基于DSP和nRF24L01的无线环境监测系统设计

摘要：设计基于DSP(Digital Signal Processor)和nRF24L01的无线环境监测系统。系统的主控部件选用的是TMS320LF2407，无线通信模块选用的是nRF24L01。文中论述了系统各硬件模块的选择方案，给出了各部分的软件设计。实验表明，该系统可以实现对环境温度、光照强度等的无线监测。
关键词：DSP；nRF24L01；无线传输；温度传感器；光度传感器

引言
    目前，我国环境监测设备已经有了长足的发展，例如应用卫星遥感技术进行环境监测，采用GPRS系统对地下水监测等，各种环境采样器也更加精确。但是大部分监测站的仪器装备技术含量较低，功能单一，稳定性和可靠性差，多数小型仪器采用有线通信方式，亟待更新换代。而且，我国在环境监测仪器方面的自主开发能力较弱，精密仪器的技术含量和工艺要求都比较高，使得目前大量的精密仪器无法实现本地化生产，主要依靠进口，这就导致了价格非常昂贵。
    本文基于DSP和nRF24L01设计了一种无线环境监测系统。该系统操作简便、测量迅速、造价低廉、便于携带，能满足一定灵敏度和准确度的要求，且采用无线数据通信作为传输载体，可应用于蔬菜大棚、生产车间、温室、矿井等场所的温度、光度监测与控制系统。
    例如，在蔬菜大棚中，蔬菜生长的适宜温度为20～30℃，大棚内白天增温快，当棚外平均气温为15℃时，棚内可达40～50℃，不利于蔬菜生长。同样，适当的光照强度对植物体内的硝酸盐代谢起极为重要的作用，是决定植株硝酸盐含量的主要因素之一，但过弱或过强的光照也不利于蔬菜的生长。因此，需要根据监测值适时调节棚内温度，以有效地避免不当的温度、光照对蔬菜的危害。

1 方案论证
    本无线环境监测系统是由一个主站和两个分站组成。主站由无线收发模块、信息处理模块、显示模块构成，功能是无线发送分站的编号和命令，并无线接收分站发送的信息，同时显示这些信息及分站的编号；分站由传感器模块、编码模块、信息处理模块、显示模块和无线收发模块构成，功能是采集温度、光照信息，显示所测信息，并将这些信息和自己的编号无线传输给主站。系统结构图如图1所示。

1．1 主控模块
    本方案中主控模块选择TI公司的DSP芯片TMS320LF2407。TMS320LF2407内置10位(双8路或单16路)A／D转换器、看门狗定时器模块；有41个可独立编程的数字I／O引脚，绝大部分有复用功能；外设接口有串行通信SCI(Serial Communication Interface)与串行外设SPI(Serial Periphera1 Interface)；2个事件管理器EVA、EVB可为所有类型电机提供控制技术，为工业自动化方面的应用奠定了基础；2个16位通用定时器，3个具有死区功能的全比较单元。
    较MCS-51系列单片机而言，TMS320LF2407内部有32 KB的Flash程序存储器和2．5 KB的SRAM，更能满足软件对空间的要求，且方便在线调试。利用其内置的10位A／D转换器，可以直接接温度、光度传感器模块，将测得的温度值、光照强度值等模拟量转换为TMS320LF2407可以处理的数字信息，避免了用MCS51进行A／D扩展带来的麻烦。另外，TMS320LF2407有41个可独立编程的数字I／O引脚，绝大部分有复用功能，更能满足硬件对I／O口的需求。使用TMS320LF2407的串行外设接口SPI，可以直接和无线传输模块nRF24L01提供的SPI接口相连，不需要软件模拟SPI。使用的开发环境是CCS3．0，完全支持C语言，方便程序编写。

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1．2 传感器模块
    选用热敏电阻来测量温度。其值较为准确，灵敏度较高；配合电桥使用，工作温度范围宽、体积小，使用方便；电阻值可在0．1～100 kΩ间任意选择。与热电偶相比，热敏电阻价格低廉；与DS18B20相比，热敏电阻需要编写的程序更加简单。
    选用光敏电阻来测量光照。较光敏二极管，光敏电阻更能显示出光的强弱；而且，它能够和热敏电阻应用到同一电路中。传感器模块电路如图2所示。

1．3 编码模块
    选用跳线开关组成编码模块。与普通开关组成编码模块相比较，成本更加低廉。用两列排针(各8位)：一列排针接到TMS320LF2407的I／O口，并经过10 kΩ电阻接+5 V电源VCC，另一列排针接地。两列排针对应的位用跳线帽相连时置0，否则为1。这样可以设置分站的编号0～255，即本系统最多可以扩展256个分站，用来监测不同地点的当前环境温度、光度值。
1．4 无线传输模块
    选用无线传输模块nRF24L01。它是一款工作在2．4～2．5 GHz世界通用ISM频段的单片无线收发器芯片，采用FSK调制，内部集成自己的协议，有自动应答及自动重发功能、地址及CRC检验功能，可实现点对点或1对6的无线通信，无线通信速度可达2 Mbps；而且，电流消耗极低，当工作在发射模式下发射功率为-6 dBm时电流消耗为9 mA，接收模式下为12．3 mA。nRF24L01与PT2262／2272相比，不需要编码和解码，程序简单；与nRF905相比，外围元件更少，不需要曼彻斯特编码；与nRF401相比，价位更低。
    TMS320LF2407只需为nRF24L01模块预留6个I／O口，分别与其6个控制和数据信号CSN、SCK、MISO、MOSI、IRQ、CE相连。TMS320LF2407与nRF24L01的连接电路如图3所示。

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1．5 显示模块
    选用型号为LG5011BSR的共阳极数码管，与液晶显示器相比，价格低廉。它由7段发光二极管组成，共有10只引脚。其中，3、8引脚为共阳极，其他引脚加低电平时对应的二极管就会亮，从而控制数码管显示相应的数值。
1．6 系统硬件结构
    传感器模块是信息采集的枢纽。如图2所示，电源电压经稳压管TL431稳压到2．5 V，提供给由普通电阻和热敏电阻组成的分压电路，以及普通电阻和光敏电阻组成的分压电路。热敏电阻分得的电压通过TO输出，接TMS320LF2407的ADCIN0；光敏电阻分得的电压通过LO输出，接TMS320LF2407的ADCIN1。利用读取A／D转换后的结果，并计算出对应的温度值和光线强度值，经查表输出显示。
    无线传输模块是数据传输的核心。如图3所示，TMS320LF2407通过6个I／O端口(IOPC0，IOPC1，SPISIMO，SPISOMI，SPICLK，SPISTE)，依次与nRF24L01模块的6个控制和数据信号IRQ、CE、MOSI、MISO、SCK、CSN相连。其中，CSN为芯片的片选线，CSN为低电平时芯片工作；SCK为芯片控制的时钟线；SOMI为芯片控制数据线；MOSI为芯片控制数据线；IRQ为中断信号，无线通信过程中DSP主要是通过SPI接口的SPISIM-O、SPISOMI与nRF24L01进行通信。CE为芯片的模式控制线，在CSN为低的情况下，CE协同nRF24L01的CONFIG寄存器共同决定nRF24L01的状态。
    显示模块用TMS320LF2407的IOPB0、IOPB1来模拟串行发送数据的过程，外接串入并出移位寄存器74LS164构成。当需要显示信息时，数据从IOPB0端在移位脉冲(由IOPB1输出)的控制下逐位移入74LS164，74LS164能将输入的串行数据转换为并行数据输出到数码管。这样的设计不仅节省I／O口，而且不占用串口资源。编码模块通过IOPA0～IOPA7与DSP相连。

2 软件设计
    系统的主站、分站程序流程如图4所示。主站程序主要包括初始化、无线发射、无线接收、数码管显示等部分；分站程序主要包括初始化、无线发射、无线接收、数据采集、数码管显示等部分。

2．1 初始化部分
    将数据地址、数据显示区地址等内容初始化为0，设置数据显示区地址的内容，进行数码管显示，以进行系统自检。

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2．2 无线发射部分
    首先设置nRF24L01为发射模式(设置发射和接收节点地址)，使能自动应答，配置自动重发次数，选择通信频率，配置发射参数，选择通道0有效数据宽度，配置nRF24L01的基本参数以及切换工作模式；然后设置发射数据，启动发射，发射完数据后会自动转入接收模式接收应答信号。

2．3 无线接收部分
    首先设置接收模式(即写接收节点地址)，使能自动应答，通道0接收地址允许，选择通信频率，选择通道0有效数据宽度，配置发射参数，配置nRF24L01的基本参数以及切换工作模式；然后启动接收，130μs后开始检测空中数据，若收到，则数据模块会自动发射应答信号。

2．4 数据采集部分
   分站对温度、光照、地址编号进行采集，通过读取I／O口得到地址编号的值，通过读取A／D来获得温度、光照的最初值，经过DSP处理后得到准确的温度、光度值。

2．5 数码管显示部分
    程序以模拟串口的方式实现数据显示，过程为：取一字节数据，移一位数据到I／O口中，通过置位另一I／O口高低电平来模拟时钟信号，即把数据一位一位地移到移位寄存器74LS164中，然后并行输出到数码管显示数据。

3 调试分析
3．1 系统板硬件部分调试
    系统板硬件部分调试主要是万用表检查电路通断情况，并测量部分关键引脚的电压是否达到要求。
3．2 环境温度测量调试
    首先，把标准温度计和热敏电阻同时放入冰水混合液中，标准温度计的示数为Y1，根据基础表值探测点显示为X1。接着，将它们放入沸水中，标准温度计的示数为Y2，根据基础表值探测点显示为X2，得出比例系数K=(X2-X1)／(Y2-Y1)=2。最后，在沸水和冰水混合液之间的温度内，测得标准温度Yi(i=3，4，…，30)和探测点显示值Xi(i=3，4，…，30)共28组，从而得到近似比例系数K=2±0．5。再通过软件部分进行数据的校准，建立温度数据表。最终，将温度计和温度传感器置于同一环境下记录测得的温度值，如表1所列。

3．3 环境光度测量调试
    ①将分站放置在灯光下，从最亮逐渐调暗，当暗到人眼看字有些费力时，从LED数码管上读得的光度原始数据为195 lx。
    ②将分站放置在自然光下，用手遮挡光度传感器，由亮到完全遮蔽，当暗到几乎无光线进入时，从LED数码管上读得的光度原始数据为198 lx。
    根据以上试验结果，结合人们的习惯思维，在程序上进行了一些设计。用195减去测得的原始数据，值小于等于零时显示为零，光照越强显示值越大。
3．4 无线通信调试
    首先进行分站单发送信息、主站单接收信息的调试，经过一步步改进，最终通信成功。然后再进行主站、分站(即发送又接收信息)的调试，经反复调试最终通信成功。

结语
    本文介绍的无线环境监测系统的控制采用TMS320LF2407实现。TMS320LF2407内部资源丰富，既有A／D转换器，又有SPI、SCI，省去了系统扩展的麻烦；另外，I／O口比较多，内部存储空间较大，有利于系统功能扩充。无线部分采用高度集成的nRF24L01器件，大大简化了系统硬件和软件设计，减小了体积，提高了系统工作的可靠性。
    经试验验证，用编码模块可以设置分站的地址编号1～255，并能实时采集到周围环境的温度和光照数据，平均误差控制在0．5℃以内，温度测量范围在0～100℃，各项数据都能通过数码管清晰地显示出来。光的有无还可通过一个发光二极管显示，有光时发光二极管灭，无光时发光二极管亮。主站能准确无误地无线接收分站数据，距离50 m左右仍能无线通信，但响应较慢。该系统携带方便，价格低廉，可应用到狭小的环境，可以随意放置；此外，还可再接入其他传感器，以测量更多的环境参数。