（用于溫濕度數(shù)據(jù)采集，工作電壓3.3～5.5V），ASM1117穩(wěn)壓電路（為系統(tǒng)提供3.3V電源），RS232串口電路（用于傳輸數(shù)據(jù)到PC機及程序的下載調(diào)試）組成。系統(tǒng)原理框圖如（圖2）所示。

控制芯片是整個系統(tǒng)的核心，單片機的選擇對整個系統(tǒng)來說尤為重要。分析本系統(tǒng)我們選擇的單片機需要滿足以下幾點：（1）有較大數(shù)據(jù)處理容量及豐富的外部接口；（2）高數(shù)據(jù)運算率；（3）低功耗，高抗擾性及性價比；（4）便于調(diào)試和下載；結(jié)合以上幾點選擇了宏晶科技生產(chǎn)的STC12LE5A60S2單片機。它是新一代的增強型8051單片機，低功耗設計，工作電壓為2.2～3.6V，且指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051；集成有1280字節(jié)RAM；8通道，10位高速ADC，單機器周期；支持ISP/IAP，無需專用編程器及專用仿真器，可通過串口（P3.0/P3.1）直接下載用戶應用程序，且時間只需數(shù)秒。且具有通用全雙工異步串行口（UART）及高速SPI串行通信接口。對于本系統(tǒng)的設計非常適用。

3 硬件電路設計

3.1 溫濕度采集電路設計

DHT11溫濕度傳感器采用溫濕度傳感技術和數(shù)字模塊采集技術，且內(nèi)部含有已校準數(shù)字信號輸出，因此具有響應快，高抗擾性，性價比高等優(yōu)點。它主要是由一個NTC測溫元件和一個電阻式感濕元件組成。主要通過DATA引腳與高性能的8位單片機進行輸入輸出雙向傳輸，只需一根傳輸線（當傳輸線長度小于20m時，需用5kΩ電阻上拉）。且此種單線雙向串行通信方式既能傳輸數(shù)據(jù)信號又能傳輸時鐘信號，使得外圍電路設計簡單。工作電壓為3.3～5.5V。其溫濕度采集電路如（圖3）所示。

3.2 無線傳輸電路設計

nRF24L01是一款工作在2.4GHz全球開放ISM頻段的無線射頻收發(fā)芯片。它無線數(shù)據(jù)傳輸速度為1或2Mbps，抗干擾能力強；具有自動應答及自動重發(fā)功能，內(nèi)置硬件CRC檢錯和點對多點通信地址控制；125個可選工作頻道，最多可實現(xiàn)1對6的無線通信，很短的頻道切換時間，滿足多點通信和跳頻通信需要；當工作在發(fā)射模式下發(fā)射功率為-6dBm時電流消耗為9mA，接收模式時為12.3mA。掉電模式和待機模式下電流消耗更低。工作電壓為1.9～3.6V；采用標準SPI總線接口進行數(shù)據(jù)通信，SPI接口通信速率可高達10Mbps。

本系統(tǒng)控制芯片與無線收發(fā)芯片之間采用的是SPI總線接口通信方式。且采用的是單主機—從機數(shù)據(jù)通信方式，STC12LE5A60S2單片機設定為主機而nRF24L01無線收發(fā)芯片設定為從機。其與單片機連接圖如（圖4）所示。其SPI接口通信原理如下，主機SPI與從機SPI的8位移位寄存器連接成一個循環(huán)的16位移位寄存器，當主機由程序控制向SPDAT數(shù)據(jù)寄存器寫入一個字節(jié)信息時，SPI總線接口將會立即啟動一個連續(xù)的8位移位通信過程：主機的SCLK引腳發(fā)出一串脈沖送入從機的SCLK引腳，在此脈沖的驅(qū)動下，主機SPI 8位移位寄存器中的數(shù)據(jù)將移動到了從機SPI的8移位寄存器中，與此同時，從機SPI的8位移位寄存器中的數(shù)據(jù)移動到了主機SPI的8位移位寄存器中。此為一個循環(huán)，由此，主機既可向從機發(fā)送數(shù)據(jù)，又可讀從機中數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)軟件設計

4.1 溫濕度數(shù)據(jù)信息采集分站軟件設計流程

系統(tǒng)上電后，首先將STC12LE5A60S2、DHT11及nRF24L01初始化，再將nRF24L01配置為發(fā)射模式。此時DHT11溫濕度傳感器已經(jīng)開始工作，自動采集溫濕度數(shù)據(jù)信息，并將數(shù)據(jù)傳輸給單片機，單片機判斷是否接收到數(shù)據(jù)，若判定為是，則將接收模塊的地址及溫濕度數(shù)據(jù)信息跟隨時序由SPI接口寫入到nRF24L01緩存區(qū)TX FIFO內(nèi)，當有巡檢命令到達時，將CE置高至少10us，啟動nRF24L01為增強型ShockBurstTM發(fā)射模式。數(shù)據(jù)發(fā)射完畢后nRF24L01立即將數(shù)據(jù)通道0設置為接收模式，等待接收應答信號，其自動應答接收地址與接受模塊地址相同。若在有效應答時間內(nèi)成功接收到應答信號，則認為數(shù)據(jù)成功的被接收端接收，通信成功，同時狀態(tài)寄存器將TX_DS位置高，并將TX FIFO中的數(shù)據(jù)清除，如果在有效應答時間內(nèi)沒有接收到應答信號，則啟動自動重發(fā)功能重新發(fā)送數(shù)據(jù)，若自動重發(fā)次數(shù)達到編程設定上限，狀態(tài)寄存器的MAX_RT位置高，將TX FIFO中的數(shù)據(jù)保留以便重新發(fā)送。發(fā)送成功后，將CE設置為低，nRF24L01模塊進入待機模式，等待下一次數(shù)據(jù)發(fā)送的命令。其流程圖如圖5所示。

4.2 數(shù)據(jù)接收主站軟件設計流程

接收數(shù)據(jù)時，第一步同樣是STC12LE5A60S2及nRF24L01初始化，再將nRF24L01配置為接收模式。同時配置接收模塊的接收地址及要接收數(shù)據(jù)包的大小，接受數(shù)據(jù)通道使能等。最后將CE設置為高，啟動接受模式。130μs后nRF24L01進入接收狀態(tài)，開始檢測空中信息，等待數(shù)據(jù)包的到來。當接受模塊檢測到地址匹配CRC校驗正確的有效采集溫濕度數(shù)據(jù)后，將有效數(shù)據(jù)存儲到RX FIFO寄存器中，同時狀態(tài)寄存器中的RX_DR位置高，IRQ引腳變低，產(chǎn)生中斷去通知MCU讀取數(shù)據(jù)，單片機通過SPI接口將數(shù)據(jù)讀出，同時接收完成后，nRF24L01進入發(fā)射模式，向發(fā)送模塊發(fā)送應答信號。最后微控制處理器通過SPI接口將CE腳置低，使接收模塊進入低功耗模式。等待下一個數(shù)據(jù)包的接收。其流程如圖6所示。

5 結(jié)語

本文主要介紹了基于nRF24L01無線模塊開發(fā)設計的一款無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)解決了有線監(jiān)測方式的布線復雜、浪費資源、不易檢修等問題，并且具有結(jié)構簡單、控制方便、工作穩(wěn)定等優(yōu)點，能實現(xiàn)智能的環(huán)境參數(shù)采集及可靠的無線數(shù)據(jù)傳輸。

參考文獻

[1]胡純意，李長庚，王鵬鵬，于澄澄.無線傳感網(wǎng)絡溫度采集系統(tǒng)的設計及實現(xiàn)[J].2010，5；1199-1201.

[2]崔遜學，趙湛，王成.無線傳感器網(wǎng)絡的領域應用與設計技術[M].國防工業(yè)出版社，2009.

[3]溫濕度傳感器DHT11產(chǎn)品手冊[EB/OL].http//www.aosong.com.