劉衛(wèi)國(guó) ， 王紅彬

（1.國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 湖南 長(zhǎng)沙 410073；2.77606部隊(duì) 西藏 拉薩 850000）

距離是描述建筑物平面結(jié)構(gòu)的重要內(nèi)容，建筑物尺寸的傳統(tǒng)測(cè)量手段都需要人員借助工具現(xiàn)地進(jìn)行，但面對(duì)比較危險(xiǎn)的建筑物時(shí)，傳統(tǒng)的測(cè)量手段勢(shì)必增加人員的傷亡幾率。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，測(cè)距技術(shù)和無(wú)線傳輸技術(shù)日趨成熟，無(wú)人距離測(cè)量在特殊領(lǐng)域中將得到廣泛應(yīng)用。利用超聲波測(cè)距成本低、精度高、速度快等技術(shù)特點(diǎn)，結(jié)合單片機(jī)、無(wú)線通信技術(shù)可對(duì)建筑物內(nèi)部平面尺寸進(jìn)行測(cè)量，并將數(shù)據(jù)無(wú)線傳至終端設(shè)備實(shí)時(shí)顯示。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

超聲波測(cè)距系統(tǒng)由發(fā)射端和接收端兩部分組成。發(fā)射端由Arduino開發(fā)板、無(wú)線射頻發(fā)射模塊、天線、超聲波模塊及電源模塊組成。接收端由Arduino開發(fā)板、無(wú)線射頻接收模塊、天線和終端設(shè)備等組成。

在系統(tǒng)發(fā)射端，超聲波模塊HC-SR04對(duì)距離信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，在Arduino的控制下通過(guò)無(wú)線射頻發(fā)射模塊將距離數(shù)字信號(hào)發(fā)送至接收端；在系統(tǒng)接收端，在Arduino開發(fā)板的作用下，通過(guò)無(wú)線射頻接收模塊接收發(fā)射端發(fā)送過(guò)來(lái)的距離數(shù)字信號(hào)，通過(guò)串口通信模塊與PC機(jī)進(jìn)行通信，在PC機(jī)中利用軟件讀取數(shù)據(jù)并繪制曲線。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 Arduino控制板

本系統(tǒng)中所采用的Arduino UNO[1-2]是一塊采用USB接口的核心電路板，處理器核心是ATmega328，包括14個(gè)數(shù)字輸入輸出IO（其中6個(gè)可提供PWM輸出），6個(gè)模擬輸入IO，一個(gè)16 MHz晶體振蕩器，一個(gè)USB口（便于在線進(jìn)行程序調(diào)試），一個(gè)電源插座和一個(gè)復(fù)位按鍵。

2.2 測(cè)距傳感器

HC-SR04超聲波測(cè)距模塊可提供2～400 cm的非接觸式距離感測(cè)功能，測(cè)距精度可達(dá)到3 mm，模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器和控制電路。模塊采用IO口TRIG觸發(fā)測(cè)距，給至少10 μs的高電平信號(hào)，之后模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40 kHz的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回，如有信號(hào)返回，通過(guò)IO口ECHO輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間[3-4]。

2.3 nRF24L01+無(wú)線傳輸模塊

nRF24L01是一款新型單片射頻收發(fā)一體器件，工作于2.4～2.5 GHz ISM頻段[5]。其內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器、低噪聲放大器等功能模塊，并融合了增強(qiáng)型ShockBurst技術(shù)，其中輸出功率和通信頻道可通過(guò)程序進(jìn)行配置。nRF24L01具有極低的電流消耗，當(dāng)工作在發(fā)射模式下發(fā)射功率為0 dBm時(shí)電流消耗為11.3 mA，接收模式時(shí)為13.5 mA，掉電模式和待機(jī)模式下電流消耗更低。本文采用nRF24L01+模塊，在原模塊的基礎(chǔ)上增加了PA和LNA。在發(fā)射端通過(guò)PA電路將nRF24L01的輸出功率放大，同時(shí)在接收端通過(guò)LNA電路增加接收信號(hào)的強(qiáng)度。

2.4 SPI連接

Arduino與nRF24L01+無(wú)線收發(fā)模塊之間利用同步串口SPI[6]進(jìn)行通信。nRF24L01+的 SPI總線有 GND（接地）、VCC（1.9～3.6 V電源）、CE （使能發(fā)射或接收）、CSN （片選信號(hào)）、SCK（時(shí)鐘信號(hào)）、MOSI（數(shù)據(jù)輸入）、MISO（數(shù)據(jù)輸出）、IRQ（中斷標(biāo)志位）。Arduino與nRF24L01+的連接圖如圖1所示。

圖1 Arduino與nRF24L01+的連接圖Fig.1 Connection diagram of Arduino and nRF24L01+

2.5 實(shí)驗(yàn)電路連接圖

發(fā)射端（HC-SR04、nRF24L01+和 Arduino 連接）和接收端（nRF24L01+和Arduino連接）實(shí)驗(yàn)電路連接如圖2所示。

圖2 發(fā)射端和接收端實(shí)驗(yàn)電路連接圖Fig.2 Connection diagram of transmitting and receiving experimental circuit

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 無(wú)線發(fā)送模式流程

對(duì)nRF24L01+的相關(guān)寄存器進(jìn)行配置，設(shè)置為增強(qiáng)型ShockBurstTM發(fā)送模式，通信速率為 1 Mbit/s，晶振16 MHz，發(fā)射功率設(shè)置為0 dBm，MCU通過(guò)MOSI寫入數(shù)據(jù)，通過(guò)MISO讀出數(shù)據(jù)，設(shè)置通過(guò)nRF24L01+的數(shù)據(jù)輸入，保存到TX FIFO寄存器中，開始發(fā)送數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)發(fā)送之后，讀取狀態(tài)寄存器的值并做出判斷，確定是否接收到應(yīng)答信號(hào)，判斷自動(dòng)重發(fā)次數(shù)是否達(dá)到最大值（10次）。如果在設(shè)定的應(yīng)答時(shí)間內(nèi)接收到應(yīng)答信號(hào)，則認(rèn)為數(shù)據(jù)成功發(fā)送到了接收端。如果在設(shè)定的時(shí)間范圍內(nèi)沒有接收到應(yīng)答信號(hào)，則重新發(fā)送數(shù)據(jù)，并且自動(dòng)重發(fā)計(jì)數(shù)器自動(dòng)加1。若自動(dòng)重發(fā)次數(shù)達(dá)到最大值，則表明數(shù)據(jù)沒有發(fā)送成功，需要清除MAX_RT位讓數(shù)據(jù)繼續(xù)重發(fā)。發(fā)送程序流程圖如3所示。

發(fā)射程序中的主要函數(shù)如下：

圖3 nRF24L01+發(fā)送程序流程圖Fig.3 Flow chart of nRF24L01+sending program

unsigned char SPI_Read_Buf（unsigned char reg， unsigned char*pBuf， unsigned char bytes）//從寄存器"reg"讀無(wú)符號(hào)字符型變量

3.2 無(wú)線接收模式流程

設(shè)置nRF24L01+為接收模式，與發(fā)射端相同的CRC配置、地址寬度、頻道和傳輸速率，拉高CE啟動(dòng)接收，通過(guò)讀取狀態(tài)寄存器的值判斷是否有數(shù)據(jù)接收，若有數(shù)據(jù)，接收端通過(guò)自身通道地址與接收到的數(shù)據(jù)包中的地址進(jìn)行匹配，若相同就接收該數(shù)據(jù)，若不同就放棄該數(shù)據(jù)，繼續(xù)等待接收。接收程序流程圖如圖4所示。

圖4 nRF24L01+接收程序流程圖Fig.4 Flow chart of nRF24L01+receiving program

接收程序中的主要函數(shù)如下：

unsigned char SPI_Write_Buf（unsigned char reg， unsigned char*pBuf，unsigned char bytes）//將 nRF24L01+的內(nèi)容寫入緩沖區(qū)"*PBUF"

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

按照本方案設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距系統(tǒng) （實(shí)物如圖5所示）經(jīng)過(guò)建筑物現(xiàn)地測(cè)試，測(cè)量最大寬度8 m，最大高度4 m，超聲波模塊工作穩(wěn)定，無(wú)線傳輸模塊傳輸距離符合要求，完全可以達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的目的。由于該系統(tǒng)目前還是初具功能的試驗(yàn)品，測(cè)距平臺(tái)上功能模塊不夠豐富，應(yīng)搭配更多的傳感器模塊，提升系統(tǒng)功能。

圖5 測(cè)距系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.5 Entity diagram of ranging system

5 結(jié)束語(yǔ)

本文著重介紹了基于nRF24L01+與Arduino的超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過(guò)較低的成本實(shí)現(xiàn)了超聲波測(cè)距、數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸、PC機(jī)實(shí)時(shí)接收顯示并繪制曲線等功能，可搭載不同的移動(dòng)平臺(tái)，完成建筑物測(cè)距任務(wù)，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

[1]蔡睿妍.Arduino的原理及應(yīng)用[J].電子設(shè)計(jì)工程，2012，20（16）:155-157.

[2]王欣，馬青玉.基于Arduino的LED光立方設(shè)計(jì)[J].南京師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，13（4）:24-28.

[3]劉楚紅，董鎮(zhèn)，錢宇捷，等.基于Arduino的倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2014，37（17）:148-150.

[4]蘇琳.基于HC-SR04的超聲波測(cè)距器的設(shè)計(jì) [J].科技信息，2012（9）:125-126.

[5]孫志遠(yuǎn).2.4 GHz無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通信模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].長(zhǎng)沙:國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2010.

[6]戈惠梅，徐曉慧，顧志華，等.基于Arduino的智能小車避障系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2014，37（11）:118-120.