基于nRF905无线模块的温度采集系统设计

方案

无线温度采集系统是一种基于射频技术的无线温度检测装置[4]，分为主节点和从节点两大部分。系统设计两个温度采集从节点，将温度传感器采集到的数据经GFSK调制后以无线方式传送给主节点[5]。主节点通过循环方式接收各点的温度数据，并在液晶屏上实时显示温度数值。系统结构框图如图1所示。各节点均采用STC89C52单片机[6]作为控制器。利用数字温度计DS18B20实时采集各点温度。

2 系统硬件设计

系统的硬件电路主要包括：电源模块电路；温度采集电路；无线收发电路；温度显示电路。电源模块电路实现直流电压转换功能。系统采用9 V直流电池供电，利用芯片AMS1117⁃5.0 V和AMS1117⁃3.3 V将电源分别转换成单片机和nRF905所需的直流电源，即5 V和3.3 V。在温度显示电路中选择字符型LCD1602显示两个节点的温度数值。液晶模块采用直接访问方式连接电路，即只要利用单片机的I/O与液晶的对应接口相连即可实现硬件连接。

2.1 温度采集电路

DSl8B20是美国Dallas公司生产的三脚集成单总线数字温度计DS18B20，可直接输出二进制温度数值，指示环境的温度，无需模数转换。采用单总线方式与单片机通信，即仅需一根口线即可实现数据传输，该口线既传输时钟，又传输数据。外围电路简单，温度采集电路如图2所示。DS18B20的测量范围为-55～125 ℃，可编程设置精度为9～12位。

2.2 nRF905模块电路

系统采用的无线收发模块是在nRF905无线射频芯片基础上进行优化设计。nRF905采用Nordic公司的VLSI ShockBurst技术。ShockBurst技术使nRF905能够提供高速的数据传输，而不需要昂贵的高速MCU进行数据处理/时钟覆盖[7]。nRF905可自动完成处理字头和CRT（循环冗余码校验）的工作[8⁃9]。该模块工作于433 MHz免许可证使用频段的无线射频收发模块，通过SPI接口与单片机进行数据交换。根据配置内部寄存器设置收发器的频率、功率、地址和数据的字节等信息。

nRF905共有四种工作模式，包括两种活动RX/TX 模式和两种节电模式。nRF905工作模式由TRX_CE，TX_EN，PWR_UP的设置来设定。nRF905的工作模式如表1所示。

3 系统软件设计

3.1 系统程序设计思路

程序设计由接收端和发送端两部分组成。接收端程序即为主节点部分程序，首先配置nRF905并设置为接收模式，然后通过检波接收到对应的的数据后储存在nRF905内部寄存器，单片机通过SPI方式读取nRF905寄存器中的数据，最后通过LCD1602显示相应的温度数据。根据定义节点的地址不同以区分两个从节点，选择循环方式读取两个节点的温度信息。接收端程序流程如图3所示。

3.2 nRF905模块收发流程

nRF905收发模块可将与射频协议有关的高速信号处理全部放到nRF905芯片内部进行[10]。nRF905发送流程过程为：首先单片机通过SPI接口按时序把接收机的地址和要发送的数据传送给nRF905，SPI接口的速率在通信协议和器件配置时确定；其次单片机置高TRX_CE和TX_EN，激发nRF905的ShockBurstTM发送模式；然后nRF905不断重发，直到TRX_CE被置低；最后当TRX_CE被置低，nRF905发送过程完成，自动进入空闲模式。一旦发送数据的过程开始，无论TRX_EN和TX_EN引脚是高或低，发送过程都会被处理完。只有在前一个数据包被发送完毕，nRF905才能接收下一个发送数据包。发送程序如下：

void nRF905_SendData（）

{

nRF905_TxOn（）；

//切换到SPI编程模式，PWR=1；TX_EN=1；TRX_CE=0；

nRF905_SetTxAddress（）；

//单片机通过SPI向nRF905写发送地址；

nRF905_SetData（）；

//单片机通过SPI向nRF905写发送数据；

nRF905_TxSend（）； //启动发送模式，TRX_CE=1；

nRF905_WaitSended（）； //等待发送结束，DR=1；

}

nRF905接收流程过程为：当TRX_CE为高、TX_EN为低时，nRF905进入ShockBurstTM接收模式，等待接收数据；当nRF905检测到同一频段的载波时，载波检测引脚被置高；当接收到一个相匹配的地址，AM引脚被置高；当一个正确的数据包接收完毕，nRF905自动移去字头、地址和CRC校验位，然后把DR引脚置高；单片机把TRX_CE置低，nRF905进入空闲模式；单片机通过SPI接口以一定的速率读取数据；当所有的数据接收完毕，nRF905把DR引脚和AM引脚置低。接收程序如下：

void nRF905_ReceiveData（）

{

nRF905_RxOn（）； //切换到接收模式，PWR=1；TX_EN=0；TRX_CE=1；

nRF_delay（45）； //延时>650 μs，等待模式切换；

while（AM==0）； //AM=1，地址匹配正确；

while（DR==0）； //DR=1，数据接收正确而且CRC正确；

TRX_CE=0； //进入待机状态；

nRF905_ReadData（）； //单片机通过SPI读出接收到的数据；

}

4 结 语

系统对nRF905的配置寄存器设置频段为433.1 MHz，发射功率为10 dB，发射电流可达30 mA。测量系统采用外接长约10 cm天线，经实测，在操场空旷地带有效测温距离约为200 m，在室内穿过数个教室墙壁仍能良好的通信。测量温度精度达0.5 ℃，测温周期为1 s，周期可由单片机内部定时器调整。本设计具有外围元件较少、成本低、使用方便等优点。系统扩展灵活，可在此基础上扩展新的功能，以便适应于不同的场合要求。

参考文献

[1] 潘小龙，张建滨，孟俊杰，等.基于nRF905的无线温度采集系统设计与实现[J].电子设计工程，2011，19（12）：75⁃78.

[2] 朱士群，牛伟，耿淑琴，等.基于nRF905无线通信系统的设计[J].现代电子技术，2013，36（5）：33⁃36.

[3] 邵帅.基于nRF905的温度数据采集及无线传输系统的设计[D].武汉：武汉科技大学，2010.

[4] 顾涵，徐健，劳裔豪.基于nRF905的无线温度采集系统设计[J].现代电子技术，2013，36（23）：121⁃123.

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[6] 张毅刚.单片机原理及接口技术（C51编程）[M].北京：人民邮电出版社，2011.

[7] 张孝云，江小华.基于nRF905的无线加速度测量系统设计[J].现代电子技术，2011，34（17）：153⁃155.

[8] 袁江，曹金伟，邱自学，等.基于WSN的粮库温湿度无线监测系统[J].测控技术，2012，31（4）：77⁃81.

[9] 夏德印，邵友，陈国定.基于无线传感网络的温度监控系统[J].工业仪表与自动化装置，2011（3）：21⁃24.

[10] 马进，赵永，刘卫亮，等.基于RF的多点温度采集系统的设计与应用[J].通信电源技术，2013，30（4）：48⁃50.