基于STC12C5A60S2的無線溫度采集系統設計

　　目前，我國絕大多數的溫度監(jiān)測系統都是傳統方式，主要有就地進行數據采集的方式和有線通信的實時溫度監(jiān)測系統，前者測量方法單一，測量數據不連續(xù)且時效性差，后者缺少靈活性且適用環(huán)境有限。隨著信息通信與電子技術的迅猛發(fā)展，使得傳統的數據采集方式已不能滿足需求，嚴重地制約了現代化監(jiān)測系統發(fā)展的進程。例如在監(jiān)測區(qū)域環(huán)境復雜，且監(jiān)測點的位置分布較分散的情況下，布線復雜而且慢，人力物力成本較大，不適合與控制中心進行有線通信。無線監(jiān)測系統是無線技術發(fā)展至今最重要的應用之一，采用無線網絡可增強監(jiān)測系統的靈活性和可擴充性，省去網絡布線的麻煩。

　　因此，本文嘗試研究一種無線溫度監(jiān)測系統，此系統將無線收發(fā)模塊與單片機相結合，采用抗干擾能力強的射頻發(fā)射模塊及接收模塊實現無線通信，提高系統的可靠性。該監(jiān)測系統具有結構簡單、使用方便、成本低、工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。

　　1無線傳感器節(jié)點硬件設計

　　1.1單片機選擇方案

　　無線傳感器節(jié)點要實現對溫度信息的采集、處理和無線傳輸。無線傳感器節(jié)點內的單片機對節(jié)點起管理、控制作用，并進行信號處理。在選擇單片機時，主要參考以下標準：首先，要求單片機的功耗要很小，由于它消耗的是節(jié)點中電池的電量，并且長期處在工作狀態(tài)，所以必須具有功耗低的特點。其次，要求單片機的價格適中，不能使成本太高。此外單片機的運行速度和程序存儲空間大小，對以后節(jié)點功能的擴展很重要。本無線傳感器節(jié)點采用STC12C5A60S2單片機去控制nRF24L01射頻芯片和DS18B20溫度傳感器，其硬件結構與功能模塊的對應關系如圖1所示。

　　圖1無線傳感器節(jié)點新一代STC12C5A60S2與傳統的MCS-51系列單片機指令完全兼容，具有高速、低功耗及抗干擾性能強等優(yōu)點。該單片機擁有60K的程序存儲器和1280字節(jié)RAM，完全能滿足單片機系統的軟件設計要求;且該單片機是新一代單時鐘/機器周期（1T），其處理速度是傳統51單片機的8到12倍，便于以后進行功能擴展，例如：可以快速處理其所在節(jié)點的路由算法。故STC12C5A60S2單片機是構建本監(jiān)測節(jié)點理想的選擇

　　1.2無線收發(fā)模塊

　　nRF24L01是一款工業(yè)級內置硬件鏈路層協議的低成本無線收發(fā)器。該器件工作于2.4 GHz全球開放ISM頻段，內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器等功能模塊，可直接與單片機I/O連接.nRF24L01功耗低，以-6 dBm的功率發(fā)射時，工作電流僅9 mA;接收時，工作電流僅12.3 mA，多種低功率工作模式（掉電和空閑模式）更利于節(jié)能設計［3］。與nRF24L01的SPI接口連接時，可以利用單片機硬件的SPI口，也可以用單片機I/O口進行模擬。該收發(fā)模塊內部有FIFO可以與各種高低速微處理器接口，便于使用低成本單片機。

　　1.3溫度采集芯片

　　DS18B20結構簡單，采用一根I/O數據線既可供電又可傳輸數據。在現場采集溫度數據時，將數據直接轉換成數字量輸出。測量溫度范圍為-55～125℃，在-10～85℃時精度為±0.5℃;可編程的分辨率為9～12位，對應的可分辨溫度分別為0.5、0.25、0.125、0.062 5℃，可實現高精度測溫;在9位分辨率時最多在93.75 ms內把溫度轉換為數字，12位分辨率時最多在750 ms內把溫度值轉換為數字，速度很快;測量結果直接輸出數字溫度信號，以“一線總線”串行傳送給處理器，同時可傳送CRC校驗碼，具有極強的抗干擾糾錯能力。

　　2硬件原理圖

　　單片機的SPI接口有兩種操作模式：主模式和從模式。在主模式中支持高達3Mbit/s的速率，從模式時速度低些.nRF24L01提供的SPI接口數據傳輸率取決于單片機本身接口速度。單片機通過SPI對nRF24L01進行狀態(tài)配置，系統設為發(fā)送模式，單片機就把數據輸入到nRF24L01，當P0.2（CE）信號從1變?yōu)?時，nRF24L01就把從單片機收到的數據以2Mbit/s的速率發(fā)射出去，并通過IRQ信號通知單片機發(fā)送完成。若系統設為接收模式，nRF24L01就一直在監(jiān)測天線接收的信號，若有同頻的信號，就收下并打開信息包讀取地址，地址與自己的相同就取出信息包里的有用數據，并通過IRQ信號通知單片機取走。節(jié)點原理圖如圖2所示。

　　3系統工作流程

　　無線傳感器節(jié)點在啟動后，首先配置nRF24L01的相關寄存器，使其工作在發(fā)送狀態(tài)。節(jié)點在發(fā)送模式下，首先復位DS18B20，單片機向DS18B20發(fā)送溫度轉換命令，讀取已轉換的溫度值，然后交由nRF24L01發(fā)送。上位機的接收模塊在接收模式下，首先讀取無線模塊的狀態(tài)寄存器，并判斷是否接收到數據，若沒有，則一直檢測等待數據的到來;若有，則接收數據并送至接收模塊的RS232串口處，上位機監(jiān)測軟件從串口處讀取數據并顯示。其工作流程如圖3、4所示。