摘要：設(shè)計基于DSP(Digital Signal Processor)和nRF24L01的無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng),。系統(tǒng)的主控部件選用的是TMS320LF2407,，無線通信模塊選用的是nRF24L01。文中論述了系統(tǒng)各硬件模塊的選擇方案,，給出了各部分的軟件設(shè)計,。實驗表明，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對環(huán)境溫度,、光照強(qiáng)度等的無線監(jiān)測,。
關(guān)鍵詞：DSP；nRF24L01,；無線傳輸,；溫度傳感器,；光度傳感器

引言
    目前，我國環(huán)境監(jiān)測設(shè)備已經(jīng)有了長足的發(fā)展,，例如應(yīng)用衛(wèi)星遙感技術(shù)進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測,，采用GPRS系統(tǒng)對地下水監(jiān)測等，各種環(huán)境采樣器也更加精確,。但是大部分監(jiān)測站的儀器裝備技術(shù)含量較低,，功能單一，穩(wěn)定性和可靠性差,，多數(shù)小型儀器采用有線通信方式,，亟待更新?lián)Q代。而且,，我國在環(huán)境監(jiān)測儀器方面的自主開發(fā)能力較弱,，精密儀器的技術(shù)含量和工藝要求都比較高，使得目前大量的精密儀器無法實現(xiàn)本地化生產(chǎn),，主要依靠進(jìn)口,，這就導(dǎo)致了價格非常昂貴。
    本文基于DSP和nRF24L01設(shè)計了一種無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng),。該系統(tǒng)操作簡便,、測量迅速,、造價低廉,、便于攜帶，能滿足一定靈敏度和準(zhǔn)確度的要求,，且采用無線數(shù)據(jù)通信作為傳輸載體,，可應(yīng)用于蔬菜大棚、生產(chǎn)車間,、溫室,、礦井等場所的溫度、光度監(jiān)測與控制系統(tǒng),。
    例如,，在蔬菜大棚中，蔬菜生長的適宜溫度為20～30℃,，大棚內(nèi)白天增溫快,，當(dāng)棚外平均氣溫為15℃時，棚內(nèi)可達(dá)40～50℃,，不利于蔬菜生長,。同樣，適當(dāng)?shù)墓庹諒?qiáng)度對植物體內(nèi)的硝酸鹽代謝起極為重要的作用，是決定植株硝酸鹽含量的主要因素之一,，但過弱或過強(qiáng)的光照也不利于蔬菜的生長,。因此，需要根據(jù)監(jiān)測值適時調(diào)節(jié)棚內(nèi)溫度,，以有效地避免不當(dāng)?shù)臏囟?、光照對蔬菜的危害?br />
1 方案論證
    本無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)是由一個主站和兩個分站組成。主站由無線收發(fā)模塊,、信息處理模塊,、顯示模塊構(gòu)成，功能是無線發(fā)送分站的編號和命令,，并無線接收分站發(fā)送的信息,，同時顯示這些信息及分站的編號；分站由傳感器模塊,、編碼模塊,、信息處理模塊、顯示模塊和無線收發(fā)模塊構(gòu)成,，功能是采集溫度,、光照信息，顯示所測信息,，并將這些信息和自己的編號無線傳輸給主站,。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示,。

1．1 主控模塊
    本方案中主控模塊選擇TI公司的DSP芯片TMS320LF2407,。TMS320LF2407內(nèi)置10位(雙8路或單16路)A／D轉(zhuǎn)換器、看門狗定時器模塊,；有41個可獨立編程的數(shù)字I／O引腳,，絕大部分有復(fù)用功能；外設(shè)接口有串行通信SCI(Serial Communication Interface)與串行外設(shè)SPI(Serial Periphera1 Interface),；2個事件管理器EVA,、EVB可為所有類型電機(jī)提供控制技術(shù)，為工業(yè)自動化方面的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ),；2個16位通用定時器，3個具有死區(qū)功能的全比較單元,。
    較MCS-51系列單片機(jī)而言，TMS320LF2407內(nèi)部有32 KB的Flash程序存儲器和2．5 KB的SRAM，更能滿足軟件對空間的要求,，且方便在線調(diào)試,。利用其內(nèi)置的10位A／D轉(zhuǎn)換器,，可以直接接溫度、光度傳感器模塊,，將測得的溫度值,、光照強(qiáng)度值等模擬量轉(zhuǎn)換為TMS320LF2407可以處理的數(shù)字信息,，避免了用MCS51進(jìn)行A／D擴(kuò)展帶來的麻煩。另外,，TMS320LF2407有41個可獨立編程的數(shù)字I／O引腳，絕大部分有復(fù)用功能,，更能滿足硬件對I／O口的需求,。使用TMS320LF2407的串行外設(shè)接口SPI,，可以直接和無線傳輸模塊nRF24L01提供的SPI接口相連，不需要軟件模擬SPI,。使用的開發(fā)環(huán)境是CCS3．0,，完全支持C語言,，方便程序編寫。

1．2 傳感器模塊
    選用熱敏電阻來測量溫度,。其值較為準(zhǔn)確，靈敏度較高,；配合電橋使用,，工作溫度范圍寬,、體積小，使用方便,；電阻值可在0．1～100 kΩ間任意選擇,。與熱電偶相比，熱敏電阻價格低廉,；與DS18B20相比，熱敏電阻需要編寫的程序更加簡單,。
    選用光敏電阻來測量光照。較光敏二極管,，光敏電阻更能顯示出光的強(qiáng)弱,；而且,，它能夠和熱敏電阻應(yīng)用到同一電路中。傳感器模塊電路如圖2所示,。

1．3 編碼模塊
    選用跳線開關(guān)組成編碼模塊,。與普通開關(guān)組成編碼模塊相比較,，成本更加低廉。用兩列排針(各8位)：一列排針接到TMS320LF2407的I／O口,，并經(jīng)過10 kΩ電阻接+5 V電源VCC，另一列排針接地,。兩列排針對應(yīng)的位用跳線帽相連時置0,，否則為1,。這樣可以設(shè)置分站的編號0～255，即本系統(tǒng)最多可以擴(kuò)展256個分站,，用來監(jiān)測不同地點的當(dāng)前環(huán)境溫度,、光度值,。
1．4 無線傳輸模塊
    選用無線傳輸模塊nRF24L01。它是一款工作在2．4～2．5 GHz世界通用ISM頻段的單片無線收發(fā)器芯片,，采用FSK調(diào)制，內(nèi)部集成自己的協(xié)議,，有自動應(yīng)答及自動重發(fā)功能、地址及CRC檢驗功能，可實現(xiàn)點對點或1對6的無線通信,，無線通信速度可達(dá)2 Mbps；而且,，電流消耗極低,，當(dāng)工作在發(fā)射模式下發(fā)射功率為-6 dBm時電流消耗為9 mA,，接收模式下為12．3 mA。nRF24L01與PT2262／2272相比,，不需要編碼和解碼,，程序簡單,；與nRF905相比，外圍元件更少,，不需要曼徹斯特編碼,；與nRF401相比,，價位更低。
    TMS320LF2407只需為nRF24L01模塊預(yù)留6個I／O口,，分別與其6個控制和數(shù)據(jù)信號CSN,、SCK,、MISO、MOSI,、IRQ,、CE相連,。TMS320LF2407與nRF24L01的連接電路如圖3所示。

1．5 顯示模塊
    選用型號為LG5011BSR的共陽極數(shù)碼管,，與液晶顯示器相比，價格低廉,。它由7段發(fā)光二極管組成,，共有10只引腳,。其中,，3、8引腳為共陽極,，其他引腳加低電平時對應(yīng)的二極管就會亮,，從而控制數(shù)碼管顯示相應(yīng)的數(shù)值,。
1．6 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
    傳感器模塊是信息采集的樞紐。如圖2所示,，電源電壓經(jīng)穩(wěn)壓管TL431穩(wěn)壓到2．5 V,，提供給由普通電阻和熱敏電阻組成的分壓電路,，以及普通電阻和光敏電阻組成的分壓電路。熱敏電阻分得的電壓通過TO輸出,，接TMS320LF2407的ADCIN0,；光敏電阻分得的電壓通過LO輸出,，接TMS320LF2407的ADCIN1。利用讀取A／D轉(zhuǎn)換后的結(jié)果,，并計算出對應(yīng)的溫度值和光線強(qiáng)度值,，經(jīng)查表輸出顯示。
    無線傳輸模塊是數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮诵?。如圖3所示,，TMS320LF2407通過6個I／O端口(IOPC0，IOPC1,，SPISIMO,，SPISOMI，SPICLK,，SPISTE),，依次與nRF24L01模塊的6個控制和數(shù)據(jù)信號IRQ、CE,、MOSI,、MISO、SCK,、CSN相連,。其中,，CSN為芯片的片選線，CSN為低電平時芯片工作,；SCK為芯片控制的時鐘線；SOMI為芯片控制數(shù)據(jù)線,；MOSI為芯片控制數(shù)據(jù)線；IRQ為中斷信號,，無線通信過程中DSP主要是通過SPI接口的SPISIM-O,、SPISOMI與nRF24L01進(jìn)行通信。CE為芯片的模式控制線,，在CSN為低的情況下，CE協(xié)同nRF24L01的CONFIG寄存器共同決定nRF24L01的狀態(tài),。
    顯示模塊用TMS320LF2407的IOPB0,、IOPB1來模擬串行發(fā)送數(shù)據(jù)的過程，外接串入并出移位寄存器74LS164構(gòu)成,。當(dāng)需要顯示信息時，數(shù)據(jù)從IOPB0端在移位脈沖(由IOPB1輸出)的控制下逐位移入74LS164,，74LS164能將輸入的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)輸出到數(shù)碼管。這樣的設(shè)計不僅節(jié)省I／O口,，而且不占用串口資源,。編碼模塊通過IOPA0～I(xiàn)OPA7與DSP相連,。

2 軟件設(shè)計
    系統(tǒng)的主站、分站程序流程如圖4所示,。主站程序主要包括初始化,、無線發(fā)射、無線接收,、數(shù)碼管顯示等部分；分站程序主要包括初始化,、無線發(fā)射,、無線接收,、數(shù)據(jù)采集,、數(shù)碼管顯示等部分。

2．1 初始化部分
    將數(shù)據(jù)地址,、數(shù)據(jù)顯示區(qū)地址等內(nèi)容初始化為0，設(shè)置數(shù)據(jù)顯示區(qū)地址的內(nèi)容,，進(jìn)行數(shù)碼管顯示，以進(jìn)行系統(tǒng)自檢,。

2．2 無線發(fā)射部分
    首先設(shè)置nRF24L01為發(fā)射模式(設(shè)置發(fā)射和接收節(jié)點地址),，使能自動應(yīng)答,，配置自動重發(fā)次數(shù)，選擇通信頻率,，配置發(fā)射參數(shù),，選擇通道0有效數(shù)據(jù)寬度,，配置nRF24L01的基本參數(shù)以及切換工作模式；然后設(shè)置發(fā)射數(shù)據(jù),，啟動發(fā)射,，發(fā)射完數(shù)據(jù)后會自動轉(zhuǎn)入接收模式接收應(yīng)答信號,。

2．3 無線接收部分
    首先設(shè)置接收模式(即寫接收節(jié)點地址)，使能自動應(yīng)答,，通道0接收地址允許,，選擇通信頻率,，選擇通道0有效數(shù)據(jù)寬度，配置發(fā)射參數(shù),，配置nRF24L01的基本參數(shù)以及切換工作模式,；然后啟動接收，130μs后開始檢測空中數(shù)據(jù),，若收到,，則數(shù)據(jù)模塊會自動發(fā)射應(yīng)答信號。

2．4 數(shù)據(jù)采集部分
   分站對溫度,、光照,、地址編號進(jìn)行采集，通過讀取I／O口得到地址編號的值,，通過讀取A／D來獲得溫度、光照的最初值,，經(jīng)過DSP處理后得到準(zhǔn)確的溫度,、光度值。

2．5 數(shù)碼管顯示部分
    程序以模擬串口的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示,，過程為：取一字節(jié)數(shù)據(jù)，移一位數(shù)據(jù)到I／O口中,，通過置位另一I／O口高低電平來模擬時鐘信號,，即把數(shù)據(jù)一位一位地移到移位寄存器74LS164中，然后并行輸出到數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù),。

3 調(diào)試分析
3．1 系統(tǒng)板硬件部分調(diào)試
    系統(tǒng)板硬件部分調(diào)試主要是萬用表檢查電路通斷情況,，并測量部分關(guān)鍵引腳的電壓是否達(dá)到要求,。
3．2 環(huán)境溫度測量調(diào)試
    首先，把標(biāo)準(zhǔn)溫度計和熱敏電阻同時放入冰水混合液中,，標(biāo)準(zhǔn)溫度計的示數(shù)為Y1,，根據(jù)基礎(chǔ)表值探測點顯示為X1。接著,，將它們放入沸水中,，標(biāo)準(zhǔn)溫度計的示數(shù)為Y2，根據(jù)基礎(chǔ)表值探測點顯示為X2,，得出比例系數(shù)K=(X2-X1)／(Y2-Y1)=2,。最后，在沸水和冰水混合液之間的溫度內(nèi),，測得標(biāo)準(zhǔn)溫度Yi(i=3，4,，…,，30)和探測點顯示值Xi(i=3，4,，…,，30)共28組，從而得到近似比例系數(shù)K=2±0．5,。再通過軟件部分進(jìn)行數(shù)據(jù)的校準(zhǔn),，建立溫度數(shù)據(jù)表。最終,，將溫度計和溫度傳感器置于同一環(huán)境下記錄測得的溫度值，如表1所列,。

3．3 環(huán)境光度測量調(diào)試
    ①將分站放置在燈光下,，從最亮逐漸調(diào)暗，當(dāng)暗到人眼看字有些費力時,，從LED數(shù)碼管上讀得的光度原始數(shù)據(jù)為195 lx,。
    ②將分站放置在自然光下，用手遮擋光度傳感器,，由亮到完全遮蔽，當(dāng)暗到幾乎無光線進(jìn)入時,，從LED數(shù)碼管上讀得的光度原始數(shù)據(jù)為198 lx,。
    根據(jù)以上試驗結(jié)果，結(jié)合人們的習(xí)慣思維,，在程序上進(jìn)行了一些設(shè)計。用195減去測得的原始數(shù)據(jù),，值小于等于零時顯示為零,，光照越強(qiáng)顯示值越大,。
3．4 無線通信調(diào)試
    首先進(jìn)行分站單發(fā)送信息,、主站單接收信息的調(diào)試，經(jīng)過一步步改進(jìn),，最終通信成功,。然后再進(jìn)行主站、分站(即發(fā)送又接收信息)的調(diào)試,，經(jīng)反復(fù)調(diào)試最終通信成功,。

結(jié)語
    本文介紹的無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的控制采用TMS320LF2407實現(xiàn)。TMS320LF2407內(nèi)部資源豐富,，既有A／D轉(zhuǎn)換器,，又有SPI、SCI,，省去了系統(tǒng)擴(kuò)展的麻煩；另外，I／O口比較多,，內(nèi)部存儲空間較大,，有利于系統(tǒng)功能擴(kuò)充。無線部分采用高度集成的nRF24L01器件,，大大簡化了系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計，減小了體積,，提高了系統(tǒng)工作的可靠性。
    經(jīng)試驗驗證,，用編碼模塊可以設(shè)置分站的地址編號1～255,，并能實時采集到周圍環(huán)境的溫度和光照數(shù)據(jù)，平均誤差控制在0．5℃以內(nèi),，溫度測量范圍在0～100℃,，各項數(shù)據(jù)都能通過數(shù)碼管清晰地顯示出來。光的有無還可通過一個發(fā)光二極管顯示,，有光時發(fā)光二極管滅，無光時發(fā)光二極管亮,。主站能準(zhǔn)確無誤地?zé)o線接收分站數(shù)據(jù),，距離50 m左右仍能無線通信，但響應(yīng)較慢,。該系統(tǒng)攜帶方便,，價格低廉，可應(yīng)用到狹小的環(huán)境,，可以隨意放置,；此外，還可再接入其他傳感器,，以測量更多的環(huán)境參數(shù)。