基于ＤＳＰ和ｎＲＦ２４Ｌ０ １ 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０４６０ＯＯ） 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 ＴＭＳ３２０ＬＦ２４Ｏ７，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：ＴＨ７６５ 文献标识码：Ａ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＤＳＰ ａｎｄ ｎＲＦ２４Ｌ０ １ Ｈａｏ Ｗｅｎｙａｎ，Ｊｉａｏ Ｍｉｎｇｈｕａ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈａｎｇ Ｚｈｉ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｃｈａｎｇｚｈｉ ０４６０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｅｓｉｇｎｓ ａ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＤＳＰ ａｎｄ ｎＲＦ２４Ｌ０１．ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７ ｉｓ ｕｓｅｄ ａｓ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｕｎｉｔ，ａｎｄ ｎＲＦ２４ Ｌ０ １ ｉｓ ｕｓｅｄ ａｓ ｔｈｅ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌｅ．Ｄｅｓｉｇｎ ｐｌａｎｓ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｒｄｗａｒｅ ｍｏｄｕｌｅｓ ａｒｅ ｄｉｓ— ｃｕｓｓｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎｓ ａｒｅ ｇｉｖｅｎ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｒｅａｌｉｚｅｓ ｔｈｅ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｔｅｍ— ｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｌｉｇｈｔ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＤＳＰ；ｎＲＦ２４Ｌ０１；ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒ；ｌｕｍｉｎｏｓｉｔｙ ｓｅｎｓｏｒ 不利于蔬菜的生长。因此，需要根据监测值适时调节棚内 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 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 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 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 ＴＭＳ３２ＯＬＦ２４Ｏ７。ＴＭＳ３２ＯＬＦ２４Ｏ７内置１Ｏ位（双８路或 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２Ｏ～ ３０℃，大棚内白天增温快，当棚外平均气温为１５℃时，棚 内可达４Ｏ～５０℃，不利于蔬菜生长。同样，适当的光照强 度对植物体内的盐代谢起极为重要的作用，是决定植 株盐含量的主要因素之一口］，但过弱或过强的光照也 单１６路）Ａ／Ｄ转换器、看门狗定时器模块；有４１个可 编程的数字Ｉ／０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 Ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ 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 ｐａｐｅｒ＠ｍｅｓｎｅｔ．ｃｏｒｎ．ｃｎ（投稿专用） ２０１ ７年第３期 平 机 摄入式条皖应冈 ５１ 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一６ 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 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。 区功能的全比较单元 ］。 较ＭＣＳ一５１系列单片机而言，ＴＭｓ３２ＯＬＦ２４０７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 ＴＭｓ３２０ＬＦ２４Ｏ７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、ＭＯ— ＳＩ、ＩＲＱ、ＣＥ相连。ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７与ｎＲＦ２４Ｉ ０１的连接 电路如图３所示。 １Ｏ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 ＴＭＳ３２ＯＬＦ２４Ｏ７可以处理的数字信息，避免了用ＭＣＳ一 ５１进行Ａ／Ｄ扩展带来的麻烦 ］。另外，ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７ 有４１个可编程的数字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 ｎＲＦ２４Ｉ ０１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。 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 ｋＱ问任意选择。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。 图３ ＴＭ￥３２０ＬＦ２４０７与ｎＲＦ２４Ｌ０１的连接电路图 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。 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 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ＴＩ ４３１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 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ＴＭＳ３２ＯＬＦ２４０７的ｉ／ｏ口，并经过１０ ｋＱ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 ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７的ＡＤＣＩＮ０；光敏电阻分得的电压通过 ＬＯ输出，接ＴＭＳ３２０Ｉ Ｆ２４０７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 号０～２５５，即本系统最多可以扩展２５６个分站，用来监测 ５ ２ Ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ＆Ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ ２０ １ ７年第３期 ｗｗｗ．ｍｅｓｎｅｔ．ｃｏｍ．ＣＲ 查表输出显示。 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。 ｆｏｒ（ｉ一０；ｉ＜３；ｉ＋＋）｛ 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／０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， ＤＩＳＨＥ（）； ＤＩＳＰＬＡＹ（）； ＤＥＬＬＳ（）； ＢＬＡＮＫ（）； ＤＩＳＰＬＡＹ（）； ＤＥＬＬＳ（）； ） ／／调用要显示的内容 ／／输出显示 ／／延时 ／／内容为０ ／／显示 ／／延时 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ＳＰＩＳＩＭＯ、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 。 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 ｎＲＦ２４Ｉ ０１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。 ｉｎｋＮＲＦ２４Ｌ０１（）； 显示模块用ＴＭＳ３２０ＬＦ２４Ｏ７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）的控制下逐位移人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。 ／／初始化无线通信模块 ／／置低ＳＰＩＳＴＥ引脚，选 ｛｛、通ｎＲＦ２４Ｌ０１ ＰＣＤＡＴＤＩＲ一０ｘ２０００： 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； ｗｈｉｌｅ（（ＳＰＩＳＴＳ＆０ｘ４０）！ Ｏｘ４０）｛） ｒｅａｄｓｐｉｂｕｆ＝ＳＰＩＴＸＢＵＦ； ／／等待ＳＰＩ写结束 ７，读ＳＰＩＢＵＦ寄存器，清 ｝｝ ＳＰＩ ＩＮＴ ＦＬＡＧ 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。 ｎＲＦ２４Ｌ０１ＴｘＰａｃｋｅｔ（ＴｘＢｕｆ）； ／／发送Ｔｘ—Ｂｕｒ中的数据 ＰＣＤＡＴＤＩＲ＝ＰＣＤＡＴＤＩＲ＆０ｘ０２０２；／／置高ＣＥ，激活数据发送 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 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 。 ＳｅｔＲＸＭｏｄｅ（）； ／／数据接收配置 ＳＰＩＲＷ Ｒｅｇ（ＷＲＩＴＥＲＥＧ＋ＳＴＡＴＵＳ，０ｘＦＦ）；／／ｎＲＦ２４Ｌ０１读写寄存器函数 ｗｈｉｌｅ（（ＳＰＩＳＴＳ＆０ｘ４０）！一Ｏｘ４００）｛｝／／等待ＳＰＩ读结束 ｒｄｓｂｆｌ—ＳＰＩＴＸＢＵＦ； ＰＣＤＡＴＤＩＲ＝０ｘ２０２０； （ａ）主站程序流程 （ｂ）分站程序流程 图４主站分站程序流程 ／／读取寄存器 ／／置高ＳＰＩＳＴＥ引脚，禁止ｎＲＦ２４Ｌ０１ 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 ｐａｐｅｒ＠ ｍｅｓｎｅｔ．ｃｏｍ．ｃｎ（投稿专用） ２０１ ７年第３期 平专机 嵌入式系皖应用 ５３ 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。 ＭＡＸＣＯＮＶ一０ｘ００００： 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。 ＣＨＳＥＬＳＥＱ１—０ｘ００００； ／／第０通道 ＡＤＣＴＲＬ２—０ｘ４０００； ＡＤＣＴＲＬ２—０ｘ２０００； ／／复位使排序器指针指向ＣＯＮＶ００ ／／启动Ａ／Ｄ转换 ｗｈｉｌｅ（（ＡＤＣＴＲＬ２ ８Ｌ０ｘｌ０００）＝一０ｘｌ０００）； ａｓｍ（”ＮＯＰ”）： ａｓｍ（”ＮＯＰ”）； ／／等待转换完成 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。 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Ｖｏ口中，通过置位另一Ｖｏ口 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 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。 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 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一（Ｘ２一 Ｘ１）／（Ｙ２一Ｙ１）一２。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一３，４，…，３０）和探测点显示 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，还可再接人其他传感器，以 测量更多的环境参数。鼹 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— ２Ｏ． 值Ｘｉ（ｉ一３，４，…，３０）共２８组，从而得到近似比例系数 Ｋ一２±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。 表１ 温度测试数据 测量条件 温度计显示温度／℃ 系统显示温度／℃ 误差／℃ 响应时间／ｓ Ｅ２］刘和平，严利平，等．ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０Ｘ ＤＳＰ［Ｍ］．北京：北京 ２６．５ ９８．４ ２７．０ ９９．０ ０．５ １．０ 冰水混合液 室温（１） 室温（２） 室温（３） 沸水 ０．７ １．０ Ｏ．３ １．０ ２２．５ ２２．０ Ｏ．５ １．２ ２４．８ ２５．０ １．３ １．０ 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． ０．６ １．０ ［４］李勇波，周川Ｉ．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． Ｅ５］付聪，付慧生，等．基于ｎＲＦ２４Ｌ０１的无线温度采集控制系统 的设计［Ｊ］．工矿自动化，２０１０（１）：７３—７５． 平均误差一（Ｏ．３＋０．５＋０．２＋０．５＋０．６）℃／５—０．４２℃ 平均响应时间一（１．０＋１．２＋１．０＋１．０＋１．Ｏ）ｓ／５—１．０４ Ｓ 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。 一一 ｗｗＷ．ｍｅｓｎｅｔ．ｃｏｍ．ｃｎ ５ ４ Ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ＆Ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ ２０ １ ７年第３期
