朱嶸濤++羅明璋

摘 要： 針對(duì)目前糧倉(cāng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在布線繁瑣、安裝不便、維護(hù)麻煩等問(wèn)題，提出了一種基于nRF24L01和IAP15W4K58S4的糧倉(cāng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。nRF24L01是一種新興的無(wú)線通信技術(shù)，具有低功耗、高傳輸速率、低成本等特點(diǎn)，可直接與各種單片機(jī)連接使用，且編程簡(jiǎn)單；IAP15W4K58S4是一款高性價(jià)比單片機(jī)，價(jià)格便宜且功能強(qiáng)大。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由傳感器節(jié)點(diǎn)和環(huán)境監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)兩部分構(gòu)成，傳感器節(jié)點(diǎn)將檢測(cè)到的溫度、濕度和氣體等數(shù)據(jù)發(fā)送給環(huán)境監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，環(huán)境監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)將這些數(shù)據(jù)處理后，經(jīng)由串口傳輸給PC機(jī)來(lái)顯示。經(jīng)實(shí)際測(cè)試表明，該系統(tǒng)能穩(wěn)定運(yùn)行，并較好地應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞： 糧倉(cāng)環(huán)境監(jiān)測(cè)； nRF24L01； IAP15W4K58S4； 溫度?濕度檢測(cè)； 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)： TN931+.3?34； TP368 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）18?0066?04

Design of barn environment monitoring system based on nRF24L01 and IAP15W4K58S4

ZHU Rongtao1， LUO Mingzhang2

（1. College of Technology & Enginerring， Yangtze University， Jingzhou 434020， China； 2. Yangtze University， Jingzhou 434023， China）

Abstract： Aiming at the problems of complicated wiring， inconvenient installation and troublesome maintenance of the available barn environment monitoring systems， a design scheme of the barn environmental monitoring system based on nRF24L01 and IAP15W4K58S4 is proposed. nRF24L01 is a new wireless communication technology， with low power consumption， high transmission rate， low cost and so on， and can be directly connected with a variety of MCU. Its programming is simple. IAP15W4K58S4 is a cost?effective microcontroller with powerful functions. The monitoring system is composed of the sensor node and the environmental monitoring node. The temperature， humidity and gas data detected by the sensor node are sent to the environmental monitoring node. The data processed by the environmental monitoring node are transmitted to the PC through a serial port for display. The practical test result shows that the system can run stably and can be used in the field of environmental monitoring.

Keywords： barn environmental monitoring； nRF24L01； IAP15W4K58S4； temperature?humidity detection； monitoring system

0 引 言

中國(guó)是一個(gè)人口大國(guó)同時(shí)也是一個(gè)經(jīng)濟(jì)強(qiáng)國(guó)，保證一定數(shù)量和高質(zhì)量的糧食儲(chǔ)備有利于保護(hù)國(guó)家糧食安全和維護(hù)社會(huì)穩(wěn)定。糧食在存放的過(guò)程中容易受到溫度、濕度等因數(shù)的影響，進(jìn)而使糧食發(fā)生霉變、滋生蟲(chóng)害，極端情況下，還有可能引起火災(zāi)，為了確保儲(chǔ)糧安全，必須實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)糧倉(cāng)的環(huán)境狀態(tài)。傳統(tǒng)的糧倉(cāng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通常采用有線監(jiān)測(cè)方式，這種方式的弊端非常明顯，如人工維護(hù)麻煩、實(shí)際走線困難、安裝難度高等問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種低成本、高精度的無(wú)線糧倉(cāng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[1?4]。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本文由傳感器節(jié)點(diǎn)和環(huán)境監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)對(duì)糧倉(cāng)的溫度、濕度和氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，并將測(cè)量的糧倉(cāng)環(huán)境信息通過(guò)nRF24L01無(wú)線通信模塊實(shí)時(shí)發(fā)送到環(huán)境監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)。環(huán)境監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)將傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的糧倉(cāng)信息通過(guò)USB轉(zhuǎn)串口模塊發(fā)到PC機(jī)，并在PC機(jī)上串口終端中顯示。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 nRF24L01無(wú)線通信模塊的設(shè)計(jì)

無(wú)線通信模塊的核心芯片為nRF24L01，nRF24L01是由Nordic公司出品的單芯片無(wú)線收發(fā)芯片，工作于2.4～2.5 GHz的全球免申請(qǐng)（ISM）頻段。nRF24L01的工作模式由PWR_UP，CE，TX_EN三個(gè)引腳決定。nRF24L01的收發(fā)模式有Enhanced ShockBurstTM收發(fā)模式、ShockBurstTM收發(fā)模式和直接收發(fā)模式三種。為了節(jié)能，通常使用Enhanced ShockBurstTM收發(fā)模式進(jìn)行無(wú)線傳輸。nRF24L01無(wú)線通信模塊的電路原理圖如圖2所示。endprint

2.2 IAP15W4K58S4單片機(jī)

IAP15W4K58S4單片機(jī)是STC公司生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期（1 T）的單片機(jī)，是寬電壓/高速/高可靠/低功耗/超強(qiáng)干擾的新一代MCU。使用STC公司最新的方法進(jìn)行處理，處理后的程序在一般情況下是不能破解的，并且開(kāi)發(fā)人員編寫(xiě)的程序能較好地兼容傳統(tǒng)的MCU，且速度還比傳統(tǒng)的MCU快8～12倍。STC15系列單片機(jī)內(nèi)部機(jī)集成高精度R/C時(shí)鐘，可配置時(shí)鐘的范圍是5～30 MHz，同時(shí)STC15系列單片機(jī)內(nèi)部集成了高可靠復(fù)位電路，因此IAP15最小系統(tǒng)是徹底省掉了昂貴的外部晶振和時(shí)鐘電路。IAP15W4K58S4具有8路CCP/PWM/PCA，8路10位高速A/D，內(nèi)置4 KB大容量SRAM，4組超高速異步串行通信口和1組高速同步串行通信端口SPI，并且對(duì)于IAP15W4K58S4這款單片機(jī)來(lái)說(shuō)，它的供電電壓很寬，在2.5～5.5 V之間都能正常工作[5]。

2.3 單元接口電路設(shè)計(jì)

DHT22溫濕度傳感器、MQ?2氣體傳感器和報(bào)警電路與IAP15W4K58S4單片機(jī)的接口電路原理圖如圖3所示。

圖3 單元接口電路圖

2.3.1 DHT22電路設(shè)計(jì)

DHT22溫濕度傳感器與IAP15W4K58S4的接口電路如圖3所示，它的供電電壓為3.3～6 V。DHT22溫濕度傳感器上電后，需要延時(shí)1 s以上的時(shí)間，來(lái)平穩(wěn)過(guò)渡不穩(wěn)定狀態(tài)，在這段時(shí)間內(nèi)不要發(fā)送任何指令。電源引腳（VCC和GND）之間需要增加一個(gè)100 nF的電容，可以有效過(guò)濾干擾信號(hào)，引腳說(shuō)明如表1所示。DHT22數(shù)字溫濕度傳感器使用單總線數(shù)據(jù)格式，其數(shù)據(jù)格式由5個(gè)字節(jié)構(gòu)成。數(shù)據(jù)分溫度部分和濕度部分，一次有效的數(shù)據(jù)傳輸共40位，數(shù)據(jù)格式：40 b數(shù)據(jù)=16 b濕度數(shù)據(jù)+16 b溫度數(shù)據(jù)+8 b校驗(yàn)和數(shù)據(jù)，其中校驗(yàn)和數(shù)據(jù)為溫度數(shù)據(jù)與濕度數(shù)據(jù)之和[6?7]。DHT22一次通信時(shí)間最大為5 ms，主機(jī)連續(xù)采樣間隔建議不小于100 ms。

2.3.2 MQ?2接口電路設(shè)計(jì)

MQ?2氣體傳感器與IAP15W4K58S4的接口電路如圖3所示，它所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫。MQ?2氣體傳感器對(duì)空氣中可燃?xì)怏w的靈敏度較高，能有效地檢測(cè)出空氣中可燃?xì)怏w的濃度。MQ?2氣體傳感器的引腳說(shuō)明如表2所示，DOUT引腳輸出TTL開(kāi)關(guān)信號(hào)，當(dāng)DOUT引腳為低電平時(shí)表示檢測(cè)到了可燃?xì)怏w，AOUT引腳輸出模擬信號(hào)，濃度越大AOUT引腳輸出的電壓值也越大[8]。

表2 MQ?2引腳說(shuō)明

2.3.3 報(bào)警接口電路設(shè)計(jì)

報(bào)警電路與IAP15W4K58S4的接口電路如圖3所示，當(dāng)糧倉(cāng)內(nèi)的溫濕度超出限定值或檢測(cè)到有可燃?xì)怏w時(shí)，都會(huì)觸發(fā)報(bào)警電路報(bào)警。

2.4 電源模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用USB接口供電，USB接口提供的標(biāo)準(zhǔn)電壓是5 V，能滿足IAP15W4K58S4單片機(jī)、DHT22溫濕度傳感器和MQ?2氣體傳感器的供電要求，但射頻芯片的工作電壓是在1.9～3.6 V之間，為讓nRF24L01正常穩(wěn)定的工作，必須給nRF24L01接一個(gè)直流電壓轉(zhuǎn)換模塊，經(jīng)測(cè)試nRF24L01在3.3 V時(shí)工作比較穩(wěn)定。本系統(tǒng)選用線性穩(wěn)壓電源LM317構(gòu)成模擬電源，通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，使輸出電壓為3.3 V，3.3 V電源模塊原理圖如圖4所示[9]。

2.5 USB轉(zhuǎn)RS 232電路設(shè)計(jì)

為了便于環(huán)境監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)和PC機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用USB轉(zhuǎn)串口芯片PL2303實(shí)現(xiàn)USB到串口的轉(zhuǎn)換。PC機(jī)與IAP15W4K58S4單片機(jī)之間電平不匹配，因此需要通過(guò)PL2303芯片實(shí)現(xiàn)電平匹配，從而保證數(shù)據(jù)的有效傳輸，USB轉(zhuǎn)串口電路原理圖如圖5所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)使用C語(yǔ)言編程，為了使程序具有良好的可讀性和移植性，將nRF24L01無(wú)線通信模塊驅(qū)動(dòng)程序、DHT22溫/濕度傳感器驅(qū)動(dòng)程序、LCD模塊顯示驅(qū)動(dòng)程序和串口模塊驅(qū)動(dòng)程序都寫(xiě)成獨(dú)立的模塊程序，方便主程序調(diào)用[10?11]。

3.1 傳感器節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境參數(shù)信息進(jìn)行有效測(cè)量，并將測(cè)量的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)江h(huán)境監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，主要流程如圖6所示。

3.2 環(huán)境監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

環(huán)境監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)接收來(lái)自傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)處理后，經(jīng)由串口電路傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，主要流程如圖7所示。

4 測(cè)試結(jié)果

為了檢驗(yàn)本文設(shè)計(jì)糧倉(cāng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際效果，分別從DHT22溫/濕度傳感器的檢測(cè)效果和MQ?2氣體檢測(cè)效果兩個(gè)方面測(cè)試。

4.1 溫度和濕度測(cè)試

將傳感器節(jié)點(diǎn)和環(huán)境監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)上電后，打開(kāi)串口調(diào)試助手，在串口終端中會(huì)看到溫度和濕度，然后用手觸模傳感器節(jié)點(diǎn)的溫/濕度傳感器，會(huì)看到濕度數(shù)據(jù)發(fā)生明顯變大，溫度數(shù)據(jù)則會(huì)慢慢增大，具體信息如圖8所示。

4.2 氣體泄漏效果測(cè)試

將傳感器節(jié)點(diǎn)和環(huán)境監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)上電后，打開(kāi)串口調(diào)試助手，在串口終端的“gsa leak：”后會(huì)顯示“no”，表示沒(méi)有檢測(cè)到可燃?xì)怏w，然后將打火機(jī)靠近MQ?2氣體傳感器，將打火機(jī)內(nèi)的氣體放出，就會(huì)看到串口終端中“gsa leak：”后的“no”變成“yes”，具體效果如圖9所示。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的糧倉(cāng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)選擇nRF24L01作為無(wú)線通信模塊，IAP15W4K58S4作為MCU，DHT22作為溫濕度傳感器，MQ?2作為可燃?xì)怏w傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)糧倉(cāng)環(huán)境的無(wú)線監(jiān)測(cè)，實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明：該系統(tǒng)對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集準(zhǔn)確。無(wú)線數(shù)據(jù)的傳輸穩(wěn)定且實(shí)時(shí)性較好，能較好地應(yīng)用在糧倉(cāng)環(huán)境監(jiān)測(cè)和其需求相近的領(lǐng)域。

注：本文通訊作者為羅明璋。

參考文獻(xiàn)

[1] 梁絨香.基于無(wú)線傳輸?shù)募Z倉(cāng)多參數(shù)綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2014，33（8）：43?47.

[2] 董靜薇，李會(huì)樂(lè)，郭艷雯，等.基于ZigBee的糧倉(cāng)溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，19（2）：120?124.

[3] 徐艷玲.基于物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程糧倉(cāng)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].軟件工程師，2015，18（2）：22?23.

[4] 李建勇，李洋，劉雪梅.基于ZigBee的糧倉(cāng)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42（1）：65?67.

[5] 丁向榮.單片機(jī)原理與應(yīng)用項(xiàng)目教程：基于STC15W4K32S4系列單片機(jī)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2015.

[6] 許慧芳.基于智能傳感器SHT15的溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2015，36（5）：237?239.

[7] 朱嶸濤，徐愛(ài)鈞.單總線傳感器AM2302溫濕度測(cè)控系統(tǒng)原理及應(yīng)用[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2016，16（4）：46?48.

[8] 劉雁.基于MQ?2的便攜式移動(dòng)煤礦瓦斯含量檢測(cè)報(bào)警器的研究[J].煤炭開(kāi)采，2013，18（5）：122?124.

[9] 朱嶸濤，徐愛(ài)鈞，葉傳濤.STC15單片機(jī)和nRF2401的無(wú)線門禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2014，14（6）：57?60.

[10] XU Xiumei， PAN Jinfeng. The simulation of temperature and humidity control system based on Proteus [C]// Proceedings of International Conference on Mechatronic Science. [S.l.]： IEEEXplore， 2011： 1896?1898.

[11] 朱嶸濤，葉傳濤.基于nRF24L01和STC15F2K61S2的多點(diǎn)無(wú)線溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].石油儀器，2014，28（1）：29?31.endprint