库区测温网络无线传输系统的硬件电路和软件设计

引言

库区温度直接关系到库存物资的安全与性能，目前库区温度数据的传输大多采用有线方式，存在布线难度大、材料成本高、维护检修不便等不足，并且数据线缆还易受雨雪、潮湿、鼠害等破坏。为克服此类弊端，本文采用nRF2401无线传输模块，结合1-Wire器件DS18B20，设计开发一款库区温度数据无线传输系统。

1 、总体方案

系统分为上位机与下位机两大部分，二者之间的通信通过nRF2401实现，如图1所示。上位机主要包括PC机和上位单片机，其功能是负责接收下位机传送的温度数据和应用程序的运行，这一部分技术较为成熟，可借鉴的资料较多，不作为本文的重点;下位机采用51系列单片机AT89S51作为控制器，主要负责温度数据的采集、处理和传输，图1仅画出两组温度传感器和继电器，实际连接10组。本文将着重介绍其硬件电路和软件设计。

2 、电路设计

下位机电路设计的重点是测温网络和无线传输模块的搭建，为实现多点测温，选用Dallas公司出品的DS18B20，构建一个1-Wire总线的测温网络。DS18B20是1-Wire总线的数字温度传感器，可直接将被测温度转化成串行数字信号供单片机处理，适用于恶劣环境的现场温度测量;无线传输模块选用新型单片射频收发器件nRF2401，该器件工作于2.4 GHz～2.5 GHz ISM频段，输出功率和通信频道可通过编程进行配置，同时，nRF2401功耗低，在以-6dBm的功率发射时，工作电流仅9mA，接收信号时，工作电流也仅12.3 mA，特别适合单片机应用场合。

图2是市售nRF2401无线模块，设计上位机、下位机电路时，只需留出相应接口即可。

图3是设计的电路原理图，单片机P12口连接10个测温器件（图中仅画出3个），从而构建一个小型1-Wire总线测温网络，可实现10个库区的温度测量;单片机其他口线连接有10个继电器（图中画出2个），用来控制10个库区散热风扇的运转;无线模块nRF2401通过接口端子与单片机连接，此处注意nRF2401工作电压是3.3V，需增加电压转换芯片，为节省篇幅图中并未画出。

上位机接收部分的电路主要由上位单片机、无线模块接口和电平转换部分组成，这是由于nRF2401输出数据格式是TTL电平，而PC机串口是MAX232电平，为此需要增加一个电平转换电路进行匹配。

3 、软件编程

下位机编程重点在于温度数据的采集与传送，也就是DS18B20和nRF2401的软件设计。

3.1 1-wire 总线的基本原理和操作

软件设计之前，首先要了解1-wire 总线的原理。1-wire总线的特点是用一条数据线同时传输时钟信号和数据，总线上每一个器件都有一个唯一的地址，包括48位的序列号、8位的家族码和8位的CRC码，主机对各器件的寻址依据这64位的ID码来进行。

为保证在一条数据线上实现双向通信，对DS18B20的操作必须遵循严格的读写时序。以下介绍基于1-wire总线的几种典型操作，其余的1-wire总线命令都是由这些典型操作而来。

3.1.1 复位子函数

在复位与应答时序中，主机发出复位信号，要求1-wire器件在规定的时间内送回应答信号。

首先主机将总线拉低480μs，发出复位脉冲，然后产生一个上升沿的跳变，并延时60μs等待1-wire器件的应答;1-wire器件将总线拉低240μs，发出应答，主机收到应答后，再对DS18B20进行ROM命令。

3.1.2 读写操作

所有的读写时序至少需要60μs，在位读和位写时序中，主机要在规定的时间内读回或写出数据。

写时序时，主机在拉低总线15μs之内释放总线，并向1-wire器件写1;读时序时，主机发出读数据命令，产生读时序，1-wire器件随即向主机传输数据。

3.2 DS18B20的温度转换

DS18B20网络温度测量的步骤一般是：器件初始化、复位、ROM操作、温度转换。初始化及复位完成后，要对网络中的器件进行ROM识别，然后再读取温度数据。3.2.1 利用二叉树遍历算法进行器件识别

二叉树遍历算法是搜索识别网络中1-Wire器件的编程首选，二叉树遍历算法的要点可归纳为“读2位，写1位” 。

首先主机向从机发出搜索命令，等待从机向主机发回当前位之后，再读从机发回当前位的反码，这两个位数据的编码存在4种可能：00、01、10和11。

00表示从机在当前位上有位分叉，即0和1两个分支;

01表示从机的当前位均为0;

10表示从机的当前位均为1;

11表示总线上无器件响应。

显然，出现11时搜索应退出。

对于前3种情况，根据搜索策略，主机向从机写1位数据，决定继续搜索哪一分支。第2和第3种情况下，搜索仅有一个方向，如果是第1种情况即出现00时，需要选择下一步搜索路径，方法是比较搜索位所在位置和最后一次发生位差异的所在位置，若二者相等，搜索1分支，若前者》后者，搜索0分支，若前者［10］;二是DS18B20中64位ID码标记为第1—64位，而不是0—63位，空出来的0用来表示差异位位置记录的初始状态。

3.2.2 温度数据的读取

转换完成后的温度数据由低8位和高8位组成，且低8位在前，需将其转换为1个16位的数，高5位代表符号，低11位是温度值。11位的温度值中高7位是温度整数，低4位是温度小数，如果是负温度，则从温度寄存器读出的是补码，应将补码取反加1得到原码。

需要注意，单片机发出读取温度寄存器命令后，DS18B20会返回9组数据，其中第一组数据的低4位代表温度的小数值，因此温度小数部分的精度为1/16=0.0625。另外程序中应增加延时函数，确保温度转换完成。

3.3 nRF2401程序设计要点

温度转换完成后，由nRF2401将数据发送给上位机，并接收上位机发出的指令，实现双向通信。

3.3.1 初始化配置与数据收发

nRF2401初始化配置包括设置待机模式、CRC校验、收发完成后中断响应、选择射频通道、设置数据传输率和发射功率。

nRF2401的CE管脚为0时处于待机模式，为1时处于收发模式，收发模式有ShockBurst模式和直接模式两种，本文选择速度较快、功耗较低的ShockBurst模式。

发送过程为：设置Config寄存器使器件处于发送模式，当测温节点有数据需要发送时，温度和地址数据送到nRF2401中，单片机将CE管脚置高，激活ShockBurst发送模式，完成数据打包并高速发送，然后等待中断。

接收过程为：设置Config寄存器使器件处于接收模式，单片机将CE管脚置高，激活ShockBurst接收模式，延时130μs后检测空中信息，若接收到有效的数据包，则发送确认信号，产生中断，同时读出有效数据并发送给单片机，单片机通过串口将数据发给PC机。

3.3.2 收发模式的自动识别设计

为简化编程，增强代码通用性，本文为上位单片机和下位单片机设计了完全相同的同一套程序代码，系统自动识别并设置工作模式，无需人为区分单片机是接收还是发送。实现接收和发送模式自动切换的代码如下：

void Switch_RT（uchar SW， uchar mode）

{ //收发模式切换子函数

CE=0; //待机

if（SW） //为1

SPI_WR_Reg（CONFIG， SPI_RD（CONFIG） & 0xfe）; //发射模式

else //为0

SPI_WR_Reg（CONFIG， SPI_RD（CONFIG） | 0x01）; //接收模式if（mode）

CE=1; //拉高CE启动收发

}

程序默认无线模块处于接收模式，下位单片机测得温度数据后，将Config寄存器的PRIM_RX位置0，控制nRF2401工作于发送模式，将数据打包发出，随即将PRIM_RX位置1，处于接收模式;上位机端nRF2401接收到数据包后，即由上位单片机将其读出并通过串口传给上位PC机。

PC机向下位机发送指令时，首先将指令发给上位单片机，上位单片机一旦接到指令，即将PRIM_RX位置0，控制nRF2401工作于发送模式，发出数据包;下位单片机通过nRF2401接收后将数据包读出执行。

4 、系统运行情况

PC机应用程序采用Visual Studio2010 VB.net编写，上位单片机与PC机应用程序之间的通信通过串口控件实现，二者之间的参数设置需一致。

程序运行界面如图4所示，各库区温度正常时，温度值字体颜色正常，某库区温度超过正常值时，相应温度值字体以红色显示并闪烁，下位单片机自动接通对应库区继电器，启动散热风扇进行降温;当温度下降至正常值后，单片机控制继电器关断散热风扇，同时温度值字体颜色恢复正常。温度值右侧标签显示的数据是设定的正常温度范围。

“库区选择”组合框中有10个复选框，对应10个库区;按下“启动风扇”按钮可对所选库区进行强制通风;按下“关闭风扇”按钮可强制关闭散热风扇;按下“温度范围设定”按钮可对所选库区报警温度阈值进行设置;按下“保存数据”按钮可将库区编号、温度值、时间信息等保存至指定位置，便于查看分析。

5 、结论

利用本文设计的无线传输系统，可以采集10个重要库所的温度数据，经过单片机的处理，将数据通过nRF2401传输给PC机显示。经实测证明，此无线传输方案能准确采集并传送温度数据，传送距离可达60米，空旷地带接近100米，既避免了繁琐的布线，又可有效防止恶劣天候的影响，采用元件少、简单易行、成本低廉、性能可靠、便于检修，是一种新颖实用的库区温度监控系统。