基于nRF905的温湿度无线数据传输系统★

2011-03-16王何宇朱莉施惠元

电子测试 2011年5期

王何宇，朱莉，施惠元

（衢州学院信息与电子工程学院324000）

0 引言

温湿度是工业控制中主要的被控参数，而数据传输都是通过有线电缆实现的。随着射频技术、集成电路技术的发展，无线通信功能的实现越来越容易，数据传输速度也越来越快，抗干扰能力也更强。因此，许多应用采用了无线传输技术[1]。本文设计了一个温湿度无线数据传输系统，它应用MCU单片机控制无线数字传输芯片nRF905 ,通过无线方式进行数据双向传输。实验结果证明：该系统使用灵活、成本低廉，具有较强的抗干扰能力，可方便地嵌入到无线监测系统中。

1 系统总体设计

系统总体框图如图1所示。该系统选用工程性能稳定、具有较大存储容量的AT89S52单片机作为控制核心，射频收发模块使用Nordic公司的nRF905实现无线数据收发，两者之间通过SPI通信协议进行数据交换。系统还提供了RS232接口（实现与PC的通讯）以及MCU的存储电路和液晶显示模块，根据不同的应用需求可选择微带天线或高增益的处置式天线。

图1 系统总体框图

2 系统硬件实现

2.1 温湿度传感器

温湿度传感器采用瑞士Sensirion公司的SHT10，该传感器具有功耗低、反应快、抗干扰能力强等优点[2]。与单片机的连接如图2所示. SCK引脚是MCU与SHT10之间通信的同步时钟，DATA用于MCU与SHT10之间的数据传输。DATA的状态在串行时钟SCK的下降沿之后发生改变，在SCK的上升沿有效。在数据传输期间，当SCK为高电平时，DATA数据线上必须保持稳定状态。

2.2 无线收发模块nRF905

系统中无线射频收发芯片选用nRF905[3-4]。nRF905的工作模式由TRX_ CE, TX_ EN和PWR_UP的设置来决定。nRF905采用串行外围设备接口SPI[5]( Scrial Peripheral Interface)与单片机连接。接口电路如图3所示。

图2 SHT10与单片机的连接

图3 nRF905和AT89S52的硬件接口电路

2.3 nRF905与MCU的SPI通信

对nRF905进行读、写操作时，必须先通过CSN的由高到低的跳变来使能nRF905，读写操作的时序如图4所示。考虑到nRF905模块内置完整的通信协议，软件设计工作主要集中在实现对nRF905模块的有效初始配置，以及MCU与nRF905模块之间SPI通信的实现。

图4 SPI读写时序

2.4 串口通信

为了便于监控，引入上位机功能，并加入串口通信模块。MCU与PC的串口进行通信，中间需接有电平转换芯片，本系统采用MAX232A电平转换芯片，其连线示意图如图5所示。其中4个电容均取0. 1 μF的典型值。串口DB9只用三根线，5端公共端接系统的地，2，3端分别是接收和发送端。DB9接口通过交叉串口线连到PC上这样就可以完成硬件串行通信。

图5 MAX232A串口通信

3 软件设计

本系统中的无线数据传输主要由温湿度传感器SHT10、无线数据收发器nRF905、AT89S52单片机和显示部分组成。nRF905收发器与单片机之间通过SPI口进行通信。因此，软件设计过程中的重点是温湿度测量和无线收发两个部分。

3.1 温湿度测量

对于温度和湿度，它们并非是急剧变化的物理量，温湿度的变化往往是缓慢进行的，因此针对这个特点从对于温湿度的测量采集并非需要时时刻刻都在进行。而是每隔T时间(T根据实际需要而定，本系统选用1S)采集一次，其余时间使得MCU处于休眠状态。其程序

流程如图6所示。

3.2 无线收发

3.2.1 nRF905的数据发送过程

图6 温湿度测量流程图

发送数据时的工作流程如图7所示。nRF905处于待机状态， TX_ EN和PWR_UP设置为高电平，TRX_ CE设置为低电平。当MCU有遥控数据节点时，接收点的地址 (TX- address) 和有效数据 (TX- payload) 将通过SPI接口传送给nRF905。单片机设置接口速度。然后单片机设置TRX_ CE，并使TX_ EN为高电平来激活nRF905的ShockBurst传输。通过nRF905的ShockBurst可使无线系统自动上电，并完成数据包 (应加前导码和CRC校验码)的数据码发送[8]。

图7 发射系统程序流程图

3.2.2 nRF905的数据接收过程

接收数据流程图如图8所示。系统的工作过程如下：

首先，设置TRX_ CE高，TX_ EN低来选择RX模式；在650μs以后，nRF905将不断监测空中的信息。当nRF905发现有和接收频率相同的载波时，其载波检测(CD) 被置为高电平；当收到有效数据(地址匹配且校验正确)时，DR引脚会自动置高，MCU 在检测到这个信号后，可以将nRF905置为待机模式，然后通过SPI总线从接收数据寄存器中读出有效数据。