基于DS18B20和nRF2401的庫區(qū)測溫網絡無線傳輸系統(tǒng)

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

引言

　　庫區(qū)溫度直接關系到庫存物資的安全與性能，目前庫區(qū)溫度數(shù)據的傳輸大多采用有線方式，存在布線難度大、材料成本高、維護檢修不便等不足^[1-2]，并且數(shù)據線纜還易受雨雪、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，結合1-Wire器件DS18B20，設計開發(fā)一款庫區(qū)溫度數(shù)據無線傳輸系統(tǒng)。

1 總體方案

　　系統(tǒng)分為上位機與下位機兩大部分，二者之間的通信通過nRF2401實現(xiàn)，如圖1所示。上位機主要包括PC機和上位單片機，其功能是負責接收下位機傳送的溫度數(shù)據和應用程序的運行，這一部分技術較為成熟，可借鑒的資料較多，不作為本文的重點;下位機采用51系列單片機AT89S51作為控制器，主要負責溫度數(shù)據的采集、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計。

2 電路設計

　　下位機電路設計的重點是測溫網絡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，構建一個1-Wire總線的測溫網絡。DS18B20是1-Wire總線的數(shù)字溫度傳感器，可直接將被測溫度轉化成串行數(shù)字信號供單片機處理，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，特別適合單片機應用場合^[6-8]。

　　圖2是市售nRF2401無線模塊，設計上位機、下位機電路時，只需留出相應接口即可。

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

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

3 軟件編程

　　下位機編程重點在于溫度數(shù)據的采集與傳送，也就是DS18B20和nRF2401的軟件設計。

3.1 1-wire 總線的基本原理和操作

　　軟件設計之前，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)據線同時傳輸時鐘信號和數(shù)據，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，主機對各器件的尋址依據這64位的ID碼來進行。

　　為保證在一條數(shù)據線上實現(xiàn)雙向通信，對DS18B20的操作必須遵循嚴格的讀寫時序[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 復位子函數(shù)

　　在復位與應答時序中，主機發(fā)出復位信號，要求1-wire器件在規(guī)定的時間內送回應答信號。

　　首先主機將總線拉低480μs，發(fā)出復位脈沖，然后產生一個上升沿的跳變，并延時60μs等待1-wire器件的應答;1-wire器件將總線拉低240μs，發(fā)出應答，主機收到應答后，再對DS18B20進行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，主機要在規(guī)定的時間內讀回或寫出數(shù)據。

　　寫時序時，主機在拉低總線15μs之內釋放總線，并向1-wire器件寫1;讀時序時，主機發(fā)出讀數(shù)據命令，產生讀時序，1-wire器件隨即向主機傳輸數(shù)據。

3.2 DS18B20的溫度轉換

　　DS18B20網絡溫度測量的步驟一般是：器件初始化、復位、ROM操作、溫度轉換。初始化及復位完成后，要對網絡中的器件進行ROM識別，然后再讀取溫度數(shù)據。

3.2.1 利用二叉樹遍歷算法進行器件識別

　　二叉樹遍歷算法是搜索識別網絡中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]。

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

　　00表示從機在當前位上有位分叉，即0和1兩個分支;

　　01表示從機的當前位均為0;

　　10表示從機的當前位均為1;

　　11表示總線上無器件響應。

　　顯然，出現(xiàn)11時搜索應退出。

　　對于前3種情況，根據搜索策略，主機向從機寫1位數(shù)據，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：一是網絡上DS18B20發(fā)回的位數(shù)據呈“線與”關系^[10];二是DS18B20中64位ID碼標記為第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)據的讀取

　　轉換完成后的溫度數(shù)據由低8位和高8位組成，且低8位在前，需將其轉換為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)，如果是負溫度，則從溫度寄存器讀出的是補碼，應將補碼取反加1得到原碼。

　　需要注意，單片機發(fā)出讀取溫度寄存器命令后，DS18B20會返回9組數(shù)據，其中第一組數(shù)據的低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。另外程序中應增加延時函數(shù)，確保溫度轉換完成。

3.3 nRF2401程序設計要點

　　溫度轉換完成后，由nRF2401將數(shù)據發(fā)送給上位機，并接收上位機發(fā)出的指令，實現(xiàn)雙向通信。

3.3.1 初始化配置與數(shù)據收發(fā)

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

　　nRF2401的CE管腳為0時處于待機模式，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。