基于NRF905的無線溫度采集系統(tǒng)設計

 摘要：針對有線溫度采集技術的局限性，設計了一種低功耗多點無線溫度采集系統(tǒng)。對溫度采集系統(tǒng)的設計方案進行了介紹，同時對系統(tǒng)的硬件設計進行了分析，并重點對溫度采集系統(tǒng)的軟件進行設計。編程采用C語言，主要分為主程序、溫度采集和NRF905無線通信三部分。所設計的溫度采集系統(tǒng)具有測量精度高、受環(huán)境影響小、成本低等優(yōu)點。

0 引言

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，溫度是最為常見、最為重要的物理工藝參數(shù)之一。隨著社會的發(fā)展，工業(yè)中對溫度測量的要求也越來越高，測量數(shù)據(jù)的范圍也越來越大。溫度采集系統(tǒng)設計時，傳感器模塊的設計將直接影響著數(shù)據(jù)的測量效果，隨著測量要求的提高，傳感器模塊電路的復雜程度也會越來越高，無疑帶來布線的困難和效率的下降，同時存在著易短路，易老化等隱患，給系統(tǒng)的綜合調(diào)試和維護帶來難度。與傳統(tǒng)的有線通信技術相比，無線傳輸技術具有測量精度高、受環(huán)境影響小、成本低等優(yōu)點。本文將傳感器技術與無線通信技術相結合，實現(xiàn)無線溫度采集功能。

1 設計原理和方案

無線溫度采集系統(tǒng)是一種基于射頻技術的無線溫度檢測裝置。系統(tǒng)中由溫度傳感器將溫度采集后輸出的模擬信號逐步送往信號放大電路、低通濾波器以及A/D轉換器(即信號調(diào)理電路)，然后在單片機的控制下將A/D轉換器輸出的數(shù)字信號傳送到無線收發(fā)芯片中，并通過芯片的調(diào)制處理后由芯片內(nèi)部的天線發(fā)送到上位機，在上位機模塊中，發(fā)送來的數(shù)據(jù)由單片機控制的無線收發(fā)芯片接收并解調(diào)，最后通過接口芯片發(fā)送到PC機中進行顯示和處理。

系統(tǒng)包括無線采集、主機控制和PC機三個通信節(jié)點：無線采集節(jié)點實現(xiàn)溫度采集和溫度數(shù)據(jù)的收發(fā);主機控制節(jié)點實現(xiàn)簡單通信控制和無線數(shù)據(jù)收發(fā)，并可通過串口傳到上位機;PC機節(jié)點為數(shù)據(jù)采集提供計算機通信方式，為實現(xiàn)更強大功能提供上位機軟件設計平臺，系統(tǒng)設計方案如圖1所示。

2 硬件設計

根據(jù)設定好的系統(tǒng)方案，進行硬件電路的具體設計，由于主機和從機各模塊的硬件設計原理基本相同，而溫度采集和NRF905無線通信模塊都在從機部分，這里重點分析從機的硬件設計，系統(tǒng)結構圖如圖2所示。

2.1 溫度采集

溫度采集模塊的主要功能是對模擬量進行數(shù)字化，這里選用逐次逼近型模數(shù)轉換器ADC0832芯片，該芯片具有8位分辨率，轉換范圍為0～5 V。由于數(shù)據(jù)的輸入和輸出不在同一時間進行，所以DI和DO可以接到同一個引腳上。ADC0832使用SPI串行接口與單片機進行通信，電源電壓為+5 V，去耦電容C為0.1μF，硬件電路如圖3所示。

2.2 NRF905無線通信

無線通信模塊采用單片433/868/915 MHz無線收發(fā)器NRF905芯片。該芯片與單片機的接口為SPI口，調(diào)制采用GFSK高斯頻移鍵控方式，具有很強的抗干擾能力。波段采用ISM免費波段，供電電壓為1.9～3.6 V，選用3.3 V供電，器件選用AMS1117-3.3，發(fā)射功率最大為10 dBm，硬件電路如圖4所示。

3 軟件設計

硬件部分完成后，下面進行軟件的設計，溫度采集系統(tǒng)程序設計主要包括主程序、溫度采集和NRF905無線通信三部分。

3.1 主程序

程序開始后，先進行初始化，然后等待控制命令，即按下所需的溫度采集節(jié)點號，然后調(diào)用人工控制程序，進行相應的通道切換，同時接收采集數(shù)據(jù)并調(diào)用LCD顯示程序將其顯示，并將數(shù)據(jù)及時發(fā)送給中央單元，設計流程如圖5所示。

3.2 溫度采集

溫度采集可分為系統(tǒng)初始化、等待NRF905接收和接收主機命令三部分。結合硬件設計，接收主機命令時，應采用通道0(CH0)來進行溫度采集，具體程序如下：

3.3 NRF905無線通信

NRF905無線通信分為發(fā)送和接收兩部分，以數(shù)據(jù)發(fā)送為例進行分析。NRF905數(shù)據(jù)發(fā)送可以分為確定數(shù)據(jù)和地址、確定發(fā)送模式、數(shù)據(jù)發(fā)送和發(fā)送完成四步。當有數(shù)據(jù)提出發(fā)送請求時，從機地址和待發(fā)送的數(shù)據(jù)按時序經(jīng)SPI接口傳送給NRF905，SPI接口的速率由器件引腳配置信息決定。同時，TRX_CE和TX_EN被置成高電平，激發(fā)NRF905的ShockBurstTM發(fā)送模式，數(shù)據(jù)由NRF905不斷發(fā)送，直至TRX_CE被置低。TRX_CE被置低后，數(shù)據(jù)發(fā)送過程完成，系統(tǒng)自動進入待機模式等待下次數(shù)據(jù)請求，具體設計流程如圖6所示。

4 數(shù)據(jù)實測

數(shù)據(jù)測量時為了驗證設計效果，選擇了五種不同溫度環(huán)境，首先在實驗室搭建了溫度采集硬件電路，接著用KeiluVision4軟件編程和編譯得到[.hex]文件，最后用STC_ISP_V483軟件對芯片進行燒寫。把實驗電路和蘇州領航測控技術有限公司生產(chǎn)的SHWD—T486型無線多點溫度計測量的溫度值作對比，由表1數(shù)據(jù)可知有兩組值和SHWD—T486型測量數(shù)據(jù)一樣，剩余三組數(shù)據(jù)的相對測量精度也都在0.18%以下，測量精度較高，且受環(huán)境影響較小。

5 結語

對溫度采集系統(tǒng)的設計方案進行了介紹，同時對系統(tǒng)的硬件設計進行了分析，并重點對溫度采集系統(tǒng)的軟件進行設計，編程采用C語言，主要分為主程序、溫度采集和NRF905無線通信三部分。設計的溫度采集系統(tǒng)與采用傳統(tǒng)設計方法相比具有測量精度高、受環(huán)境影響小、成本低等優(yōu)點，在工業(yè)生產(chǎn)過程中具有實際應用和推廣價值。