引言

庫區(qū)溫度直接關(guān)系到庫存物資的安全與性能，目前庫區(qū)溫度數(shù)據(jù)的傳輸大多采用有線方式，存在布線難度大、材料成本高、維護檢修不便等不足，并且數(shù)據(jù)線纜還易受雨雪、潮濕、鼠害等破壞。為克服此類弊端，本文采用nRF2401無線傳輸模塊，結(jié)合1-Wire器件DS18B20，設(shè)計開發(fā)一款庫區(qū)溫度數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)。

1 、總體方案

系統(tǒng)分為上位機與下位機兩大部分，二者之間的通信通過nRF2401實現(xiàn)，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(zé)接收下位機傳送的溫度數(shù)據(jù)和應(yīng)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;下位機采用51系列單片機AT89S51作為控制器，主要負責(zé)溫度數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸，圖1僅畫出兩組溫度傳感器和繼電器，實際連接10組。本文將著重介紹其硬件電路和軟件設(shè)計。

2 、電路設(shè)計

下位機電路設(shè)計的重點是測溫網(wǎng)絡(luò)和無線傳輸模塊的搭建，為實現(xiàn)多點測溫，選用Dallas公司出品的DS18B20，構(gòu)建一個1-Wire總線的測溫網(wǎng)絡(luò)。DS18B20是1-Wire總線的數(shù)字溫度傳感器，可直接將被測溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號供單片機處理，適用于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量;無線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編程進行配置，同時，nRF2401功耗低，在以-6dBm的功率發(fā)射時，工作電流僅9mA，接收信號時，工作電流也僅12.3 mA，特別適合單片機應(yīng)用場合。

圖2是市售nRF2401無線模塊，設(shè)計上位機、下位機電路時，只需留出相應(yīng)接口即可。

圖3是設(shè)計的電路原理圖，單片機P12口連接10個測溫器件（圖中僅畫出3個），從而構(gòu)建一個小型1-Wire總線測溫網(wǎng)絡(luò)，可實現(xiàn)10個庫區(qū)的溫度測量;單片機其他口線連接有10個繼電器（圖中畫出2個），用來控制10個庫區(qū)散熱風(fēng)扇的運轉(zhuǎn);無線模塊nRF2401通過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(zhuǎn)換芯片，為節(jié)省篇幅圖中并未畫出。

上位機接收部分的電路主要由上位單片機、無線模塊接口和電平轉(zhuǎn)換部分組成，這是由于nRF2401輸出數(shù)據(jù)格式是TTL電平，而PC機串口是MAX232電平，為此需要增加一個電平轉(zhuǎn)換電路進行匹配。

3 、軟件編程

下位機編程重點在于溫度數(shù)據(jù)的采集與傳送，也就是DS18B20和nRF2401的軟件設(shè)計。

3.1 1-wire 總線的基本原理和操作

軟件設(shè)計之前，首先要了解1-wire 總線的原理。1-wire總線的特點是用一條數(shù)據(jù)線同時傳輸時鐘信號和數(shù)據(jù)，總線上每一個器件都有一個唯一的地址，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(jù)這64位的ID碼來進行。

為保證在一條數(shù)據(jù)線上實現(xiàn)雙向通信，對DS18B20的操作必須遵循嚴格的讀寫時序。以下介紹基于1-wire總線的幾種典型操作，其余的1-wire總線命令都是由這些典型操作而來。

3.1.1 復(fù)位子函數(shù)

在復(fù)位與應(yīng)答時序中，主機發(fā)出復(fù)位信號，要求1-wire器件在規(guī)定的時間內(nèi)送回應(yīng)答信號。

首先主機將總線拉低480μs，發(fā)出復(fù)位脈沖，然后產(chǎn)生一個上升沿的跳變，并延時60μs等待1-wire器件的應(yīng)答;1-wire器件將總線拉低240μs，發(fā)出應(yīng)答，主機收到應(yīng)答后，再對DS18B20進行ROM命令。

3.1.2 讀寫操作

所有的讀寫時序至少需要60μs，在位讀和位寫時序中，主機要在規(guī)定的時間內(nèi)讀回或?qū)懗鰯?shù)據(jù)。

寫時序時，主機在拉低總線15μs之內(nèi)釋放總線，并向1-wire器件寫1;讀時序時，主機發(fā)出讀數(shù)據(jù)命令，產(chǎn)生讀時序，1-wire器件隨即向主機傳輸數(shù)據(jù)。

3.2 DS18B20的溫度轉(zhuǎn)換

DS18B20網(wǎng)絡(luò)溫度測量的步驟一般是：器件初始化、復(fù)位、ROM操作、溫度轉(zhuǎn)換。初始化及復(fù)位完成后，要對網(wǎng)絡(luò)中的器件進行ROM識別，然后再讀取溫度數(shù)據(jù)。3.2.1 利用二叉樹遍歷算法進行器件識別

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

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，這兩個位數(shù)據(jù)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表示總線上無器件響應(yīng)。

顯然，出現(xiàn)11時搜索應(yīng)退出。

對于前3種情況，根據(jù)搜索策略，主機向從機寫1位數(shù)據(jù)，決定繼續(xù)搜索哪一分支。第2和第3種情況下，搜索僅有一個方向，如果是第1種情況即出現(xiàn)00時，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［10］;二是DS18B20中64位ID碼標記為第1—64位，而不是0—63位，空出來的0用來表示差異位位置記錄的初始狀態(tài)。

3.2.2 溫度數(shù)據(jù)的讀取

轉(zhuǎn)換完成后的溫度數(shù)據(jù)由低8位和高8位組成，且低8位在前，需將其轉(zhuǎn)換為1個16位的數(shù)，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(shù)，低4位是溫度小數(shù)，如果是負溫度，則從溫度寄存器讀出的是補碼，應(yīng)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會返回9組數(shù)據(jù)，其中第一組數(shù)據(jù)的低4位代表溫度的小數(shù)值，因此溫度小數(shù)部分的精度為1/16=0.0625。另外程序中應(yīng)增加延時函數(shù)，確保溫度轉(zhuǎn)換完成。

3.3 nRF2401程序設(shè)計要點

溫度轉(zhuǎn)換完成后，由nRF2401將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機，并接收上位機發(fā)出的指令，實現(xiàn)雙向通信。

3.3.1 初始化配置與數(shù)據(jù)收發(fā)

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

nRF2401的CE管腳為0時處于待機模式，為1時處于收發(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。

發(fā)送過程為：設(shè)置Config寄存器使器件處于發(fā)送模式，當測溫節(jié)點有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時，溫度和地址數(shù)據(jù)送到nRF2401中，單片機將CE管腳置高，激活ShockBurst發(fā)送模式，完成數(shù)據(jù)打包并高速發(fā)送，然后等待中斷。

接收過程為：設(shè)置Config寄存器使器件處于接收模式，單片機將CE管腳置高，激活ShockBurst接收模式，延時130μs后檢測空中信息，若接收到有效的數(shù)據(jù)包，則發(fā)送確認信號，產(chǎn)生中斷，同時讀出有效數(shù)據(jù)并發(fā)送給單片機，單片機通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)給PC機。

3.3.2 收發(fā)模式的自動識別設(shè)計

為簡化編程，增強代碼通用性，本文為上位單片機和下位單片機設(shè)計了完全相同的同一套程序代碼，系統(tǒng)自動識別并設(shè)置工作模式，無需人為區(qū)分單片機是接收還是發(fā)送。實現(xiàn)接收和發(fā)送模式自動切換的代碼如下：

void Switch_RT（uchar SW， uchar mode）

{ //收發(fā)模式切換子函數(shù)

CE=0; //待機

if（SW） //為1

SPI_WR_Reg（CONFIG， SPI_RD（CONFIG） & 0xfe）; //發(fā)射模式

else //為0

SPI_WR_Reg（CONFIG， SPI_RD（CONFIG） | 0x01）; //接收模式if（mode）

CE=1; //拉高CE啟動收發(fā)

}

程序默認無線模塊處于接收模式，下位單片機測得溫度數(shù)據(jù)后，將Config寄存器的PRIM_RX位置0，控制nRF2401工作于發(fā)送模式，將數(shù)據(jù)打包發(fā)出，隨即將PRIM_RX位置1，處于接收模式;上位機端nRF2401接收到數(shù)據(jù)包后，即由上位單片機將其讀出并通過串口傳給上位PC機。

PC機向下位機發(fā)送指令時，首先將指令發(fā)給上位單片機，上位單片機一旦接到指令，即將PRIM_RX位置0，控制nRF2401工作于發(fā)送模式，發(fā)出數(shù)據(jù)包;下位單片機通過nRF2401接收后將數(shù)據(jù)包讀出執(zhí)行。

4 、系統(tǒng)運行情況

PC機應(yīng)用程序采用Visual Studio2010 VB.net編寫，上位單片機與PC機應(yīng)用程序之間的通信通過串口控件實現(xiàn)，二者之間的參數(shù)設(shè)置需一致。

程序運行界面如圖4所示，各庫區(qū)溫度正常時，溫度值字體顏色正常，某庫區(qū)溫度超過正常值時，相應(yīng)溫度值字體以紅色顯示并閃爍，下位單片機自動接通對應(yīng)庫區(qū)繼電器，啟動散熱風(fēng)扇進行降溫;當溫度下降至正常值后，單片機控制繼電器關(guān)斷散熱風(fēng)扇，同時溫度值字體顏色恢復(fù)正常。溫度值右側(cè)標簽顯示的數(shù)據(jù)是設(shè)定的正常溫度范圍。

“庫區(qū)選擇”組合框中有10個復(fù)選框，對應(yīng)10個庫區(qū);按下“啟動風(fēng)扇”按鈕可對所選庫區(qū)進行強制通風(fēng);按下“關(guān)閉風(fēng)扇”按鈕可強制關(guān)閉散熱風(fēng)扇;按下“溫度范圍設(shè)定”按鈕可對所選庫區(qū)報警溫度閾值進行設(shè)置;按下“保存數(shù)據(jù)”按鈕可將庫區(qū)編號、溫度值、時間信息等保存至指定位置，便于查看分析。

5 、結(jié)論

利用本文設(shè)計的無線傳輸系統(tǒng)，可以采集10個重要庫所的溫度數(shù)據(jù)，經(jīng)過單片機的處理，將數(shù)據(jù)通過nRF2401傳輸給PC機顯示。經(jīng)實測證明，此無線傳輸方案能準確采集并傳送溫度數(shù)據(jù)，傳送距離可達60米，空曠地帶接近100米，既避免了繁瑣的布線，又可有效防止惡劣天候的影響，采用元件少、簡單易行、成本低廉、性能可靠、便于檢修，是一種新穎實用的庫區(qū)溫度監(jiān)控系統(tǒng)。