基于DS18B20和nRF2401的庫區(qū)測溫網(wǎng)絡(luò)無線傳輸系統(tǒng)

摘要：為解決庫區(qū)溫度測量布線難度大、材料成本高、維護(hù)檢修難的問題，論文提出了一種用單片機(jī)作為控制核心，用DS18B20搭建多點測溫網(wǎng)絡(luò)，nRF2401作為傳輸器件的庫區(qū)溫度數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)。經(jīng)實際測試，該系統(tǒng)測量準(zhǔn)確度高、傳輸距離遠(yuǎn)、性能可靠，具有較好的應(yīng)用前景。

引言

　　庫區(qū)溫度直接關(guān)系到庫存物資的安全與性能，目前庫區(qū)溫度數(shù)據(jù)的傳輸大多采用有線方式，存在布線難度大、材料成本高、維護(hù)檢修不便等不足^[1-2]，并且數(shù)據(jù)線纜還易受雨雪、潮濕、鼠害等破壞。為克服此類弊端，本文采用nRF2401無線傳輸模塊，結(jié)合1-Wire器件DS18B20，設(shè)計開發(fā)一款庫區(qū)溫度數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)。

1 總體方案

　　系統(tǒng)分為上位機(jī)與下位機(jī)兩大部分，二者之間的通信通過nRF2401實現(xiàn)，如圖1所示。上位機(jī)主要包括PC機(jī)和上位單片機(jī)，其功能是負(fù)責(zé)接收下位機(jī)傳送的溫度數(shù)據(jù)和應(yīng)用程序的運行，這一部分技術(shù)較為成熟，可借鑒的資料較多，不作為本文的重點;下位機(jī)采用51系列單片機(jī)AT89S51作為控制器，主要負(fù)責(zé)溫度數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸，圖1僅畫出兩組溫度傳感器和繼電器，實際連接10組。本文將著重介紹其硬件電路和軟件設(shè)計。

2 電路設(shè)計

　　下位機(jī)電路設(shè)計的重點是測溫網(wǎng)絡(luò)和無線傳輸模塊的搭建，為實現(xiàn)多點測溫，選用Dallas公司出品的DS18B20，構(gòu)建一個1-Wire總線的測溫網(wǎng)絡(luò)。DS18B20是1-Wire總線的數(shù)字溫度傳感器，可直接將被測溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號供單片機(jī)處理，適用于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量^[3-4];無線傳輸模塊選用新型單片射頻收發(fā)器件nRF2401，該器件工作于2.4 GHz～2.5 GHz ISM頻段，輸出功率和通信頻道可通過編程進(jìn)行配置^[5]，同時，nRF2401功耗低，在以-6dBm的功率發(fā)射時，工作電流僅9mA，接收信號時，工作電流也僅12.3 mA，特別適合單片機(jī)應(yīng)用場合^[6-8]。

　　圖2是市售nRF2401無線模塊，設(shè)計上位機(jī)、下位機(jī)電路時，只需留出相應(yīng)接口即可。

　　圖3是設(shè)計的電路原理圖，單片機(jī)P12口連接10個測溫器件(圖中僅畫出3個)，從而構(gòu)建一個小型1-Wire總線測溫網(wǎng)絡(luò)，可實現(xiàn)10個庫區(qū)的溫度測量;單片機(jī)其他口線連接有10個繼電器(圖中畫出2個)，用來控制10個庫區(qū)散熱風(fēng)扇的運轉(zhuǎn);無線模塊nRF2401通過接口端子與單片機(jī)連接，此處注意nRF2401工作電壓是3.3V，需增加電壓轉(zhuǎn)換芯片，為節(jié)省篇幅圖中并未畫出。

　　上位機(jī)接收部分的電路主要由上位單片機(jī)、無線模塊接口和電平轉(zhuǎn)換部分組成，這是由于nRF2401輸出數(shù)據(jù)格式是TTL電平，而PC機(jī)串口是MAX232電平，為此需要增加一個電平轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行匹配。

3 軟件編程

　　下位機(jī)編程重點在于溫度數(shù)據(jù)的采集與傳送，也就是DS18B20和nRF2401的軟件設(shè)計。

3.1 1-wire 總線的基本原理和操作

　　軟件設(shè)計之前，首先要了解1-wire 總線的原理。1-wire總線的特點是用一條數(shù)據(jù)線同時傳輸時鐘信號和數(shù)據(jù)，總線上每一個器件都有一個唯一的地址，包括48位的序列號、8位的家族碼和8位的CRC碼，主機(jī)對各器件的尋址依據(jù)這64位的ID碼來進(jìn)行。

　　為保證在一條數(shù)據(jù)線上實現(xiàn)雙向通信，對DS18B20的操作必須遵循嚴(yán)格的讀寫時序[9]。以下介紹基于1-wire總線的幾種典型操作，其余的1-wire總線命令都是由這些典型操作而來。

3.1.1 復(fù)位子函數(shù)

　　在復(fù)位與應(yīng)答時序中，主機(jī)發(fā)出復(fù)位信號，要求1-wire器件在規(guī)定的時間內(nèi)送回應(yīng)答信號。

　　首先主機(jī)將總線拉低480μs，發(fā)出復(fù)位脈沖，然后產(chǎn)生一個上升沿的跳變，并延時60μs等待1-wire器件的應(yīng)答;1-wire器件將總線拉低240μs，發(fā)出應(yīng)答，主機(jī)收到應(yīng)答后，再對DS18B20進(jìn)行ROM命令。

3.1.2 讀寫操作

　　所有的讀寫時序至少需要60μs，在位讀和位寫時序中，主機(jī)要在規(guī)定的時間內(nèi)讀回或?qū)懗鰯?shù)據(jù)。

　　寫時序時，主機(jī)在拉低總線15μs之內(nèi)釋放總線，并向1-wire器件寫1;讀時序時，主機(jī)發(fā)出讀數(shù)據(jù)命令，產(chǎn)生讀時序，1-wire器件隨即向主機(jī)傳輸數(shù)據(jù)。

3.2 DS18B20的溫度轉(zhuǎn)換

　　DS18B20網(wǎng)絡(luò)溫度測量的步驟一般是：器件初始化、復(fù)位、ROM操作、溫度轉(zhuǎn)換。初始化及復(fù)位完成后，要對網(wǎng)絡(luò)中的器件進(jìn)行ROM識別，然后再讀取溫度數(shù)據(jù)。

3.2.1 利用二叉樹遍歷算法進(jìn)行器件識別

　　二叉樹遍歷算法是搜索識別網(wǎng)絡(luò)中1-Wire器件的編程首選，二叉樹遍歷算法的要點可歸納為“讀2位，寫1位” ^[4]。

　　首先主機(jī)向從機(jī)發(fā)出搜索命令，等待從機(jī)向主機(jī)發(fā)回當(dāng)前位之后，再讀從機(jī)發(fā)回當(dāng)前位的反碼，這兩個位數(shù)據(jù)的編碼存在4種可能：00、01、10和11。

　　00表示從機(jī)在當(dāng)前位上有位分叉，即0和1兩個分支;

　　01表示從機(jī)的當(dāng)前位均為0;

　　10表示從機(jī)的當(dāng)前位均為1;

　　11表示總線上無器件響應(yīng)。

　　顯然，出現(xiàn)11時搜索應(yīng)退出。

　　對于前3種情況，根據(jù)搜索策略，主機(jī)向從機(jī)寫1位數(shù)據(jù)，決定繼續(xù)搜索哪一分支。第2和第3種情況下，搜索僅有一個方向，如果是第1種情況即出現(xiàn)00時，需要選擇下一步搜索路徑，方法是比較搜索位所在位置和最后一次發(fā)生位差異的所在位置，若二者相等，搜索1分支，若前者>后者，搜索0分支，若前者<后者，則采用上一次的搜索路徑。

　　在此需要注意兩點：一是網(wǎng)絡(luò)上DS18B20發(fā)回的位數(shù)據(jù)呈“線與”關(guān)系^[10];二是DS18B20中64位ID碼標(biāo)記為第1—64位，而不是0—63位，空出來的0用來表示差異位位置記錄的初始狀態(tài)。

3.2.2 溫度數(shù)據(jù)的讀取

　　轉(zhuǎn)換完成后的溫度數(shù)據(jù)由低8位和高8位組成，且低8位在前，需將其轉(zhuǎn)換為1個16位的數(shù)，高5位代表符號，低11位是溫度值。11位的溫度值中高7位是溫度整數(shù)，低4位是溫度小數(shù)，如果是負(fù)溫度，則從溫度寄存器讀出的是補碼，應(yīng)將補碼取反加1得到原碼。

　　需要注意，單片機(jī)發(fā)出讀取溫度寄存器命令后，DS18B20會返回9組數(shù)據(jù)，其中第一組數(shù)據(jù)的低4位代表溫度的小數(shù)值，因此溫度小數(shù)部分的精度為1/16=0.0625。另外程序中應(yīng)增加延時函數(shù)，確保溫度轉(zhuǎn)換完成。

3.3 nRF2401程序設(shè)計要點

　　溫度轉(zhuǎn)換完成后，由nRF2401將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)，并接收上位機(jī)發(fā)出的指令，實現(xiàn)雙向通信。

3.3.1 初始化配置與數(shù)據(jù)收發(fā)

　　nRF2401初始化配置包括設(shè)置待機(jī)模式、CRC校驗、收發(fā)完成后中斷響應(yīng)、選擇射頻通道、設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸率和發(fā)射功率。

　　nRF2401的CE管腳為0時處于待機(jī)模式，為1時處于收發(fā)模式，收發(fā)模式有ShockBurst模式和直接模式兩種，本文選擇速度較快、功耗較低的ShockBurst模式。