基于NRF24L01的无线温度监控系统设计与实现

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　　摘要：温度作为一个重要的环境参数，在工业、医疗、军事、生产以及生活等都是影响巨大的，在这些区域都是的需要安装温度检测装置来检测温度的，传统的直接布线测量已经无法满足现代的发展，尤其是在部分环境恶劣的场景中，需要更为先进、合理的温度检测装置来进行温度监控。无线温度采集在针对恶劣的环境的适应良好，但是当前部分无线温度采集设备的成本过高，导致无法得到广泛使用，对于温度监控过程中要求监控系统具备稳定性、实时性又需要降低功耗，为此设计一种低成本、低功耗的无线温度监控系统意义重大。本文主要以STM32单片机作为主控处理器、DS18B20作为温度采集设备，通过NRF24L01模块实现无线数据传输，本系统能实现温度检测、无线数据传输，系统结构简单、成本低，是目前无线温度监控系统发展的一种方案。
　　关键词：NRF24L01 STM32单片机 无线传输 温度
　　中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）02-0000-00
　　在工业现场过程中，生产环境恶劣，如果工作人员长时间停留在现场观察生成状况和设备运行状况，极易损害工作人员健康，如果能够将生成情况以及设备运行情况通过数据形式传输到一个环境良好的工作室中。将数据传输到无害工作室中，需要建设传输线路，如果使用有线的话，由于厂房大、需要传输数据多，使用传统的有线数据传输方式就需要铺设很多很长的通讯线，浪费资源，占用空间，可操作性差，出现错误换线困难。而且，当数据采集点处于运动状态、所处的环境不允许或无法铺设电缆时，数据甚至无法传输，此时便需要利用无线传输的方式进行数据采集。
　　1系统设计
　　1.1主控芯片
　　方案一：采用AT89C51单片机作为主控芯片，价格便宜、操作简便、低功耗、经济实惠，但是功能单一、数据处理处理能力较差。
　　方案二：采用ST公司的STM32F103系统单片机，功能强大、设计者容易上手，内置强大的定时器、高速ADC以及SPI结构，但是价格较高。
　　考虑到此系统需要强大的定时器以及数据处理能力，选择方案三使用STM32单片机作为主控。
　　1.2无线模块
　　方案一：采用TI公司CC2430无线通信模块，此模块采用Zigbee总线模式，传输速率高达250kbps，但是模块价格高而且ZigBee的无线协议复杂，难以短时间上手使用。
　　方案二：采用NRF24L01无线射频模块进行通信，高速低功耗、传输距离远价格较便宜，采用SPI总线通信模式电路简单，操作方便，价格相对较低。数据传输稳定。
　　考虑到系统的复杂性和程序的复杂度，我们采用方案二作为本系统的通信模块。
　　1.3温度采集模块
　　为降低系统成本，减少工作量，使用DS18B20温度传感器作为本系统的温度采集装置。
　　综合上述，本系统采用STM32单片机为主控芯片，NRF24L01模块作为无线数据传输模块，DS18B20作为温度采集装置，控制系统为UCOS II系统，系统有两台STM32单片机装置实际而成，一台装置负责对目标地区的温度采集并通过NRF24L01无线模块将温度数据发送出去，另一台装置放置在工作地区，负责接收采集装置发送出来的温度数据并且其显示在数码管显示，供工作人员查看与记录，以便实时控制生产区域的情况。
　　2软件设计
　　该无线温度系统的软件系统主要为UCOS II系统，通过KEY4编写好无线模块NRF24L01以及DS18B20驱动程序，从UCOS官网下载UCOSII的源代码，将其移植到STM32单片机中，之后通过数据手册配置系统内部定时器、SPI总线接口以及DS18B20数据输入引脚，定时器每10S通过采集装置的发送模块向显示模块发送温度数据。
　　2.1 温度传感器DS18B20驱动
　　DS18B20，单线数字温度传感器，现场温度直接以"一线总线"的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性，驱动程序只需要通过DS18B20的数据引脚，处理数据引脚的电平变化，通过数据手册上的时序，设计相应的算法，计算出温度值即可。
　　2.2无线模块NRF24L01驱动
　　nRF24L01，单片射频收发器件，工作于2.4 GHz～2.5 GHz ISM频段，内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，并融合了增强型ShockBurst技术，多种低功率工作模式（掉电模式和空闲模式）使节能设计更方便。NRF24L01芯片封装，其为SPI器件，可以直接接在STM32单片机上的SPI总线接口，通过SPI总线直接驱动。NRF24L01共有4种工作模式：发射模式、接收模式、空闲模式及掉电模式，采集端NRF24L01模块配置成发射模式，而显示端配置接收模式，而为了降低系统功耗，可以根据实际生产设计NRF24L01模块定期进入待机模式，降低系统功耗。
　　3结语
　　本系统所使用本的无线模块、采集器以及主控芯片皆是在低功耗、低成本的基础之上来选择的，而且本次还存在的功能扩展与加强的部分，例如增加湿度、烟雾的监控等等，通过上述对本无线温度监控系统的设计，相信本系统工业生产、生活中将会的到广泛的应用，
　　参考文献
　　[1]周航慈.单片机应用程序设计技术[M].北京航空航天大学出版社，1991.
　　[2]滕飞，胡湘娟，阳泳.基于STM32F103的空中鼠标设计与论述[J].科技创新与应用.2015（34）.
　　[3]尹辉辉，余建坤，阳泳，周毅.基于Zigbee技术的无线传感网络探讨[J].数字技术与应用.2015（08）.
　　收稿日期：2015-12-17
　　作者简介：张勇强（1992―）男，福建三明人，汉族，本科在读，邵阳学院信息工程系通信工程专业，研究方向：嵌入式系统；阳泳（1994―）男湖南邵阳人，瑶族，本科在读，邵阳学院信息工程系电子信息工程专业 ，研究方向：嵌入式系统。
　　通讯作者：余建坤（1966―），男，湖南冷水江人，硕士，副教授，研究方向：现电子设计理论。
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