摘 要： 利用短距離無線通信技術(shù)構(gòu)成一個基于單片機的簡易、低功耗的無線多點溫度測量系統(tǒng)。系統(tǒng)以AT89C2051、AT89C51單片機為核心，采用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20、無線收發(fā)芯片nRF24L01實現(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計思想與實現(xiàn)方法。
關鍵詞： 無線傳感器網(wǎng)絡；單片機；溫度檢測；傳感器節(jié)點
無線傳感網(wǎng)絡WSNs（Wireless Sensor Networks）是當前在國際上備受關注的、涉及多學科高度交叉、知識高度集成的前沿熱點研究領域。其測量系統(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時檢測、感知和采集網(wǎng)絡分布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或檢測對象的信息，并對這些信息進行處理，從而獲得詳盡而準確的信息[1]。
無線測溫系統(tǒng)是通過無線傳感網(wǎng)絡建立的一種測溫系統(tǒng)，系統(tǒng)中包含大量的無線傳感節(jié)點。在任意時刻，傳感節(jié)點間通過無線通信完成溫度信息的處理。利用單片機、溫度傳感器及無線收發(fā)芯片等構(gòu)成的無線多點測溫系統(tǒng)電路簡單，性能穩(wěn)定，抗干擾能力強，可靠性高，功耗低，可廣泛應用于環(huán)境監(jiān)測及工農(nóng)業(yè)等領域。
1 無線測溫系統(tǒng)硬件電路設計
系統(tǒng)以短距離無線通信為基礎，實現(xiàn)環(huán)境的多點溫度檢測。系統(tǒng)由多個無線節(jié)點組成，每個節(jié)點由單片機構(gòu)成，并配置一個溫度傳感器，每個節(jié)點既實時監(jiān)視該點附近的溫度，同時也無線雙向中轉(zhuǎn)信息，將信息傳輸?shù)教炀€范圍內(nèi)的其他節(jié)點上，這樣使所有的節(jié)點都可以和接收節(jié)點鏈接起來。其系統(tǒng)框圖如圖1所示。
1.1 監(jiān)測節(jié)點電路設計
1.1.1 溫度采集模塊[2-3]
溫度采集的方法有多種，但考慮簡單實用、易于實現(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現(xiàn)環(huán)境溫度的檢測。DS18B20是美國Dallas半導體公司生產(chǎn)的單總線溫度傳感器，其測溫范圍為-55 ℃～+125 ℃，最高分辨率可達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)級嵌人式2.4 GHz無線收發(fā)芯片nRF24L01，它具有增強型的ShockBurst功能，集成了雙向通信所需要的鏈路層。同時，內(nèi)置速率高達8 Mb/s的SPI接口能很好地解決nRF24L01與單片機數(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)點電路設計
接收節(jié)點的能量由穩(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，因為計算路由的過程非常繁瑣，程序較長，電路中用27C256芯片擴展了一個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)點部分接線如圖5所示。
2 無線測溫系統(tǒng)軟件設計
系統(tǒng)軟件采用了模塊化設計，主要包括監(jiān)測節(jié)點的溫度采集、接收節(jié)點的路徑計算和溫度顯示、無線傳輸?shù)?。下面主要給出了主程序、溫度采集程序、無線傳輸程序的設計思想。
2.1 主程序設計
系統(tǒng)的主程序設計主要完成系統(tǒng)初始化、中斷優(yōu)先級設定以及判斷調(diào)用各模塊程序，即主要實現(xiàn)各模塊的連接，然后再確定各個監(jiān)測節(jié)點所在位置對于接收節(jié)點的相對坐標。
2.1.1 接收節(jié)點主程序
系統(tǒng)上電以后，接收節(jié)點先進行初始化設置。初始化的內(nèi)容包括給相應的字符名稱賦值，打開中斷，等待中斷響應。當中斷響應后，單片機進入相應的中斷服務程序，接收來自所有監(jiān)測節(jié)點的序列號信息，計算出每個節(jié)點的位置并存儲，再計算出到達每個監(jiān)測節(jié)點的路徑，向監(jiān)測節(jié)點發(fā)送溫度測試指令，等監(jiān)測節(jié)點接收到完整數(shù)據(jù)后，將接收節(jié)點置接收方式，準備接收測得的數(shù)據(jù)。在接收節(jié)點接收完監(jiān)測節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)后，根據(jù)中斷指令進行顯示，保持一段時間以后，向第二個監(jiān)測節(jié)點發(fā)送溫度測試指令。按此順序循環(huán)，直到所有監(jiān)測節(jié)點的溫度被顯示。其流程圖如圖6所示。
2.1.2 監(jiān)測節(jié)點主程序
監(jiān)測節(jié)點主程序開始后首先進行初始化設置。初始化的內(nèi)容包括給相應的字符名稱賦值，設置串口通信參數(shù)。然后開始發(fā)送自己的序列號，接收其他節(jié)點的序列號組，如果其中不包含自己的序列號，則轉(zhuǎn)發(fā)；若包含，則不發(fā)。進入睡眠模式，直到收到接收節(jié)點的溫度測試指令，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；然后將測得的數(shù)據(jù)發(fā)送給接收節(jié)點，復位中斷返回，準備進行新的測試。其流程圖如圖7所示。
2.3 無線傳輸程序設計
無線傳輸通過nRF24L01無線收發(fā)芯片實現(xiàn)。為使系統(tǒng)程序編制更加簡單且穩(wěn)定性高，在設計中使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字節(jié)中的內(nèi)容，就可以實現(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)實驗室測試，取得了很好的效果且具有一定的實用性。傳感器節(jié)點間無障礙傳輸距離基本可達到50 m左右，當距離小于10 m時有很強的抗干擾能力，且溫度數(shù)據(jù)可完成多跳傳輸，準確無誤地到達接收節(jié)點。
參考文獻
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