基于射频模块nRF905的粮库无线温湿度监控系统

引言温湿度是影响粮食仓储过程中品质好坏的主要因素。目前我国许多粮食仓储单位仍采用测温仪器与人工抄录、管理相结合的传统方法，这不仅效率低，而且往往由于判断失误和管理不力造成局部或大范围粮食霉变的现象时有发生。本文介绍采用nRF905射频模块、多个DS18B20构成的测温网络、湿度传感器HS1101组成一种粮库无线全数字温湿度监控系统，彻底摆脱了传统的人工抄录方法，能实时检测粮仓中的温湿度，并根据所测的数据控制空调器、除湿机等外部设备的运行，确保粮仓内合适的温湿度环境，该设计具有简单可靠和灵活方便的特点。硬件设计系统硬件结构由两个部分组成：中央监控系统CMS和多个远程终端节点RTN(见图1)。系统硬件中央监控系统主要包括监控计算机和主接收器，监控计算机与主接收器之间通过串口(RS232)来通信，控制远程终端节点单片机 (P89LPC916)读取温湿度值、并且实时记录读取的通道编号、DS18B20编号、时间。可以作为原始资料的积累，用于将来的数据分析，人机界面和单片机的通信用Visual Basic编程。主接收器：通过无线射频模块nRF905以点对点或广播方式发送监控计算机的各种控制命令，在命令发出以后，采用逐一扫描的方式探测各个数据终端有没有发送通信请求；若有则执行相应的要求。远程终端主要由P89LPC916单片机、射频模块nRF905、DS18B20的测温网络、湿度传感器HS1101、外部设备驱动器及放大调整电路组成。通过P89LPC916单片机的3个通用IO连接多个DS18B20构成“一线总线”通信，实现DS18B20的测温网络。湿度传感器 HS1101探测现场环境湿度，经过A/D转换后变为数字信号。现场检测信号由P89LPC916单片机进行处理，最后将数据通过nRF905收发器送出。当P89LPC916单片机检测到异常的储粮温湿度时，启动风机等外部设备，送信号到监控计算机和报警电路，有声光报警，提醒工作人员。DS18B20美国Dallas公司的DS18B20数字式温度传感器，工作电压3.05.5V，温度测量范围-55125，在-1085范围内测量精度为0.5。与传统的热敏电阻温度传感器不同，它能够直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现912位的数字值读数方式，可以分别在93.75ms和750ms内将温度值转化为9位和12位的数字量。该芯片在检测点已把被测信号数字化了，因此在单总线上传送的是数字信号。本系统设计中选择了该传感器，使得系统温度传感器模块的硬件极其简单，只占用单片机系统的一个数据I/O口加一个上拉电阻即可。DS18B20因其序列号在出厂前已写入片内ROM中，主机在进入操作程序前必须逐一接入DS18B20用读ROM(33H)命令将该 DS18B20的序列号读出。当主机需要对众多在线DS18B20的某一个进行操作时，首先要发出匹配ROM命令(55H)，接着主机提供64位序列码，之后的操作就是针对该DS18B20的。在DS18B20组成的多路测温系统中，主机在发出跳过ROM命令之后，再发出统一的温度转换启动码44H，就可以实现所有DS18B20的统一转换。再经过1s后就可以用很少的时间去逐一地读回每个DS18B20的温度数据。射频芯片nRF905nRF905是挪威Nordic公司推出的单片射频发射器芯片，工作电压为1.93.6V，工作于433/868/915MHz3个ISM频道。nRF905可以自动完成处理字头和CRT(循环冗余码校验)的工作，可由片内硬件自动完成曼彻斯特编码/解码，使用SPI接口与微控制器通信，配置非常方便，其功耗非常低，以-10dBm的输出功率发射时电流只有11mA，在接收模式时电流为12.5mA。 nRF905传输数据时为非实时方式，即发送端发出数据，接收端收到后先暂存于芯片存储器内，外面的MCU可以在需要时再到芯片中去取。nRF905一次的数据传输量最多为32B。无线数据传送的实现本设计中将单片机P89LPC916的SPI接口和nRF905的SPI接口相连，另外再选几个I/O口连接nRF905的输入输出信号，如图2所示。nRF905控制电路图2 nRF905控制电路nRF905在正常工作前应由P89LPC916先根据需要写好配置寄存器，其后的工作主要是两个：发送数据和接收数据。发送数据时，P89LPC916先把nRF905置于待机模式(PWR_UP引脚为高、TRX_CE引脚为低)，然后通过SPI总线把发送地址和待发送的数据都写入相应的寄存器中，之后把nRF905置于发送模 式(PWR_UP、TRX_CE和TX_EN全置高)，数据就会自动通过天线发送出去。为了数据可靠地传输，将射频配置寄存器中的自动重发位(AUTO_RETRAN)设为有效，数据包重复不断地一直向外发，直到P89LPC916把 TRX_CE拉低，退出发送模式为止。 接收数据时，P89LPC916把nRF905的TRX_CE 引脚置为高电平，TX_EN引脚拉为低电平后，就开始接收数据。本设计中P89LPC916设定的40s内一直判断nRF905的DR引脚是否变高，若为高，则证明接收到了有效数据，可以退出接收模式，若一直没有接收到，待时间到时也退出接收模式。退出后在待机模式，P89LPC916通过SPI总线把 nRF905内部的接收数据寄存器中的数据读出，即接收到的有效数据。软件设计本系统设计的重点是控制nRF905的程序设计，首先是对nRF905进行初始配置，配置完成后按需要编写用户数据的发送或接收程序。软件系统的整体数据处理流程图3 软件系统的整体数据处理流程初始化初始化nRF905的射频配置寄存器这些寄存器中有很多信息，必须根据实际情况进行配置，本设计中nRF905外接16MHz晶体，XOF应配置为011；PA_PWR为发射功率、RX_RED_PWR为接收灵敏度，可根据需要配置；另外还有发送地址、接收地址、发送数据和接收数据的长度(字节数)，可根据实际应用配置。注意这组寄存器中还有接收时的实际地址，而发送地址在其他单独寄存器中。配置nRF905的发送地址在实际工作中，nRF905可以自动滤除地址不相同的数据，只有地址匹配且校验正确的数据才会被接收，并存储在接收数据寄存器中。本设计中配置最多4个字节(32位)，发送端的发送地址应与接收端设备的接收地址相同。用户程序根据系统的硬件设计方案，分为发送端和接收端两个部分，软件系统的整体数据处理流程如图3所示。软件系统分为5个模块：温湿度采集模块、外部设备模块、RF发送模块、RF接收模块、中央监控系统报表统计分析模块。通信协议系统结构为有多个发送端向1个接收端单向发送温湿度数据，同时要求接收端能够根据接收的数据内容判断信号来自哪一个发送模块；接收端根据温湿度数据是否越界从而驱动前端外部设备。为此，将系统通信协议设置为如下格式： Preamble为引导字节，Add为接收机地址，Payload为有效加载数据(包括接收显示单元识别码Rid、源发送单元识别码Sid及 Data字在接收时Data字高八位内容即为温度数据，低八位内容即为湿度数据；发送控制命令即为外部设备控制字，长度为2字节)，CRC为校验码。 nRF905处于发射模式时，Add和Payload由微控制器按顺序送入射频模块nRF905，Preamble和CRC由nRF905自动加载。接收时，nRF905先接收一个数据包，分别验证Preamble、Add和CRC正确后，再将Payload数据送入微控制器处理；当接收显示单元微处理器判断Payload中的Rid和本机识别码一致时，继续处理后继数据，并通过Sid来判断收到的数据来自哪一个监测点，保存至中央监控系统数据库供后期数据分析处理。结语基于nRF905、湿度传感器HS1101以及DS18B20智能温度传器设计的分布式多点测量系统能很好的满足粮库温湿度监测的要求。自2006年3月在中山市某应急粮加工中心使用至今，系统稳定可靠，简单易用。参考文献：1Dallas Semiconductor. DS18B20 Datasheet，2005-06-142Nordic VLSI ASA Inc.nRF905 Datasheet. rev1-2，2005-01-223毛哲、谢兆鸿等，粮情智能测控系统的研制，微计算机信息，2003.6：39-40引 言科学储粮是粮食生产的一个重要环节，若管理不当，粮食发霉或生虫会造成极大的浪费。粮库管理中最重要的问题是监测粮堆中的温、湿度变化。国家为粮食储藏每年支付很高的费用，主要是因为监测设备的成本过高，管理方式不够先进。随着无线通信网络技术及传感器技术的发展，使得研制低成本的先进粮库温湿度监测方法成为现实。无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)是将大量低功耗、低成本的无线传感器节点布置到相关区域，各传感器节点通过自组织快速形成的一种分布式网络。WSN具有广阔的应用前景，例如灾难预警与救助、环境监测和生物多样化勘测、智能楼宇、设备管理、机器监视和维护、运输和信息通信业务等。在粮库中构建无线传感器网络，就可以实现对粮库各处温湿度的低成本、高效监测。其中的传感器节点是组成粮库WSN的基本单位，节点将采集的温湿度数据传送给相邻节点，根据采用的路由协议最终传送到汇聚节点(sink)。汇聚节点解析接收到的数据，连接到因特网上实现信息的更广泛传递。由此可知，节点的设计直接影响到粮库WSN的性能。出于粮库WSN低功耗、低成本的考虑，通常采用8位单片机为节点CPU。本设计实现了以高档8位AVR单片机ATmega128L为核心，结合外围温湿度传感器SHT11和无线收发芯片CC2420的粮库无线传感器网络节点。1 节点结构粮库无线温湿度传感器网络节点主要功能是采集粮库温湿度数据，并将数据发送给汇聚节点。它由传感器模块、处理模块、传输模块和能量供应模块4个部分组成，如图1所示。传感器模块采用的是瑞士Scnsirion公司推出的温湿度传感器SHT11，通过I2C接口与处理模块相连；处理模块控制其他模块以及WSN的路由协议、同步定位执行和节点的功耗管理等；传输模块主要由低功耗无线通信芯片CC2420及其外围电路组成，软件上运行相应的通信协议；能量供应模块采用2节 5号AA电池供电。2 粮库无线温湿度传感器网络节点设计21 处理模块设计ATmega128L是Atmel公司于2001年推出的采用低功耗CMOS工艺生产的基于AVR RISC结构的8位微控制器。该芯片内部采用Harvard结构，具有极低的能耗和丰富的资源；具有片内128 KB的Flash存储器、4 KB的SRAM数据存储器(可外接扩展到64 KB)和4 KB的E2PROM存储器。该芯片还有8个10位ADC通道，2个8位和2个16位硬件定时计数器，可在多种不同模式下工作；8个PWM通道、可编程看门狗定时器和片上振荡器、片上模拟比较器；USART01、SPI、I2C总线接口；可以采用JTAG编程和ISP编程两种方式。除正常工作模式外， ATmega128L还具有6种不同等级的低能耗操作模式，每种模式具有不同的能耗。因此ATmega128L非常适合于低能耗的应用场合。处理模块选用 AT-mega128L，其接口电路如图2所示。22 传输模块设计传输部分采用Chipcon公司的CC2420芯片。它是Chipcon公司推出的首款符合24 GHz IEEE 802154标准的射频收发器。该器件包括众多额外功能，是第一款适用于ZigBee产品的RF器件。它基于Chipcon公司的SmartRF03 技术，以018 m CMOS工艺制成，只需极少外部器件，性能稳定且功耗极低；具有工作电压低(2136 V均可工作)、能耗低、体积小等非常适合于集成的特点；采用QPSK调制方式，最大收发波特率250 kbs，外部采用SPI的接口，可以直接和微处理器芯片ATmega128L相连接。传输模块接口电路如图3所示。23 传感器模块设计传感器模块采用的是数字温湿度传感器SHT11。该芯片主要特点如下：高度集成，将温度感测、湿度感测、信号变换、AD转换和加热器等功能集成到一个芯片上；提供二线数字串行接口SCK和DATA，接口简单，支持CRC传输校验，传输可靠性高；测量精确度高，由于同时集成温湿度传感器，可以提供温度补偿的湿度测量值和高质量的露点计算功能；封装尺寸超小，测量和通信结束后，自动转入低功耗模式；高可靠性，采用CMOS工艺，测量时可将感测头完全浸于水中。处理模块ATmega128L通过I2C接口与SHT11相连。3 节点软件检测对设计好的节点分模块进行软件检测，针对各个不同模块编写测试程序验证节点工作的可靠性。检测工具为AVR Studi04，硬件仿真器为JTAGICE。在进行软件测试之前，先要通过连接AVRStudi04找到ATmega128，然后将其熔丝位更改为外部时钟，使其对应于7372 8 MHz晶振提供的时钟源。编程方式选用JTAG编程。本文仅就外部晶振及指示灯、串口、温湿度传感器SHT11和CC2420无线通信的软件检测进行说明。完整的ZigBee协议栈由物理层、介质访问控制层、网络层、安