基于STC12C5A60S2的无线温度采集系统设计

秦相林，张海兵，张盈盈

(哈尔滨商业大学计算机与信息工程学院，哈尔滨150028)

目前，我国绝大多数的温度监测系统都是传统方式，主要有就地进行数据采集的方式和有线通信的实时温度监测系统，前者测量方法单一，测量数据不连续且时效性差，后者缺少灵活性且适用环境有限.随着信息通信与电子技术的迅猛发展，使得传统的数据采集方式已不能满足需求，严重地制约了现代化监测系统发展的进程.例如在监测区域环境复杂，且监测点的位置分布较分散的情况下，布线复杂而且慢，人力物力成本较大，不适合与控制中心进行有线通信.无线监测系统是无线技术发展至今最重要的应用之一，采用无线网络可增强监测系统的灵活性和可扩充性，省去网络布线的麻烦[1].

因此，本文尝试研究一种无线温度监测系统，此系统将无线收发模块与单片机相结合，采用抗干扰能力强的射频发射模块及接收模块实现无线通信，提高系统的可靠性.该监测系统具有结构简单、使用方便、成本低、工作稳定可靠等优点.

1 无线传感器节点硬件设计

1.1 单片机选择方案

无线传感器节点要实现对温度信息的采集、处理和无线传输.无线传感器节点内的单片机对节点起管理、控制作用，并进行信号处理.在选择单片机时，主要参考以下标准:首先，要求单片机的功耗要很小，由于它消耗的是节点中电池的电量，并且长期处在工作状态，所以必须具有功耗低的特点.其次，要求单片机的价格适中，不能使成本太高.此外单片机的运行速度和程序存储空间大小，对以后节点功能的扩展很重要.本无线传感器节点采用STC12C5A60S2单片机去控制nRF24L01射频芯片和DS18B20温度传感器，其硬件结构与功能模块的对应关系如图1所示[2].

图1 无线传感器节点

新一代STC12C5A60S2与传统的MCS-51系列单片机指令完全兼容，具有高速、低功耗及抗干扰性能强等优点.该单片机拥有60K的程序存储器和1280字节RAM，完全能满足单片机系统的软件设计要求;且该单片机是新一代单时钟/机器周期(1T)，其处理速度是传统51单片机的8到12倍，便于以后进行功能扩展，例如:可以快速处理其所在节点的路由算法.故STC12C5A60S2单片机是构建本监测节点理想的选择.

1.2 无线收发模块

nRF24L01是一款工业级内置硬件链路层协议的低成本无线收发器.该器件工作于2.4 GHz全球开放ISM频段，内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，可直接与单片机I/O连接.nRF24L01功耗低，以-6 dBm的功率发射时，工作电流仅9 mA;接收时，工作电流仅12.3 mA，多种低功率工作模式(掉电和空闲模式)更利于节能设计[3].与nRF24L01的SPI接口连接时，可以利用单片机硬件的SPI口，也可以用单片机I/O口进行模拟.该收发模块内部有FIFO可以与各种高低速微处理器接口，便于使用低成本单片机[4].

1.3 温度采集芯片

DS18B20结构简单，采用一根I/O数据线既可供电又可传输数据.在现场采集温度数据时，将数据直接转换成数字量输出.测量温度范围为-55～125℃，在-10～85℃时精度为±0.5℃;可编程的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5、0.25、0.125、0.062 5℃，可实现高精度测温;在9位分辨率时最多在93.75 ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750 ms内把温度值转换为数字，速度很快;测量结果直接输出数字温度信号，以“一线总线”串行传送给处理器，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力.

2 硬件原理图

单片机的SPI接口有两种操作模式:主模式和从模式.在主模式中支持高达3Mbit/s的速率，从模式时速度低些.nRF24L01提供的SPI接口数据传输率取决于单片机本身接口速度.单片机通过SPI对nRF24L01进行状态配置，系统设为发送模式，单片机就把数据输入到nRF24L01，当P0.2(CE)信号从1变为0时，nRF24L01就把从单片机收到的数据以2Mbit/s的速率发射出去，并通过IRQ信号通知单片机发送完成.若系统设为接收模式，nRF24L01就一直在监测天线接收的信号，若有同频的信号，就收下并打开信息包读取地址，地址与自己的相同就取出信息包里的有用数据，并通过IRQ信号通知单片机取走.节点原理图如图2所示[5-7].

3 系统工作流程

无线传感器节点在启动后，首先配置nRF24L01的相关寄存器，使其工作在发送状态.节点在发送模式下，首先复位DS18B20，单片机向DS18B20发送温度转换命令，读取已转换的温度值，然后交由nRF24L01发送.上位机的接收模块在接收模式下，首先读取无线模块的状态寄存器，并判断是否接收到数据，若没有，则一直检测等待数据的到来;若有，则接收数据并送至接收模块的RS232串口处，上位机监测软件从串口处读取数据并显示.其工作流程如图3、4所示[6].

4 系统实现

4.1 STC12C5A60S2控制温度传感器DS18B20

从DS18B20读1字节数据

图2 节点电路原理图

4.2 STC12C5A60S2控制无线模块nRF24L01

函数:SPI_RW().描述:根据SPI协议，写一字节数据到nRF24L01，同时从nRF24L01读出一字节

4.3 上位机接受数据的实验结果

上位机实时显示温度变化如图5所示.

图5 温度变化曲线

5 结语

采用新一代增强型8051单片机STC12C5A60S2与高度集成的nRF24L01器件结合，大大简化了系统硬件和软件设计，减小了体积，提高了系统工作的可靠性，且系统的运行速度得到很大提高.实践证明该系统设计简单，成本低廉，运行速度快，通信可靠，运行稳定，具有较高的实用价值.由于STC12C5A60S2的程序存储器空间比传统的51单片机大了10倍之多，且运行速度也提高了8～12倍，这有利于以后进行节点路由功能的扩展.

[1]Qin XiangLin，Zhang HaiBing.Clustering Route Algorithm based on Energy Balance for Wireless Sensor Networks[J].FCC2010 Shanghai:IEEE Pree，2010，335-338.

[2]潘 勇，管学奎，赵 瑞.基于NRF24L01的智能无线温度测量系统设计[J].电子测量技术，2010，33(2):120-122.

[3]王 振，胡 清，黄 杰.基于nRF24L01的无线温度采集系统设计[J].电子设计工程，2009，17(12):24-26

[4]刘志平，赵国良.基于nRF24L01的近距离无线数据传输[J].应用科技，2008，35(3):55-58.

[5]黄 婷，施国梁，黄 坤.单片机无线通信系统的设计与实现[J].微处理机，2010，3:27-31.

[6]李守勇，董天临.温度湿度无线测控系统设计[J].传感器技术，2005，24(12):64-68.

[7]赵志峰，陈湘萍.基于Stc12c5a60s2的RS-232串口数据分析器设计[J].现代计算机，2010，12:102-106.