基于DSP和nRF24L01的無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

　　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?/p>

　　什么是DSP

　　數(shù)字信號處理，英文：Digital Signal Processing，縮寫為DSP，是面向電子信息學(xué)科的專業(yè)基礎(chǔ)課，它的基本概念、基本分析方法已經(jīng)滲透到了信息與通信工程，電路與系統(tǒng)，集成電路工程，生物醫(yī)學(xué)工程，物理電子學(xué)，導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制，電磁場與微波技術(shù)，水聲工程，電氣工程，動力工程，航空工程，環(huán)境工程等領(lǐng)域。

　　數(shù)字信號處理問題無處不在，信息科學(xué)已滲透到所有現(xiàn)代自然科學(xué)和社會科學(xué)領(lǐng)域。學(xué)生應(yīng)熟練地掌握本課程所講述的基本概念、基本理論和基本分析方法，并利用這些經(jīng)典理論分析、解釋和計算信號、系統(tǒng)及其相互之間約束關(guān)系的問題。

　　DSP芯片，也稱數(shù)字信號處理器，是一種特別適合于進(jìn)行數(shù)字信號處理運(yùn)算的微處理器，其主要應(yīng)用是實時快速地實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。根據(jù)數(shù)字信號處理的要求，DSP芯片一般具有如下主要特點：

　?。?）在一個指令周期內(nèi)可完成一次乘法和一次加法；

　?。?）程序和數(shù)據(jù)空間分開，可以同時訪問指令和數(shù)據(jù)；

　　（3）片內(nèi)具有快速RAM，通?？赏ㄟ^獨立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時訪問；

　?。?）具有低開銷或無開銷循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的硬件支持；

　　（5）快速的中斷處理和硬件I/O支持；

　　（6）具有在單周期內(nèi)操作的多個硬件地址產(chǎn)生器；

　?。?）可以并行執(zhí)行多個操作；

　?。?）支持流水線操作，使取指、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行。

　　當(dāng)然，與通用微處理器相比，DSP芯片的其他通用功能相對較弱些

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。