基于nRF24L01新型无线温度传感系统设计

摘 要：采用nRF24L01作为无线收发模块实现无线数据传输，使用DS18B20温度传感器采集环境温度，并用ATMEL公司的AT89C52作为主控芯片，协调系统的数据采集、处理、显示及无线传输等过程。温度采集节点能够利用温度传感器稳定地采集周围环境的温度，并通过无线模块将数据传送到接收节点，显示到LCD上。该设计具有性能稳定、成本低、低功耗等特点，能够广泛应用于各类对温度要求较为特殊的环境下温度数据的检测。

关键词：nRF24L01；DS18B20；无线通信；温度传感

中图分类号：TP391.44 文献标识码：A

1 引言（Introduction）

采用无线数据传输技术设计的温度采集系统[1]，能有效的解决传统有线技术带来的各种问题，其具有不用布线、故障排查简单、实时性高、可灵活布置、可实现多点采集，非常适用于各种现代工农业温度监控系统[2]。基于无线通信的数据采集系统可以灵活地为终端用户提供实时而准确的信息[3]，无论是在系统性能，还是在系统成本上，相对于传统技术，无线数据采集系统都具有很强的吸引力[4]，它将在各个领域的数据采集系统中发挥积极的作用[5]。传统的温度采集系统所采集的温度通过RS485、CAN总线通信方式传输至上位机，但这种方式维护较困难，不利于工业现场生产[6]；因此可采用工业级内置硬件链路层协议的低成本单芯片nRF24L01型无线收发器件实现系统间的无线通信[7]，完成无线信号的接收、显示及报警功能。

2 系统方案设计（System design）

系统硬件设计主要由采集发送和接收显示、告警三部分组成，图1为整体系统框图，采用DS18B20作为温度采集元件，配合低功耗单片机的使用就可以很好地弥补传统上的不足。采用nRF24L01模块对采集到的温度数据进行无线传输，打破了传统操作中距离受限的问题，使测温操作更易实现。系统设计了四个温度采集节点、一个数据接收节点。四个温度采集节点可以实现系统对监控区域内的温度进行全方位的监测，保证监测数据的准确性和全面性。其中四个温度采集节点的电路是一样的，都是使用AT89S52作为核心处理器，控制其他各个功能器件有序工作。接收节点电路相对于发射节点，多了一个LCD液晶显示模块，没有温度采集模块。

图1 整体系统框图

Fig.1 Overall block diagram of the system

各节点中串口模块主要有两方面的作用，一个是用于程序的下载，方面系统在线调试；另一个是将采集到的温度数据实时地传输到上位机中，对数据进行观察和分析。节点中的RF模块由于需要3.3V的电源供电，所以每个节点还设计了一个5V转3.3V的稳压电路。

3 系统硬件及软件设计（System hardware and

software design）

设计一套基于nRF24L01的无线数据采集系统，能够通过系统的多个温度采集节点，采集周围的环境温度数据，并将数据通过无线射频电路发送到接收端，在接收端显示出各节点的温度值。同时，系统要求能过对温度数据进行分析和判断，如出现异常，则发出警报。主要包括：

（1）温度采集模块，温度传感器的功能是实现环境温度的采集。采用DS18B20数字型温度传感器作为系统的温度采集器件，可以很好地满足系统的设计需求。

（2）无线收发模块，射频收发芯片要求能够稳定地用于系统传输温度数据，实现系统无线通信。系统采用的nRF24L01型无线射频收发芯片工作于2.4—2.5GHz频段的射频芯片，其具有6个可选通信通道，非常契合系统的设计需求。

（3）LCD显示模块，系统要求能够在接收端将接收到的温度数据实时显示出来，以便用户观察。12864型LCD显示器能够显示多种图形和文字，且尺寸小，驱动相对简单，使用灵活性好，能够满足系统的设计需求。

（4）主控制模块，基于对处理器的处理能力和开发成本的考虑，系统决定采用AT89S52型单片作为系统的核心处理器。AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8k在系统可编程Flash存储器，能很好地满足系统的处理需求。

（5）报警模块，系统的报警系统对器件的要求比较简单，它只需在温度异常时，起到提醒用户的效果。系统采用了一种低成本、易控制的报警器——蜂鸣器，作为系统的报警器件，同时配置一个LED灯起辅助作用，达到听觉和视觉的双重报警效果。

系统的程序开发语言为C-51，开发工具为Keil软件。系统的程序设计包括数据采集节点和数据接收节点的程序设计，其流程图分别如图2（a）和图2（b）所示。

（a）发送节点程序流程图 （b）接收节点程序流程图

图2 系统收、发节点的程序流程图

Fig.2 Sending and receiving node program flow

chart of the system

系统主要涉及到温度采集模块、无线射频模块、LCD显示模块、串口数据传输模块的编程，接下来将重点介绍这几个模块的软件实现过程。

数据采集发送部分上电后首先配置nRF24L01的相关寄存器.使其工作在发射状态，然后复位DSl8B20，向DSl8B20发送温度转换命令，读取已转换的温度值，然后由nRF24L01发送。主CPU需要用芯片特定的指令系统来访问芯片的寄存器，读写寄存器时，也要注意SPI总线的CSN时序，CSN是芯片的使能端口，当CSN为低电平时，主CPU才能有效地向芯片读写数据。因此，向芯片读写一个字节的指令或数据时，必需先把CSN拉低，读写完成后再释放。实现程序如下：

uint SPI_RW_Reg（uchar reg， uchar value）

{uint status；

CSN=0； //拉低CSN，选通芯片

status=SPI_RW（reg）； //选择寄存器地址

SPI_RW（value）； //并写入相应的数据值

CSN=1； //释放CSN，结束通信过程

return（status）； //返回寄存器状态值

}

nRF24L01在数据接收显示中为接收状态。当nRF24L01模块配置为接收模式后，当接收到数据中断时，从接收FIFO读取数据。然后将其存储到接收缓冲区rX_bur中。12864液晶显示屏分为左右半屏显示，每个半屏有8页64列，分别由使能端CS1、CS2来选通。由于左右半屏在同一位置像素点共用一个地址，因此，要单独显示左、右半屏时，只能选通其中一个使能端。液晶通过一个8位的并行I/O口来传输数据，单片机对I/O口送入的数据之后，通过控制LCDEN端口产生一个下降沿来锁存数据。函数首先开通两个使能端CS1、CS2，实现同时对两个半屏清屏，然后设置起始页码和起始列，通过循环语句，不断地写入数据0，实现对整个屏幕清零。当要写入其他数据时，同样只需选通相应半屏，设置起始页码和起始列地址，在通过寻址的方式写入所需的数据即可。

4 系统调试（System debugging）

系统的调试主要有硬件调试和软件调试两部分。由于系统的硬件电路板是自制的，从PCB画图到腐蚀、焊接，整个过程都是手工完成的，这就难免使电路板存在一些误差和故障，所以，硬件调试的主要内容就是在制作好电路板之后，检测电路板的电气连接是否正确，上电后各关键测试点的电压是否正常等。在确保了硬件电路没有问题之后，才可以进

入系统的软件调试部分。系统软件的作用就是控制系统主CPU协调系统其他各功能部件能够正常有序地工作。本系统需要软件控制的模块主要是DS18B20温度采集、射频模块、12864液晶显示及蜂鸣器报警等。在软件调试时，应该分模块进行，各个击破，最后整体联调。

根据最终调试运行结果，系统可以实现4个节点的温度的采集，并将数据通过无线射频模块发送到接收节点；在接收节点，4路温度数据能够稳定地显示在LCD屏上，并通过串口发送到PC机中。系统完成了本设计的要求，可应用于工农业生产、科学研究、环境卫生及各种日常生活中，并将发挥积极的作用。

5 结论（Conclusion）

采用高度集成的nRF24L01器件，大大简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。降低了系统成本，缩短了开发时间。实践证明该系统设计简单、成本低廉、通信可靠、运行稳定、性能可靠，能够广泛应用于各类对温度要求较为特殊的环境下温度数据的检测，具有较高的实用价值。

参考文献（References）

[1] 宋晓伟，等.基于nRF24L01的无线温度检测系统[J].煤炭工程， 2010，（11）：11-12.

[2] 时志云，等.新型高速无线射频器件nRF24L01及其应用[J].国 外电子元器件，2007，8：42-44.

[3] 刘志平，赵国良.基于nRF24L01的近距离无线数据传输[J].应 用科技，2008，35（3）：55-58.

[4] 曾勇，杨涛，冯月晖.基于nRF24L01的超低功耗无线传感器 网络节点设计[J].电子技术应用，2008，7：45-48.

[5] 王学梅，金广锋.数字温度传感器DS18B20在粮仓温度智能控 制系统中的应用[J].科技广场，2009，（5）：217-218.

[6] 樊祥现，袁平.nRF2401无线通信数据传输可靠性技术应用[J]. 自动化技术与应用，2008，27（7）：71-73.

[7] 时志云，等.新型高速无线射频器件nRF24L01及其应用[J].国 外电子元器件，2007，（8）：42-44.

作者简介：

徐艳玲（1979-），女，硕士，讲师.研究领域：计算机网络，数

据库应用.