基于DS18B20和nRF2401的庫區測溫網(wǎng)絡(luò )無(wú)線(xiàn)傳輸系統

摘要：為解決庫區溫度測量布線(xiàn)難度大、材料成本高、維護檢修難的問(wèn)題，論文提出了一種用單片機作為控制核心，用DS18B20搭建多點(diǎn)測溫網(wǎng)絡(luò )，nRF2401作為傳輸器件的庫區溫度數據無(wú)線(xiàn)傳輸系統。經(jīng)實(shí)際測試，該系統測量準確度高、傳輸距離遠、性能可靠，具有較好的應用前景。

引言

　　庫區溫度直接關(guān)系到庫存物資的安全與性能，目前庫區溫度數據的傳輸大多采用有線(xiàn)方式，存在布線(xiàn)難度大、材料成本高、維護檢修不便等不足^[1-2]，并且數據線(xiàn)纜還易受雨雪、潮濕、鼠害等破壞。為克服此類(lèi)弊端，本文采用nRF2401無(wú)線(xiàn)傳輸模塊，結合1-Wire器件DS18B20，設計開(kāi)發(fā)一款庫區溫度數據無(wú)線(xiàn)傳輸系統。

1 總體方案

　　系統分為上位機與下位機兩大部分，二者之間的通信通過(guò)nRF2401實(shí)現，如圖1所示。上位機主要包括PC機和上位單片機，其功能是負責接收下位機傳送的溫度數據和應用程序的運行，這一部分技術(shù)較為成熟，可借鑒的資料較多，不作為本文的重點(diǎn);下位機采用51系列單片機AT89S51作為控制器，主要負責溫度數據的采集、處理和傳輸，圖1僅畫(huà)出兩組溫度傳感器和繼電器，實(shí)際連接10組。本文將著(zhù)重介紹其硬件電路和軟件設計。

2 電路設計

　　下位機電路設計的重點(diǎn)是測溫網(wǎng)絡(luò )和無(wú)線(xiàn)傳輸模塊的搭建，為實(shí)現多點(diǎn)測溫，選用Dallas公司出品的DS18B20，構建一個(gè)1-Wire總線(xiàn)的測溫網(wǎng)絡(luò )。DS18B20是1-Wire總線(xiàn)的數字溫度傳感器，可直接將被測溫度轉化成串行數字信號供單片機處理，適用于惡劣環(huán)境的現場(chǎng)溫度測量^[3-4];無(wú)線(xiàn)傳輸模塊選用新型單片射頻收發(fā)器件nRF2401，該器件工作于2.4 GHz～2.5 GHz ISM頻段，輸出功率和通信頻道可通過(guò)編程進(jìn)行配置^[5]，同時(shí)，nRF2401功耗低，在以-6dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作電流僅9mA，接收信號時(shí)，工作電流也僅12.3 mA，特別適合單片機應用場(chǎng)合^[6-8]。

　　圖2是市售nRF2401無(wú)線(xiàn)模塊，設計上位機、下位機電路時(shí)，只需留出相應接口即可。

　　圖3是設計的電路原理圖，單片機P12口連接10個(gè)測溫器件(圖中僅畫(huà)出3個(gè))，從而構建一個(gè)小型1-Wire總線(xiàn)測溫網(wǎng)絡(luò )，可實(shí)現10個(gè)庫區的溫度測量;單片機其他口線(xiàn)連接有10個(gè)繼電器(圖中畫(huà)出2個(gè))，用來(lái)控制10個(gè)庫區散熱風(fēng)扇的運轉;無(wú)線(xiàn)模塊nRF2401通過(guò)接口端子與單片機連接，此處注意nRF2401工作電壓是3.3V，需增加電壓轉換芯片，為節省篇幅圖中并未畫(huà)出。

　　上位機接收部分的電路主要由上位單片機、無(wú)線(xiàn)模塊接口和電平轉換部分組成，這是由于nRF2401輸出數據格式是TTL電平，而PC機串口是MAX232電平，為此需要增加一個(gè)電平轉換電路進(jìn)行匹配。

3 軟件編程

　　下位機編程重點(diǎn)在于溫度數據的采集與傳送，也就是DS18B20和nRF2401的軟件設計。

3.1 1-wire 總線(xiàn)的基本原理和操作

　　軟件設計之前，首先要了解1-wire 總線(xiàn)的原理。1-wire總線(xiàn)的特點(diǎn)是用一條數據線(xiàn)同時(shí)傳輸時(shí)鐘信號和數據，總線(xiàn)上每一個(gè)器件都有一個(gè)唯一的地址，包括48位的序列號、8位的家族碼和8位的CRC碼，主機對各器件的尋址依據這64位的ID碼來(lái)進(jìn)行。

　　為保證在一條數據線(xiàn)上實(shí)現雙向通信，對DS18B20的操作必須遵循嚴格的讀寫(xiě)時(shí)序[9]。以下介紹基于1-wire總線(xiàn)的幾種典型操作，其余的1-wire總線(xiàn)命令都是由這些典型操作而來(lái)。

3.1.1 復位子函數

　　在復位與應答時(shí)序中，主機發(fā)出復位信號，要求1-wire器件在規定的時(shí)間內送回應答信號。

　　首先主機將總線(xiàn)拉低480μs，發(fā)出復位脈沖，然后產(chǎn)生一個(gè)上升沿的跳變，并延時(shí)60μs等待1-wire器件的應答;1-wire器件將總線(xiàn)拉低240μs，發(fā)出應答，主機收到應答后，再對DS18B20進(jìn)行ROM命令。

3.1.2 讀寫(xiě)操作

　　所有的讀寫(xiě)時(shí)序至少需要60μs，在位讀和位寫(xiě)時(shí)序中，主機要在規定的時(shí)間內讀回或寫(xiě)出數據。

　　寫(xiě)時(shí)序時(shí)，主機在拉低總線(xiàn)15μs之內釋放總線(xiàn)，并向1-wire器件寫(xiě)1;讀時(shí)序時(shí)，主機發(fā)出讀數據命令，產(chǎn)生讀時(shí)序，1-wire器件隨即向主機傳輸數據。

3.2 DS18B20的溫度轉換

　　DS18B20網(wǎng)絡(luò )溫度測量的步驟一般是：器件初始化、復位、ROM操作、溫度轉換。初始化及復位完成后，要對網(wǎng)絡(luò )中的器件進(jìn)行ROM識別，然后再讀取溫度數據。

3.2.1 利用二叉樹(shù)遍歷算法進(jìn)行器件識別

　　二叉樹(shù)遍歷算法是搜索識別網(wǎng)絡(luò )中1-Wire器件的編程首選，二叉樹(shù)遍歷算法的要點(diǎn)可歸納為“讀2位，寫(xiě)1位” ^[4]。

　　首先主機向從機發(fā)出搜索命令，等待從機向主機發(fā)回當前位之后，再讀從機發(fā)回當前位的反碼，這兩個(gè)位數據的編碼存在4種可能：00、01、10和11。

　　00表示從機在當前位上有位分叉，即0和1兩個(gè)分支;

　　01表示從機的當前位均為0;

　　10表示從機的當前位均為1;

　　11表示總線(xiàn)上無(wú)器件響應。

　　顯然，出現11時(shí)搜索應退出。

　　對于前3種情況，根據搜索策略，主機向從機寫(xiě)1位數據，決定繼續搜索哪一分支。第2和第3種情況下，搜索僅有一個(gè)方向，如果是第1種情況即出現00時(shí)，需要選擇下一步搜索路徑，方法是比較搜索位所在位置和最后一次發(fā)生位差異的所在位置，若二者相等，搜索1分支，若前者>后者，搜索0分支，若前者<后者，則采用上一次的搜索路徑。

　　在此需要注意兩點(diǎn)：一是網(wǎng)絡(luò )上DS18B20發(fā)回的位數據呈“線(xiàn)與”關(guān)系^[10];二是DS18B20中64位ID碼標記為第1—64位，而不是0—63位，空出來(lái)的0用來(lái)表示差異位位置記錄的初始狀態(tài)。

3.2.2 溫度數據的讀取

　　轉換完成后的溫度數據由低8位和高8位組成，且低8位在前，需將其轉換為1個(gè)16位的數，高5位代表符號，低11位是溫度值。11位的溫度值中高7位是溫度整數，低4位是溫度小數，如果是負溫度，則從溫度寄存器讀出的是補碼，應將補碼取反加1得到原碼。

　　需要注意，單片機發(fā)出讀取溫度寄存器命令后，DS18B20會(huì )返回9組數據，其中第一組數據的低4位代表溫度的小數值，因此溫度小數部分的精度為1/16=0.0625。另外程序中應增加延時(shí)函數，確保溫度轉換完成。

3.3 nRF2401程序設計要點(diǎn)

　　溫度轉換完成后，由nRF2401將數據發(fā)送給上位機，并接收上位機發(fā)出的指令，實(shí)現雙向通信。

3.3.1 初始化配置與數據收發(fā)

　　nRF2401初始化配置包括設置待機模式、CRC校驗、收發(fā)完成后中斷響應、選擇射頻通道、設置數據傳輸率和發(fā)射功率。

　　nRF2401的CE管腳為0時(shí)處于待機模式，為1時(shí)處于收發(fā)模式，收發(fā)模式有ShockBurst模式和直接模式兩種，本文選擇速度較快、功耗較低的ShockBurst模式。