基于NRF24L01的无线环境监测系统

摘要：介绍了以STC12LE5A60S2单片机为控制核心，选取DHT11为温湿度传感器，nRF24L01为无线收发芯片的的智能环境监测系统。主要介绍了系统构成、硬件电路及软件设计流程等几个方面。且此系统功耗小、电路简单、成本低、易于实现。

关键词：nRF24L01 无线传输技术 环境监测

中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）03-0030-02

1 引言

因无线传输技术的先进性、优越性及其迅猛发展，无线传输技术被越来越广泛的应用于各领域中，而利用无线传输技术对温度、湿度等环境参数进行监测并实时显示的工作方式也越来越广泛的应用于工农业生产中。传统的有线监测方式一般需要铺设很长的线路，布线复杂，空间占用率大，且线路故障时排除困难。而无线数据采集方式因具有无需布线、不受空间限制、布置灵活、实时监测性强等优点而受到人们的青睐。

本文采用的无线传输技术——射频识别技术更是一种成本低、功耗低、且易于在嵌入式系统中实现的无线传输技术。所谓射频识别技术即是一种可以通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需接触的双向数据通信方式。本文提出的就是一种基于nRF24L01无线射频收发芯片的实时环境监测系统。

2 系统实现方案

系统平面拓扑结构如（图1）所示，主要由三部分组成：温湿度采集分站、数据接收主站及监测主站。拥有自己独立地址的各无线温湿度采集器分布于监测环境的各监测点，自动进行温湿度数据采集。且各温湿度传感器以数据接收主站为中心组成无线数据传输网络。数据接收主站通过识别各温湿度采集器的地址与之通信及发送控制命令。当数据接收主机发送巡检命令时，对应的温湿度传感器将采集到的信息通过传输模块以无线方式传递给数据接收主站。数据接收主站接收到环境参数信息后通过串口通信方式将采集的温湿度数据信息上报给监测主站，最后计监测主站内部的信息管理系统等软件对数据进行分析、处理并进行实时显示。

本无线环境监测系统主要由STC12LEC5A60S2单片机（控制核心，低功耗，工作电压2.2～3.6V），nRF24L01无线收发芯片（用于数据无线收发，工作电压1.9～3.6V），DHT11温湿度传感器（用于温湿度数据采集，工作电压3.3～5.5V），ASM1117稳压电路（为系统提供3.3V电源），RS232串口电路（用于传输数据到PC机及程序的下载调试）组成。系统原理框图如（图2）所示。

控制芯片是整个系统的核心，单片机的选择对整个系统来说尤为重要。分析本系统我们选择的单片机需要满足以下几点：（1）有较大数据处理容量及丰富的外部接口；（2）高数据运算率；（3）低功耗，高抗扰性及性价比；（4）便于调试和下载；结合以上几点选择了宏晶科技生产的STC12LE5A60S2单片机。它是新一代的增强型8051单片机，低功耗设计，工作电压为2.2～3.6V，且指令代码完全兼容传统8051；集成有1280字节RAM；8通道，10位高速ADC，单机器周期；支持ISP/IAP，无需专用编程器及专用仿真器，可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户应用程序，且时间只需数秒。且具有通用全双工异步串行口（UART）及高速SPI串行通信接口。对于本系统的设计非常适用。

3 硬件电路设计

3.1 温湿度采集电路设计

DHT11温湿度传感器采用温湿度传感技术和数字模块采集技术，且内部含有已校准数字信号输出，因此具有响应快，高抗扰性，性价比高等优点。它主要是由一个NTC测温元件和一个电阻式感湿元件组成。主要通过DATA引脚与高性能的8位单片机进行输入输出双向传输，只需一根传输线（当传输线长度小于20m时，需用5kΩ电阻上拉）。且此种单线双向串行通信方式既能传输数据信号又能传输时钟信号，使得外围电路设计简单。工作电压为3.3～5.5V。其温湿度采集电路如（图3）所示。

3.2 无线传输电路设计

nRF24L01是一款工作在2.4GHz全球开放ISM频段的无线射频收发芯片。它无线数据传输速度为1或2Mbps，抗干扰能力强；具有自动应答及自动重发功能，内置硬件CRC检错和点对多点通信地址控制；125个可选工作频道，最多可实现1对6的无线通信，很短的频道切换时间，满足多点通信和跳频通信需要；当工作在发射模式下发射功率为-6dBm时电流消耗为9mA，接收模式时为12.3mA。掉电模式和待机模式下电流消耗更低。工作电压为1.9～3.6V；采用标准SPI总线接口进行数据通信，SPI接口通信速率可高达10Mbps。

本系统控制芯片与无线收发芯片之间采用的是SPI总线接口通信方式。且采用的是单主机—从机数据通信方式，STC12LE5A60S2单片机设定为主机而nRF24L01无线收发芯片设定为从机。其与单片机连接图如（图4）所示。其SPI接口通信原理如下，主机SPI与从机SPI的8位移位寄存器连接成一个循环的16位移位寄存器，当主机由程序控制向SPDAT数据寄存器写入一个字节信息时，SPI总线接口将会立即启动一个连续的8位移位通信过程：主机的SCLK引脚发出一串脉冲送入从机的SCLK引脚，在此脉冲的驱动下，主机SPI 8位移位寄存器中的数据将移动到了从机SPI的8移位寄存器中，与此同时，从机SPI的8位移位寄存器中的数据移动到了主机SPI的8位移位寄存器中。此为一个循环，由此，主机既可向从机发送数据，又可读从机中数据。

4 系统软件设计

4.1 温湿度数据信息采集分站软件设计流程

系统上电后，首先将STC12LE5A60S2、DHT11及nRF24L01初始化，再将nRF24L01配置为发射模式。此时DHT11温湿度传感器已经开始工作，自动采集温湿度数据信息，并将数据传输给单片机，单片机判断是否接收到数据，若判定为是，则将接收模块的地址及温湿度数据信息跟随时序由SPI接口写入到nRF24L01缓存区TX FIFO内，当有巡检命令到达时，将CE置高至少10us，启动nRF24L01为增强型ShockBurstTM发射模式。数据发射完毕后nRF24L01立即将数据通道0设置为接收模式，等待接收应答信号，其自动应答接收地址与接受模块地址相同。若在有效应答时间内成功接收到应答信号，则认为数据成功的被接收端接收，通信成功，同时状态寄存器将TX_DS位置高，并将TX FIFO中的数据清除，如果在有效应答时间内没有接收到应答信号，则启动自动重发功能重新发送数据，若自动重发次数达到编程设定上限，状态寄存器的MAX_RT位置高，将TX FIFO中的数据保留以便重新发送。发送成功后，将CE设置为低，nRF24L01模块进入待机模式，等待下一次数据发送的命令。其流程图如图5所示。

4.2 数据接收主站软件设计流程

接收数据时，第一步同样是STC12LE5A60S2及nRF24L01初始化，再将nRF24L01配置为接收模式。同时配置接收模块的接收地址及要接收数据包的大小，接受数据通道使能等。最后将CE设置为高，启动接受模式。130μs后nRF24L01进入接收状态，开始检测空中信息，等待数据包的到来。当接受模块检测到地址匹配CRC校验正确的有效采集温湿度数据后，将有效数据存储到RX FIFO寄存器中，同时状态寄存器中的RX_DR位置高，IRQ引脚变低，产生中断去通知MCU读取数据，单片机通过SPI接口将数据读出，同时接收完成后，nRF24L01进入发射模式，向发送模块发送应答信号。最后微控制处理器通过SPI接口将CE脚置低，使接收模块进入低功耗模式。等待下一个数据包的接收。其流程如图6所示。

5 结语

本文主要介绍了基于nRF24L01无线模块开发设计的一款无线环境监测系统。该系统解决了有线监测方式的布线复杂、浪费资源、不易检修等问题，并且具有结构简单、控制方便、工作稳定等优点，能实现智能的环境参数采集及可靠的无线数据传输。

参考文献

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[2]崔逊学，赵湛，王成.无线传感器网络的领域应用与设计技术[M].国防工业出版社，2009.

[3]温湿度传感器DHT11产品手册[EB/OL].http//.

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