基于nRF24L01的无线温度采集系统设计

1 引言
    温度采集系统所采集的温度通常通过RS485、CAN总线通信方式传输至上位机，但这种方式维护较困难，不利于工业现场生产；而无线通信GPRS技术传输距离长，通信可靠稳定，但设计复杂、成本昂贵。这里采用工业级内置硬件链路层协议的低成本单芯片nRF24L01型无线收发器件实现系统间的无线通信，完成无线信号的接收、显示及报警功能。

2 nRF24L01简介
    nRF24L01是一款工业级内置硬件链路层协议的低成本无线收发器。该器件工作于2．4 GHz全球开放ISM频段，内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，并融合增强型ShockBurst技术，其输出功率和通信频道可通过程序配置。拥有ShockBurst和Enhanced ShockBurst两种数据传输模式。可直接与单片机I／O连接，外接元件数目少。nRF24L01功耗低，以-6 dBm的功率发射时，工作电流仅9 mA；接收时，工作电流仅12．3 mA，多种低功率工作模式(掉电和空闲模式)更利于节能设计。

3 系统硬件设计
    系统硬件设计主要由采集发送和接收显示两部分组成。图1为采集发送电路原理图，该电路主要由温度传感器DS18B20、单片机STC12LE5408和nRF24L01组成。
　　

 

　　STC12LE5408是增强型8051单片机，速度快，集成度高，电压范围宽(2．2～3．8 V)，和MCS-51系列单片机指令系统完全兼容。其内部还有8 KB Flash程序存储器，512字节RAM、2 KB EEPROM、4路PWM以及硬件看门狗(WDT)等资源．性价比高。
    DSl8B20是DALLAS公司生产的单总线数字1-Wire温度传感器，可把温度信号直接转换成串行数字信号供单片机处理，采用1-Wire接口。DSl8B20的数据端DQ可通过4．7 kΩ的上拉电阻接STC12LE5408。nRF24L01的CE，CSN，SCK，MOSI，MISO，IRQ引脚则可接STC12LE5408的任意端口，但需在编程时注意，这里接至P1端口。由于nRF24L01具有接收数据功能，所以接收显示电路由单片机STC12LE5408、nRF24L01和显示电路组成。所采集的数据也通过串口发送至PC机进行处理。
4 系统软件设计
4．1 nRF24L01的软件设置
    由于STC12LE5408无标准的SPI总线接口，需采用软件模拟实现SPI总线。因此应严格按照SPI的时序要求编写，否则导致对nRF24L01的操作失败。nRF24L01的各种命令字都只有一个字节，分为读寄存器、写寄存器、读数据接收缓冲区、写发送数据缓冲区等。在输入任意命令字的同时，MISO输出STATUS寄存器的内容。对RF24L01的读写程序代码如下：

 

　　nRF24L01的ShockBurst和Enhanced ShockBurst两种数据模式的区别是：后者比前者多一个确认数据传输的信号，保证数据传输的可靠性。按Enhanced ShockBurst模式初始化，重新发送等待时间为250μs，重新发送次数为10次，地址是RX_ADR_WIDTH，输出功率为0 dBm，速度为1 Mb／s。nRF24L01处于POWER_UP状态。函数中WRITE_REG为写命令基地址0x20。其相关程序如下：


　　在接收端将nRF24L01配置为接收模式，地址是RX_AW，负载数据宽度是TX_PL_W，使能接收完数据中断，CRC校验位为2字节，nRF24L01处于POWER_UP状态，其相关程序代码如下：




4．2 数据采集发送子程序
　　数据采集发送部分上电后首先配置nRF24L01的相关寄存器．使其工作在发射状态，然后复位DSl8B20，向DSl8B20发送温度转换命令，读取已转换的温度值，然后由nRF24L01发送．其流程如图2所示。



　　
　　这里需注意DS18B20是单总线器件．其硬件接口比较简单，这是以相对复杂的软件编程为代价的。DS18B20与单片机的接口协议也是通过严格的时序来实现的。虽然增加软件开销，但由于STC12LE5408运行速度快，可以满足系统要求。另外，对DS18B20操作的程序必须按照初始化，ROM操作命令，存储器操作命令，执行／数据的先后顺序进行。如果总线上只挂1个DS18B20，初始化后可执行跳过ROM命令，再发送温度转换命令。温度转换完成后，将温度值暂存在发送缓冲区tx_buf中，然后通过nRF24L01发送，其相关程序代码如下：




4．3 数据接收显示子程序
　　nRF24L01在数据接收显示中为接收状态。当nRF24L01模块配置为接收模式后，当接收到数据中断时，从接收FIFO读取数据。然后将其存储到接收缓冲区rX_bur中。其相关程序代码如下：




5 结束语
　　本文介绍了nRF24L01和STC12LE5408组成的无线温度采集系统。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。采用新一代增强型8051单片机STC12LE5408降低了系统成本，缩短了开发时间。实践证明该系统设计简单，成本低廉，通信可靠，运行稳定，性能可靠，具有较高的实用价值。