9512.net
甜梦文库
当前位置:首页 >> >>

基于DSP和nRF24L01的无线环境监测系统设计



A P P L I CA T I ON N OT E S 应用天地

基于 DSP 和 nRF24L01 的无线环境监测系统设计
郝文延, 焦明华
( 长治医学院 生物医学工程系, 长治 046000)

摘要: 设计 基 于 DSP ( Digit al Signal Proces sor ) 和 nRF24L01 的

无 线 环 境 监 测 系 统。 系 统 的 主 控 部 件 选 用 的 是 T M S320LF2407, 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 中图分类号: T H765 文献标识码: A

Wireless Environment Monitoring System Based on DSP and nRF24L01
Hao Wenyan, Jiao Minghua
( Department of Biomedical Eng ineer ing , Chang Zhi M edical Colleg e, Changzhi 046000, China) Abstract: T his paper designs a w ir eless envir onmental monitor ing system based on DSP and nRF24L 01. T M S320LF 2407 is used as the main contr ol unit, and nRF 24L01 is used as t he wireless communicat ion mo dule. Desig n plans of system har dw are modules are dis cussed, and the softw are designs are giv en. Experim ent results show the system r ealizes the wireless monito ring of the env iro nment tem peratur e and lig ht intensity. Key words: DSP; nR F24L01; wireless transm issio n; temper ature sensor; luminosity senso r

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、 量迅 速、 测 造价 低 廉、 于 携 便 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、 室、 温 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

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、 示 模 块和 无 线 收 发 模 块 构 显 成, 功能是 采集温度、 照信息, 显 示所测信息, 并将这 些 光 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 T I 公 司 的 DSP 芯 片 T M S320LF2407。T M S320LF2407 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 S CI( S erial Communicat ion In terf ace) 与串 行 外 设 SPI( S erial Periph eral Int erface) ; 2 个事件管理器 EVA 、 EV B 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

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[ 1] , 但过弱或过强的光照 也

paper@ me sne t . co m . c n( 投稿专用)

2011 年第 3 期

51

应用天地

A P P L IC A T I ON N OT E S
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 M bp s; 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。 nRF24 L01 与 PT 2262/ 2272 相 比, 不 需 要 编 码 和 解 码, 程 序 简 单; 与
图1 系统结构图

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。 T M S320LF2407 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 、 、 ISO 、 O SCK M M S I、 IRQ、 相连。 T M S320LF2407 与 nRF24L01 的连 接 CE 电路如图 3 所示。

区功能的全比较单元[ 2] 。 较 M CS 51 系 列单 片机 而言 , T M S32 0L F24 07 内部 有 3 2 KB 的 Flash 程 序 存 储 器和 2. 5 K B 的 SRA M , 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 1 0 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 T M S3 20 LF2 40 7 可 以处 理的 数字 信 息, 避免 了 用 M CS 51 进 行 A / D 扩 展 带 来 的 麻 烦 [ 3] 。 另 外, T M S3 20 LF2 40 7 有 4 1 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 T M S32 0L F24 07 的 串 行 外 设 接 口 S PI, 可 以 直 接 和无 线传输 模块 n RF24 L01 提 供的 S PI 接口 相连 , 不 需 要软 件模 拟 S PI。 使 用 的 开 发 环 境 是 CCS3 . 0, 完 全 支 持 C 语 言, 方便 程序 编写 。

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 k 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。
图2 传感器模块电路

间任意选择。与热电偶相比, 热 敏

图3

TMS320LF2407 与 nRF24L01 的连接电路图

电阻价格低廉; 与 DS18B20 相比, 热敏 电阻需 要编写的 程

1. 5 显示模块
选用型号为 LG50 11BSR 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、 引 脚为共阳极 , 其他引脚加 低电 平 8 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 T L431 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 T O 输 出, 接 T M S320LF2407 的 A DCIN 0; 光敏 电 阻 分 得 的 电 压 通 过 LO 输出, 接 T M S320LF2407 的 ADCIN 1。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

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 T M S320LF2407 的 I/ O 口, 并经 过 10 k 电阻 接+ 5 V 电源 V CC, 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

52

Microco ntrolle rs & Embedde d Syste ms

2011 年第3 期

ww w . me sne t . com . cn

A P P L I CA T I ON N OT E S 应用天地
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, T M S320LF2407 通 过 6 个 I/ O 端 口 ( IOPC0, IO PC1, SPIS IM O, S PISO M I, SPICLK , SPIST E ) , 依 次 与 nRF24L01 模块 的 6 个控制 和数据 信号 IRQ、 M OSI、 CE、 M ISO 、 CK、 S CSN 相 连。 其 中, CSN 为 芯 片 的 片 选 线, CSN 为低电 平时 芯 片 工作; S CK 为芯 片 控 制的 时 钟 线; SOM I 为芯片控制数据线; M OS I 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、 SPISOM I 与 n RF24L 01 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 CON FIG 寄 存 器 共 同 决 定 nRF24L01 的 状态 。
[ 4]

2. 1 初始化部分
将数据地 址、 据显示 区地 址等内 容初 始化为 0, 设 数 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。
for( i= 0; i< 3; i+ + ) { DISHE( ) ; DISPL AY ( ) ; DEL L S( ) ; BL AN K ( ) ; DISPL AY ( ) ; DEL L S( ) ; } / / 调用要显示的内容 / / 输出显示 / / 延时 / / 内容为 0 / / 显示 / / 延时

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。
init_N RF 24L01( ) ; PCDA T DIR= 0x2000; while( ( SP IST S& 0x40) ! = 0x40) { } readspibuf= SPIT XBU F ; / / 初始化无线通信模块 / / 置低 SP IST E 引脚, 选 / / 通 nRF 24L01 / / 等待 SP I 写结束 / / 读 SP IBU F 寄存器, 清 / / 除 SP I IN T FL A G 位 nR F24L01_T x Packet( T x Buf) ; / / 发送 T x_Buf 中的数据 PCDA T DIR= P CDA T DI R & 0x0202; / / 置高 CE, 激活数据发送

显示模 块 用 T M S320LF2407 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 74 LS164 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 74L S164, 74 LS164 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 IO PA0~ IO PA7 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、 线接 收、 无 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. 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, 130
Set RX_M ode( ) ; / / 数据接收配置 / / nRF 24L01 读写寄存器函数 while( ( SP IST S& 0x40) ! = 0x400) { } rdsbf1= SP IT XBU F; PCDA T DIR= 0x2020; / / 等待 SPI 读结束 / / 读取寄存器 / / 置高 SPI ST E 引脚, 禁止 nRF24L 01

s 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[ 5] 。
SPI_R W_Reg( W RIT E_REG+ ST A T U S, 0xF F) ;

2. 4 数据采集部分
图 4 主站分站程序流程

分站对温度、 光照、 地址编 号进行采集, 通过读取 I/ O

paper@ me sne t . co m . c n( 投稿专用)

2011 年第 3 期

53

应用天地

A P P L IC A T I ON N OT E S
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 L ED 数 码管 上读得的光度原始数据为 198 lx。
/ / 第 0 通道 / / 复位使排序器指针指向 CON V00 / / 启动 A / D 转换 / / 等待转换完成

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。
M AX CO NV = 0x 0000; CH SEL SEQ1= 0x 0000; ADCT RL 2= 0x 4000; ADCT RL 2= 0x 2000; asm( "N OP ") ; asm( "N OP ") ;

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。

while( ( A DCT RL 2& 0x 1000) = = 0x1000) ;

3. 4 无线通信调试
首先进行分站单发送 信息、 站单 接收信 息的调 试, 主 经过一步步改进, 最终通 信成功。 然后再 进行 主站、 站 分 ( 即发送又接收信息) 的调试, 经反复调试最终通信成功。

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。

结 语
本文 介 绍 的 无 线 环 境 监 测 系 统 的 控 制 采 用 T M S320LF2407 实 现。T M S320LF2407 内 部 资 源 丰 富, 既有 A/ D 转换器, 又有 S PI、 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 n RF24L 01 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~ 2 55 , 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 10 0 以 内, 温 度 测 量范 围 在 0 ~ , 各 项数据 都能 通过 数码 管清 晰地 显示 出来 。光

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= ( X2X1) / ( Y 2- 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, 值 Xi ( i= 3, 4, K= 2 , 30) 和 探测 点显 示 , 30) 共 28 组, 从 而得 到近 似 比例 系 数

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 5 0 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 。 参考文献
[ 1] 马光恕, 廉华. 设施内环境要素的变 化规律及对蔬菜生 长发 育的影响[ J] . 黑 龙江 八 一农 垦 大学 学报, 2002, 14( 3) : 16 20. [ 2] 刘和平, 严利平, 等. T M S320LF 240X DSP [ M ] . 北京: 北 京 航空航天大学出版社, 2002. [ 3] 李广第, 朱月秀, 等. 单片机基础[ M ] . 3 版. 北京: 北京航空航 天大学出版社, 2007. [ 4] 李勇波, 周川. 基于 DSP 的 环境 监测 仪信号 采集 系统设 计 [ J] . 微计算机信息( 嵌入式与 SOC) , 2009, 25( 3) : 53 55. [ 5] 付聪, 付慧生, 等. 基于 nRF24L 01 的无线温度采集控 制系统 的设计[ J] . 工矿自动化, 2010( 1) : 73 75.
郝文延( 讲师) , 研究方向为嵌入式系统的 设计与应用; 焦明华, 研 究 方向为电路与系统。 ( 收稿日期: 2010 10 27)

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。
表1
测量条件 温度计显示温度/ 系统显示温度/ 误差/ 响应时间/ s

温度测试数据

冰水混合液 室温( 1) 室温( 2) 室温( 3) 沸水 0. 7 22. 5 24. 8 26. 5 98. 4 1. 0 22. 0 25. 0 27. 0 99. 0 0. 3 1. 0 0. 5 1. 2 1. 3 1. 0 0. 5 1. 0 0. 6 1. 0

平均误差= ( 0. 3+ 0. 5+ 0. 2+ 0. 5+ 0. 6)

/ 5= 0. 42

平均响应时间= ( 1. 0+ 1. 2+ 1. 0+ 1. 0+ 1. 0) s/ 5= 1. 04 s

3. 3 环境光度测量调试
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。

54

Microco ntrolle rs & Embedde d Syste ms

2011 年第3 期

ww w . me sne t . com . cn



更多相关文章:
基于NRF24L01无线数据采集
基于NRF24L01 无线数据采集 摘要 为了解决在对外界环境数据采集时精度较低和移动性较差等问题, 方便人们对外界环境的监测,降低对外界环境的监测成本。本课题设计了...
基于单片机的无线环境监测课程设计
物联网系统设计综合实践项目名称 无线环境监测装置...本课题主要由 AT89S52 单片机和 NRF24L01 无线...TMS320LF2407 DSP 评估 一个 I/O 就可以带驱动...
基于Cortex-M0的无线环境监测系统设计
基于Cortex-M0的无线环境监测系统设计 以Cortex-M0为开发模版检测温度、噪声和光照...关键词:环境监测;Cortex-M0;NRF24L01;DS18B20;传声器;光敏电阻 Abstract For ...
基于nRF24L01的无线通信模块设计报告正文
基于nRF24L01的无线通信模块设计报告正文_工学_高等...自动重发功能,自动检测和重发丢失的数据包,重发时间...系统调试在调试环境中我们首先检查了我们焊接的硬件...
外界环境实时检测无线传输系统设计_图文
外界环境实时检测及无线传输系统设计_工学_高等教育_...NRF24L01 的无线模块对采集的数据进行 无线传输,...2.3 系统总体方案设计 综合以上的分析可知, 基于...
nRF24L01无线通信系统设计_图文
nRF24L01 无线通信系统设计学院: 专业: 姓名: 学号: 指导老师: 电子信息学院 电子信息工程 1 摘要本文介绍了一套基于 STM32 微处理器,结合 nRF24L01 无线通信...
基于NRF24L01的无线数据传输系统设计_图文
基于NRF24L01的无线数据传输系统设计_信息通信_工程科技_专业资料。典型的无线数据传输模块设计 中北大学电子计算机科学技术学院 毕业设计开题报告学 生姓名: 学...
毕业设计论文-无线环境监测系统设计(含程序)
毕业设计论文-无线环境监测系统设计(含程序)_工学_...本论文主要由 AT89S52 单片机和 NRF24L01 无线...TMS320LF2407 DSP 评估板只需要一个 I/O 就可以...
基于STM32F103和nRF24L01的近程无线数传系统设计
基于STM32F103和nRF24L01的近程无线数传系统设计_信息与通信_工程科技_专业资料...基于DSP和nRF24L01的无线... 4页 免费 基于nRF24L01的无线温度... 5页 免费...
无线环境监测系统的设计
无线环境监测系统的设计 22222 姜丽飞 讲师 2008 2008 级 电子信息科学技术 ...易于实现的 GFSK 调制解调方式 使用深圳迅通科技有限公司生产的 NRF24L01 通信...
更多相关标签:
nrf24l01    nrf24l01中文资料    nrf24l01视频教程    nrf24l01程序    nrf24l01 跳频算法    nrf24l01传输距离    nrf24l01 arduino    nrf24l01模块使用教程    

All rights reserved Powered by 甜梦文库 9512.net

copyright ©right 2010-2021。
甜梦文库内容来自网络,如有侵犯请联系客服。zhit325@126.com|网站地图