基于nRF24L01家居无线温湿度监测系统设计

陈辉煌

摘要：为了实现对家居温湿度监测低功耗的需求，提出了一种基于nRF24L01家居无线监测系统设计方案，并完成系统的硬软件设计。该系统采用STM32F103处理器及AM2301温度湿度传感器构成低功耗的无线监测系统。实际应用表明，该系统具有数据采集准确的特点，达到了设计要求。

Abstract： In order to meet the demand of low power consumption in home temperature and humidity monitoring， a wireless monitoring system based on nRF24L01 is proposed， and the hardware and software design of the system is completed. The system uses STM32F103 processor and AM2301 temperature and humidity sensor to form a wireless monitoring system with low power consumption. The practical application shows that the system has the characteristics of accurate data acquisition and can meet the design requirements.

關键词：家居；STM32F103；AM2301；无线监测系统

Key words： household；STM32F103；AM2301；Wireless monitoring system

中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）06-0088-03

0 引言

在智能家居物联网系统中温湿度是一个重要的系统参数。我们可以根据系统测量的参数打开或关闭空调、加湿器等，调整家居的舒适度。传统有线测量系统成本高、布线复杂、系统扩展性能差，因此提出并设计了一种基于nRF24L01的无线温湿度监测系统。该系统能够完成对其准确检测。

1 系统整体设计

系统以基于STM32F103处理器为核心，在不同节点的 nRF24L01组网后，可实现家居温湿度数据无线传输；使用 AM2301 温湿度传感器完成环境节点数据采集；使用ILI9325液晶显示屏实时显示各监测节点的信息。该监测系统整体设计如图1所示。

2 系统硬件设计

该温湿度监测系统为一对多的无线数据采集系统，由多个从机将本地的采集的数据经nRF24L01无线射频模块发送到主机上，一个主机经nRF24L01无线射频模块收集多通道中的终端节点的温湿度数据，自组实现一对多的无线传感器监测系统，以实现对家居温湿度的实时监测和报警。

2.1 处理器主控模块

采用STM32F103RCT6[1]处理器为主控模块，该处理器为ARM Cortex-M3，外设包括3个12位ADC、12通道DMA控制器、11个定时器，工作频率可达72MHz，具有USB、I2C、SPI、CAN和USART等接口。芯片工作电压范围2.0V-3.6V，支持睡眠模式、停机模式和待机模式三种低功耗模式。该模块在整个电路中负责对数据采集信号进行发送与接收。

2.2 nRF24L01无线模块

NORDIC公司的nRF24L01芯片[2]，采用FSK调制方式，芯片内部集成该公司的Enhanced Short Burst协议。可以达到2Mb/s的通信速度，能实现1对6的通信，内置2.4GHz天线，SPI接口可以和处理器机I/O口进行直接相连。内部集成的RF协议相关的信号处理部分，能够自动检测，自动重发功能和重发丢失的数据包，便于嵌入式应用。nRF24L01无线射频模块的电路图如图2所示。

通过对nRF241L0寄存器配置，可将模块设置为接收、发射、掉电和空闲四种工作模式，如表1所示。

2.3 温湿度采集模块

温湿度传感器（AM2301）[3]采用单总线的连接方式直接与MCU相连接，完成家居温度与湿度的采集。温湿度采集电路如图3所示，AM2301的Data端口与单片机建立同步通信，以单总线的数据格式输出40位数据，16位湿度数据、16位温度数据，8位校验和。

3 系统软件设计

系统上电，所有硬件初始化启动完成后，下位机STM32处理器发送温湿度数据采集起始信号，等待AM2301响应，STM32读取40位数据后并校验，正确的数据通过无线网络传送到上位机[4]。系统通过无线网络完成家居温湿度数据的读取。系统发送端流程如图4所示，系统接收端程序流程图如图5所示。

4 实验应用

该系统用于家居室内测试，采集三个节点的温湿度数据，发送给上位机并显示节点数据。在进行测试时，系统初始化后，完成数据采集设置和通信配置后，上位机接收下位机发回的数据；并将结果进行显示，室内采样点温湿度数据如表2所示。通过实际应用测试，该测试系统测试结果准确、稳定可靠。

5 结论

本文家居无线温湿度监控，与传统的控制方式比较，不受空间的限制，布置多个无线节点可方便组网，满足现代家居温湿度控制的需求。该系统在家居环境控制应用中，检测准确、运行良好，功耗低，模块性能稳定，人机界面好，具有广阔的应用前期。

参考文献：

[1]意法半导体.STM32F103数据手册[R].北京：意法半导体，2007.

[2]nRF24L01+ Single Chip 2.4GHz Transceiver Product Specification v1.0[R].Nordic Semiconductor，2008.

[3]张玉建.基于nRF24L01的无线温湿度检测系统设计[J]. 物联网技术，2012（1）：21-22.

[4]意法半导体.STM32F10xxx_中文_编程说明[R].北京：意法半导体，2007.