基于nRF24L01的智能物联系统组网技术研究

摘 要：本文以智能物联系统的无线传感网组网技术为研究背景，分析了小范围无线传感网常见的通信技术，研究了基于nRF24L01射频模块射频组网中存在的各种问题，并分别针对1发N收和1收N发组网方式提出了解决方案。实验数据表明，所述组网方式简单有效，能够满足大多数小范围无线传感网组网的应用需求。

关键词：物联网；nRF24L01；无线传感网；组网技术

中图分类号：TP273.5 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2018）10-0192-03

Abstract：Based on the research background of the wireless sensor network networking technology of the intelligent material connection system，this paper analyzes the common communication technology of the small range wireless sensor network，analyzes and studies the various problems in the radio frequency networking based on the nRF24L01 RF module，and the solution is also proposed for the 1 sending N receiving and 1 receiving N sending networking modes. Experimental data show that the networking method is simple and effective，and can meet the application needs of most small wireless sensor networks.

Keywords：internet of things；nRF24L01；wireless sensor network；networking technology

0 引 言

物联网是信息技术领域的一次重大变革，被认为是继计算机、互联网和移动通信网络之后的第三次信息产业浪潮[1]。物联网是在互联网基础上延伸和扩展出来的网络，它的应用节点可以延伸和扩展到任何物品和物品之间，从而进行信息交换和通信，以实现智能物联系统的各种智能识别、定位、监控和管理等功能。

智能感知作为物联网的基本功能，是物联网应用的信息基础，它主要负责物联网应用所需的节点信息检测和通信功能。在智能物联系统的应用中，通常先将多个分布在不同地点的传感器节点组成一个传感器网络，智能物联系统可以通过传感器网络获取各种原始感知信息，考虑到存在大量感知节点数时，系统布线成本过高和布线复杂，目前物联网应用基本采用低功耗无线通信技术进行传感器节点组网。数据在有效距离范围内进行可靠传输是无线传感网的关键。在智能物联系统中，传感器节点采集的数据通常是小容量数据，而在各种应用中传输距离差异比较大，短到数米，长到几百上千公里，目前较常用的低功耗、短距离无线通信方式有Zigbee、Bluetooth和WIFI等，但这些无线通信方式还存在一些缺点，比如WIFI硬件价格昂贵，功耗大，支持的总设备数量很少，不适合量大的传感器终端；Zigbee硬件价格非常高昂，而且Zigbee协议很复杂且不开源，对于电子爱好者来说，上手有较大难度；Bluetooth蓝牙传输协议和其他2.4G设备一样，都是共用这一频段的信号，难免导致信号互相干扰。此外，任何使用这项技术的厂商都要向该组织交纳一笔专利费。

无线传感器节点组网技术是物联网系统应用的一个关键技术[2]，本文针对上述常用低功耗短距离无线传输技术存在的不足，选用了nRF24L01芯片进行无线传感网组建，nRF24L01具有价格便宜、上手简单的优点，特别适用于小范围传感器节点无线组网。

1 nRF24L01芯片介绍

nRF24L01是由NORDIC生产的，工作在2.4GHz～ 2.5GHz的ISM频段的单片无线收发器芯片，无线收发器芯片内部包括频率发生器、增强型“SchockBurst”模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器和解调器等。nRF24L01采用FSK调制，集成NORDIC自家的Enhanced Short Burst协议，可以实现点对点或是1对6的无线通信，无线通信速度最高可达到2Mbps，增强型NRF24L01通信距离可以达到1km以上。

nRF24L01采用SPI通信，可以很方便地连接MCU。当模块工作在发射模式时，发射功率为-6dBm时，电流消耗为9mA，接收模式时为12.3mA，工作在掉电模式和待机模式时电流消耗更低。

2 nRF24L01模块通信机制

在智能物联网系统应用中，无线传感网络的感应节点主要由以下几个部分组成[3]：传感器、微控制器（MCU）、无线收发器和电源管理单元等。传感器感应节点通信组网主要包括1收N发和1发N收两种基本方式，无论是1收N发还是1发N收，其前提是任意两个传感器节点之间的无线收发器能够进行通信，作为传感器节点的无线收发器模块要实现2个nRF24L01之间的通信，必须将收发端的以下4个条件设置成相同值：

（1）发射、接收数据宽度相同（最大32个字节）；

（2）发射、接收地址相同（5个8位地址）；

（3）发射、接收频道相同（0～125）；

（4）发射、接收速率相同（2M、1M或250K）。

nRF24L01在进行无线组网时支持6通道通信，即1收6发通信和1发6收通信两种组网方式。在实际应用中，所用到的传感器节点数往往远多于6个，且直接设置上述四个条件后通信效率很差，因此，软件思路需要进一步完善。

3 基于nRF24L01的组网思路

3.1 1发N收方式

在智能物联网应用中，任务调度器（主机）常常需要发命令给各个传感器节点（从机），此时就会用到1发N收通信模式。为使主机能够发送数据给多个从机，首先必须将主机和所有从机的数据宽度、收发地址、收发频道和收发速率设置一致。设置完成后，如果主机发送数据，理论上每个从机都能收到数据，但实际上由于干扰等原因的存在，只有部分从机能够收到，而且当某个从机想要给主机发送数据时，其它从机也可能会收到该从机发出的数据。因此，采用这种设置方法组网时，数据传输的可靠性和准确性较差，为提高无线传感网数据传输的性能，经研究测试，本文先利用以下方式对从机进行设置，再由主机对从机逐一发送数据即可解决上述问题。

方法1：将主机和所有从机的数据宽度、收发地址和收发速率设一致，各从机设为不同的频道，可设置的频道范围为0～125；

方法2：将主机和所有从机的数据宽度、收发频道和收发速率设一致，各从机设为不同的地址，由于从机地址的5个字节数据中有4个字节相同，实际可设置的地址为1个字节，及0～255；

方法3：将主机和所有从机的数据宽度、收发速率设置一致，各从机可设为不同的频道（0～125）和不同的地址（0～255），共有32256种组合。

根据不同应用场合的需求选择不同的方法，例如，当从机数量较少时，可以用方法1将从机设置在不同的频道，需要注意的是，当从机之间频道比较接近时，容易发生串频现象，这个问题可以通过拉大从机间的频率范围解决，比如将各从机之间的射频频率设置为相差20Mhz，即从机1的频道设为0，从机2的频道设为20，从机3的频道为40，从机4的频道设为60，从机6的频道设为80，这样设置基本上可以避免串频干扰问题，但这种方法可用的频道较少，从机个数少时才适用。同样，也可以依据方法2将各从机设置在不同的地址，这种方法理论上最大的从机个数为256个。当超过256个从机时，就可以用方法3，利用不同频道和不同地址的组合，将从机个数扩展到3万多个，足以满足各种小范围智能传感器节点应用组网的需求。

从机的频道和地址设置好后，主机只需要把自身的频道和发送地址改为指定从机，即可将数据准确地发送给指定从机，此时其它从机由于频道或接收地址不同，就无法接收到主机发送的数据，即可实现数据的准确发送。同理，当主机要发送数据给下一从机时，将频道和地址改为与下一主机相同即可，依次类推，可以实现一台主机对N台从机的数据发送功能，且数据传输效率高、从机串频现象极少。

3.2 1收N发方式

在实际智能物联网的应用中，常常需要利用分布在不同区域的传感器节点（从机）来采集数据[4]，并将数据通过无线方式发送给任务调度器（主机），也就是1收N发组网模式。

首先将主机和所有从机的数据宽度、收发地址、收发频道和收发速率设一致，理论上此时主机通过nRF24L01内的6通道最多可以同时接收6个从机的数据，但实际上由于多从机同时向主机发送数据，主机容易发生数据碰撞导致死机或数据错乱。解决该问题的思路依旧可以用上文所述方法，即将主机和正在通信的从机频道或地址设置一致，再采用轮询的方式，即可以用nRF24L01组网实现一收N发数据采集功能。

例如，在有N个传感器节点的物联网应用中，即需要采集N个传感器节点数据的1收N发模式下，首先将主机修改为与从机1相同的频道和地址，并发送数据命令，从机1收到命令后，将对应传感器节点采集的数据发送给主机，主机再回应从机已收到数据；然后主机再把频道和地址改为与从机2相同，给从机2发送命令，从机2收到命令后，将对应传感器采集的数据发送给主机，主机再回应从机已收到数据……依次类推，对所有传感器节点进行循环遍历，微观上属于分时通信，宏观上相当于主机同时收集了各传感器节点的数据，能有效解决主机在接收多通道信息时的数据碰撞问题。

4 测试结果

本文以农业大棚信息采集与控制系统项目为测试背景，每个传感器节点集成了一个MCU、一个nRF24L01及空气温度传感器、土壤湿度传感器和空气湿度传感器，为了反映各传感器节点数据采集和无线传输过程，使用5个传感器节点进行实验，将1号传感器节点悬空（即未插入土壤），其余传感器节点则依次插在花圃中的不同位置，每隔30秒采集一次数据，总共采集3次。

从测试数据来看，横向对比每个传感器节点检测到的同类数值都有一定差异；纵向上看，除了传感器精度导致的测量值波动外，各个传感器节点采集的空气湿度、空气温度和土壤湿度又基本稳定，与实际情况吻合，说明任务调度器可以准确接收各传感器节点发送的数据，即验证了本文所述的无线传感网组网方式的有效性。

5 结 论

无线传感网组建技术是物联网关键技术之一，本文分析了当前中小范围内无线组网的常见技术，并以nRF24L01射频模块为基础，研究和探讨了多模块无线组网存在的问题，并分别对1发N收组网模式和1收N发组网模式提出了解决方案。最后，通过项目实验从侧面证明了该组网方式的有效性。

参考文献：

[1] 胡永利，孙艳丰，尹宝才.物联网信息感知与交互技术 [J].计算机学报，2012，35（6）：1147-1163.

[2] 李伟.无线传感网节能组网关键技术分析 [J].信息技术与信息化，2015（9）：175-176.

[3] 李泽坤，叶水生.基于nRF24L01无线网络节点的硬件设计 [J].仪表技术与传感器，2013（11）：95-97.

[4] 袁静.无线传感网技术在智能电网用电信息采集系统中的应用 [J].计量与测试技术，2010，37（8）：5-7.

作者简介：黄衍标（1983-），男，江西人，讲师，硕士。研究方向：机器人与人工智能、嵌入式技术；曹淑宽（1981-），女，广东人，讲师，硕士。研究方向：通信技术。