摘 要： 利用短距離無線通信技術(shù)構(gòu)成一個(gè)基于單片機(jī)的簡(jiǎn)易、低功耗的無線多點(diǎn)溫度測(cè)量系統(tǒng)。系統(tǒng)以AT89C2051、AT89C51單片機(jī)為核心，采用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20、無線收發(fā)芯片nRF24L01實(shí)現(xiàn)了溫度的采集、控制、無線收發(fā)等，給出了系統(tǒng)硬件及軟件的具體設(shè)計(jì)思想與實(shí)現(xiàn)方法。
關(guān)鍵詞： 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；單片機(jī)；溫度檢測(cè)；傳感器節(jié)點(diǎn)
無線傳感網(wǎng)絡(luò)WSNs（Wireless Sensor Networks）是當(dāng)前在國(guó)際上備受關(guān)注的、涉及多學(xué)科高度交叉、知識(shí)高度集成的前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域。其測(cè)量系統(tǒng)綜合了現(xiàn)代傳感器技術(shù)、微電子技術(shù)、通信技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)和分布式處理技術(shù)等，能夠通過各類集成化的微型傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或檢測(cè)對(duì)象的信息，并對(duì)這些信息進(jìn)行處理，從而獲得詳盡而準(zhǔn)確的信息[1]。
無線測(cè)溫系統(tǒng)是通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)建立的一種測(cè)溫系統(tǒng)，系統(tǒng)中包含大量的無線傳感節(jié)點(diǎn)。在任意時(shí)刻，傳感節(jié)點(diǎn)間通過無線通信完成溫度信息的處理。利用單片機(jī)、溫度傳感器及無線收發(fā)芯片等構(gòu)成的無線多點(diǎn)測(cè)溫系統(tǒng)電路簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，功耗低，可廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)及工農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。
1 無線測(cè)溫系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
系統(tǒng)以短距離無線通信為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境的多點(diǎn)溫度檢測(cè)。系統(tǒng)由多個(gè)無線節(jié)點(diǎn)組成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)由單片機(jī)構(gòu)成，并配置一個(gè)溫度傳感器，每個(gè)節(jié)點(diǎn)既實(shí)時(shí)監(jiān)視該點(diǎn)附近的溫度，同時(shí)也無線雙向中轉(zhuǎn)信息，將信息傳輸?shù)教炀€范圍內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)上，這樣使所有的節(jié)點(diǎn)都可以和接收節(jié)點(diǎn)鏈接起來。其系統(tǒng)框圖如圖1所示。
1.1 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)
1.1.1 溫度采集模塊[2-3]
溫度采集的方法有多種，但考慮簡(jiǎn)單實(shí)用、易于實(shí)現(xiàn)、性能穩(wěn)定、功耗低、可靠性高等因素，該模塊采用DS18B20數(shù)字式溫度傳感器來實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度的檢測(cè)。DS18B20是美國(guó)Dallas半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的單總線溫度傳感器，其測(cè)溫范圍為-55 ℃～+125 ℃，最高分辨率可達(dá)0.062 5℃。信息經(jīng)過單線接口送入DS18B20或從DS18B20送出。讀、寫和完成溫度變換所需的電源可以由數(shù)據(jù)線本身提供，而不需要外部電源。DS18B20的外圍接線如圖2所示。
1.1.2 無線收發(fā)模塊[4-5]
該模塊選用NORDIC公司推出的高速、低功耗、低成本的2 Mb/s工業(yè)級(jí)嵌人式2.4 GHz無線收發(fā)芯片nRF24L01，它具有增強(qiáng)型的ShockBurst功能，集成了雙向通信所需要的鏈路層。同時(shí)，內(nèi)置速率高達(dá)8 Mb/s的SPI接口能很好地解決nRF24L01與單片機(jī)數(shù)據(jù)傳輸率的問題。nRF24L01采用PCB天線，為保證其頻率和阻抗與射頻芯片匹配，以獲取最大傳輸功率并抑制高頻噪聲，在nRF24L01外圍電路接入了電感和電容。nRF24L01的外圍部分接線如圖3所示。
1.2 接收節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)
接收節(jié)點(diǎn)的能量由穩(wěn)定的電源供給，無需考慮節(jié)能問題。但考慮到數(shù)據(jù)顯示控制等需要較多的管腳，故采用AT89C51作為控制芯片。此外，因?yàn)橛?jì)算路由的過程非常繁瑣，程序較長(zhǎng)，電路中用27C256芯片擴(kuò)展了一個(gè)32 KB的ROM來滿足要求。另外，電路中的無線收發(fā)模塊仍采用nRF24L01無線收發(fā)芯片。接收節(jié)點(diǎn)部分接線如圖5所示。
2 無線測(cè)溫系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件采用了模塊化設(shè)計(jì)，主要包括監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的溫度采集、接收節(jié)點(diǎn)的路徑計(jì)算和溫度顯示、無線傳輸?shù)?。下面主要給出了主程序、溫度采集程序、無線傳輸程序的設(shè)計(jì)思想。
2.1 主程序設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的主程序設(shè)計(jì)主要完成系統(tǒng)初始化、中斷優(yōu)先級(jí)設(shè)定以及判斷調(diào)用各模塊程序，即主要實(shí)現(xiàn)各模塊的連接，然后再確定各個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)所在位置對(duì)于接收節(jié)點(diǎn)的相對(duì)坐標(biāo)。
2.1.1 接收節(jié)點(diǎn)主程序
系統(tǒng)上電以后，接收節(jié)點(diǎn)先進(jìn)行初始化設(shè)置。初始化的內(nèi)容包括給相應(yīng)的字符名稱賦值，打開中斷，等待中斷響應(yīng)。當(dāng)中斷響應(yīng)后，單片機(jī)進(jìn)入相應(yīng)的中斷服務(wù)程序，接收來自所有監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的序列號(hào)信息，計(jì)算出每個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置并存儲(chǔ)，再計(jì)算出到達(dá)每個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的路徑，向監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送溫度測(cè)試指令，等監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)接收到完整數(shù)據(jù)后，將接收節(jié)點(diǎn)置接收方式，準(zhǔn)備接收測(cè)得的數(shù)據(jù)。在接收節(jié)點(diǎn)接收完監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)后，根據(jù)中斷指令進(jìn)行顯示，保持一段時(shí)間以后，向第二個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送溫度測(cè)試指令。按此順序循環(huán)，直到所有監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的溫度被顯示。其流程圖如圖6所示。
2.1.2 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)主程序
監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)主程序開始后首先進(jìn)行初始化設(shè)置。初始化的內(nèi)容包括給相應(yīng)的字符名稱賦值，設(shè)置串口通信參數(shù)。然后開始發(fā)送自己的序列號(hào)，接收其他節(jié)點(diǎn)的序列號(hào)組，如果其中不包含自己的序列號(hào)，則轉(zhuǎn)發(fā)；若包含，則不發(fā)。進(jìn)入睡眠模式，直到收到接收節(jié)點(diǎn)的溫度測(cè)試指令，開始向DS18B20發(fā)初始化脈沖，然后發(fā)送skipROM命令，執(zhí)行溫度的檢測(cè)；然后將測(cè)得的數(shù)據(jù)發(fā)送給接收節(jié)點(diǎn)，復(fù)位中斷返回，準(zhǔn)備進(jìn)行新的測(cè)試。其流程圖如圖7所示。
2.3 無線傳輸程序設(shè)計(jì)
無線傳輸通過nRF24L01無線收發(fā)芯片實(shí)現(xiàn)。為使系統(tǒng)程序編制更加簡(jiǎn)單且穩(wěn)定性高，在設(shè)計(jì)中使nRF24L01工作于Enhanced ShockBurstTM 收發(fā)模式下。ShockBurstTM的配置字使nRF24L01能夠處理射頻協(xié)議，在配置完成后，在nRF24L01工作的過程中，只需改變其最低一個(gè)字節(jié)中的內(nèi)容，就可以實(shí)現(xiàn)接收模式和發(fā)送模式之間切換，流程圖如圖9、圖10所示。
本系統(tǒng)經(jīng)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，取得了很好的效果且具有一定的實(shí)用性。傳感器節(jié)點(diǎn)間無障礙傳輸距離基本可達(dá)到50 m左右，當(dāng)距離小于10 m時(shí)有很強(qiáng)的抗干擾能力，且溫度數(shù)據(jù)可完成多跳傳輸，準(zhǔn)確無誤地到達(dá)接收節(jié)點(diǎn)。
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