基于nRF24L01的無(wú)線(xiàn)溫濕度測試系統

摘要：針對傳統溫濕度測量中的缺點(diǎn)，設計了以低功耗MSP430單片機為控制核心，利用溫濕度一體傳感器SHT11進(jìn)行溫濕度信號的采集，結合無(wú)線(xiàn)傳輸模塊nRF24L01對數據進(jìn)行無(wú)線(xiàn)傳輸的溫濕度測試系統，并在可靠可信、微功耗的基礎上能很好地滿(mǎn)足實(shí)際應用要求。
關(guān)鍵詞：SHT11；MSP430；nRF24L01；無(wú)線(xiàn)數據傳輸

隨著(zhù)科技的進(jìn)步和現代工農業(yè)技術(shù)的發(fā)展，溫度和濕度的測量和控制對人類(lèi)日常生活、工業(yè)生產(chǎn)、氣象預報、物資倉儲等都將起著(zhù)越來(lái)越重要的作用。在傳統的溫濕度測量中，分別采用溫度傳感器和濕度傳感器采集溫度和濕度信號，并通過(guò)布置大量的電纜或導線(xiàn)進(jìn)行有線(xiàn)傳輸。在多測點(diǎn)的情況下，這種方法無(wú)疑大大增加了成本和系統設計的復雜性，同時(shí)安裝拆卸繁瑣，不靈活，信號容易受到干擾。因此，本次設計運用了數字式溫濕度一體傳感器SHT11，能夠同時(shí)采集溫度和濕度信號，并直接輸出數字信號；采用無(wú)線(xiàn)收發(fā)一體射頻模塊nRF24L01，對數據進(jìn)行無(wú)線(xiàn)傳輸；采用MSP430單片機設計低功耗采集存儲電路。

1 系統總體結構和工作原理
本次設計的無(wú)線(xiàn)溫濕度監控系統有上位機子系統和下位機子系統兩個(gè)部分組成。上位機子系統由主控芯片MSP430單片機、無(wú)線(xiàn)射頻接收模塊、天線(xiàn)、液晶顯示模塊、電源模塊、時(shí)鐘模塊、串口通信模塊、終端設備等組成。上位機子系統原理框圖如圖1所示；下位機子系統由主控芯片MSP430單片機、溫濕度傳感器、無(wú)線(xiàn)射頻發(fā)射模塊、天線(xiàn)、電源模塊以及時(shí)鐘模塊等組成。下位機子系統原理框圖如圖2所示。

在下位機子系統中，由數字溫濕度傳感器SHT11分別對溫度和濕度信號進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，在主控芯片MSP430單片機的控制下通過(guò)無(wú)線(xiàn)發(fā)送模塊nRF24L01將溫濕度數字信號發(fā)送到上位機子系統；在上位機子系統中，在MSP430主控單元的作用下，通過(guò)無(wú)線(xiàn)射頻接收模塊接收下位機子系統發(fā)送過(guò)來(lái)的溫濕度數字信號，一方面通過(guò)液晶顯示模塊實(shí)時(shí)顯示接收到的溫濕度數值，一方面通過(guò)串口通信模塊與終端設備進(jìn)行通信，在終端設備中利用軟件讀取數據并繪制曲線(xiàn)。

2 系統硬件電路設計
2．1 微控制器的選擇
MSP430系列單片機是美國德州儀器(TI)公司推出的一種16位超低功耗的混合信號處理器。它的電源電壓采用1．8～3．6 V低電壓，RAM數據保持方式下耗電僅為0．1μA，活動(dòng)模式耗電為250μA／MIPS，I／O輸入端口的漏電流最大僅為50 nA。此外，它共有一種活動(dòng)模式和5種低功耗模式。MSP430具有強大的處理能力、高性能模擬技術(shù)及豐富的片上外圍模塊。由于本次設計的測試系統需要長(cháng)期在測試環(huán)境中采集溫濕度信號，并利用電池供電，所以低功耗的要求就必須考慮。
2．2 溫濕度傳感器
SHT11是一款高度集成的溫濕度傳感器芯片，它采用專(zhuān)利的CMOSens技術(shù)，提供全量程標定的數字輸出；由于采用了優(yōu)化的集成電路形式使其具有極高的可靠性與卓越的長(cháng)期穩定性。該傳感器包括一個(gè)電容性聚合體濕度敏感元件和一個(gè)用能隙材料制成的溫度敏感元件，并在同一芯片上與14位的A／D轉換器以及串行接口電路實(shí)現無(wú)縫連接。每個(gè)傳感器芯片都在極為準確的濕度腔室中以鏡面冷凝式濕度計為參照進(jìn)行標定；兩線(xiàn)制的串行接口與內部的電壓調整，使外圍系統集成變得快速而簡(jiǎn)單。SHT11具有體積微小、功耗極低、抗干擾能力強、響應快速等優(yōu)點(diǎn)。
2．3 nRF24L01無(wú)線(xiàn)傳輸模塊
nRF24L01是一款新型單片射頻收發(fā)一體器件，工作于2．4～2．5 GHz ISM頻段。其內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器等功能模塊，并融合了增強型ShockBurst技術(shù)，其中輸出功率和通信頻道可通過(guò)程序進(jìn)行配置。nRF24L01功耗很低，在-6dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作電流只有9 mA；接收模式時(shí)，工作電流只有12．3 mA；有掉電模式和待機模式兩種低功率工作模式使節能設計更方便。nRF24L01采用GFSK調制，具有自動(dòng)應答和自動(dòng)再發(fā)射功能，片內自動(dòng)生成報頭和CRC校驗碼的特性。
2．4 SPI連接
MSP430單片機與nRF24L01無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊之間利用同步串行口SPI進(jìn)行雙向通信。nRF24L01的SPI總線(xiàn)有SCK(SPI時(shí)鐘)、MISO(主入從出)、MOSI(主出從入)、CSN(SPI使能)。
MSP430通過(guò)控制PWR_UP、PRIM_RX以及CE3個(gè)引腳的高低電平使nRF24L01分別處于發(fā)射模式、接收模式、待機模式以及掉電模式，IRO是中斷標志位。MSP430與nRF24L01的連接圖如圖3所示。