基于NRF24L01和LabVIEW的无线预警与自动喷淋系统设计与实现

周中鑫，张印强，李丽娟，郭培志

(1.南京工业大学电气工程与控制科学学院,江苏南京 211800；2.中电环保股份有限公司,江苏南京 221116)

0 引言

伴随着工业生产活动的日益频繁，传统上的生产监测由于有线数据模式采集数据与视屏监控，其安装布线繁杂多乱易存在电路老化的隐患，对于有较远距离的监控，数据易受干扰波动，传输效果不佳及可扩展性低。因此针对广泛应用于数控机床、机房管理、煤铁矿生产等诸多领域下的温度监测与控制生产活动中，需要具备实时环境温度监测预警功能[1-3]。

本文设计了一种基于NRF24L01和LabVIEW的无线温度预警监测系统。搭建的系统由下位机与上位机人机界面2部分组成：先使下位机主机板STM32F103控制芯片将采集的温度信息发送给NRF24L01无线发送模块，然后无线传送到下位机从机板无线接收模块，无线接收系统结合串行通信接口，把数据送往上位机PC端实现数据的显示及报警并在上位机界面上实现无线视屏监控，通过无线路由器构建的局域网环境下进行通讯，解决了传统有线视频的监控的束缚，实现了无线实时监测数据和预警的控制功能。

1 系统方案架构设计

该系统主要包括2部分：下位机与上位机人机界面设计。系统的整体架构如图1所示，下位机可分为主机板和从机板。下位机主机板经单片机从Pt100采集温度及火焰传感器的信号，以固定的格式通过NRF24L01无线发送模块发送数据给下位机上的从机板，再通过串口发送到上位机。其上位机界面平台同样用串口的方式对下位机主机板上的电磁阀及蜂鸣器动作进行控制，并且在局域网环境下进行实时视频监控。由上述系统来实现对多路温度、火焰传感器、电磁阀、蜂鸣器的实时监测控制和防火预警的功能。

图1 系统总体框图

2 硬件设计

系统硬件设计包括下位机主机板和从机板。其中主机板包括电源模块、温度采集模块、NRF24L01无线发送模块、控制芯片最小系统及其他传感器，主机板硬件实物如图2所示。从机板实现对主机板无线模块数据信息的接收发，因此只包括控制芯片最小系统及NRF24L01无线接收模块，从机板硬件实物如图3所示。

图2 主机板

图3 从机板

2.1 控制芯片最小系统

根据系统功能的需求，搭建了以高性能、低成本、低功耗的STM32F103为核心的控制芯片最小系统。该最小系统包括基础的电源(一组用来给内部的ADC、DAC模块供电的模拟电源，4组单片机的数字电源引脚，所有的电源旁路，都需要放置0.1 μF的电容滤波，用来滤除电源的噪声杂波)、复位、时钟、Boot启动模式选择、下载电路(串口/JTAG)的功能外，外加了外围传感器器件( NRF24L01无线传输模块、Pt100温度数据采集模块 、蜂鸣器、火焰传感器及电磁阀)的引脚功能[4]。其控制芯片最小系统如图4所示。

图4 控制芯片最小系统

2.2 电源及喷淋模块

下位机主机板上设计有预警动作灭火的电磁阀，该电磁阀可依据用户需求装载各种选型的喷淋器件，控制电磁阀的硬件原理：通过一个单路2输入正与门器件，在单片机中将其引脚设置为推挽输出进行开关控制，其喷淋原理图如5(a)图所示。因选用电磁阀的供电为直流24 V，采用的低功耗NRF24L01无线模块供电为1.9～3.6 V，且以STM32F103控制电路为核心的单片机最小系统供电为3.3 V，故设计了24 V电压转换电路及3.3 V的电压转换电路，供电电源模块如图5(b)所示。

(a)喷淋原理图

(b)供电电源模块图5 喷淋及供电电源模块原理图

2.3 温度数据采集处理电路

温度采集电路采用铂电阻Pt100。温度范围在-20～600 ℃，精确到0.1 ℃，Pt后的100即表示0 ℃时阻值为100 Ω，当环境的温度变化时其阻值会成均匀变化的。故根据Pt100的温度特性搭建了惠斯登电桥，利用电阻的变化来测量物理量的变化，将Pt100接入电桥，随着环境温度的变化，Pt100的阻值发生变化导致ΔV发生变化，但由于电桥出来的信号是差分信号且信号较小，将差分电压ΔV通过AD623差分运放芯片放大后进入控制芯片的A/D采样，再对照Pt100的电阻-温度对应表就可以得知当前环境的温度。为了减小测量时的导线电阻误差，方便以测量铂电阻温度传感器两端电压的方式来代替直接测量电阻值，采用了三线制接法[5]。由它构成的温度数据采集电路原理图如图6所示。

图6 温度数据采集电路原理图

2.4 无线传输模块

下位机无线接收发模块采用的NRF24L01是单片无线收发芯片，工作于2.4～2.5 GHz区间ISM频段[6]。通过SPI接口进行编程通讯及利用Enhanced Shock Burst协议来完成点对点或是1对6的无线通讯。无线通信速度最高可达到2 Mbit/s且功耗低，在以-6 dBm的功率发射时的供电电流为9 mA；接收的工作电流只有12.3 mA。

NRF24L01的工作模式由CE和CONFIG寄存器(0X00)的PWR_UP(第1位)和PRIM_RX(第0位)位共同控制，通过调配寄存器可分为4种工作模式,如表1所示。

表1 NRF24L01的4种工作模式

无线模块进行数据收发与单片机和上位机同步的过程可以分为3个部分实现。主机发送数据到从机时，调配CONFIG寄存器，配置NRF24L01为发送模式。CE置低使能，单片机将接收节点地址和有效数据按照SPI协议的时序要求将数据由高位至低位依次发送给NRF24L01的输出口。数据发送完成后，将CE置高使能，片选结束，完成射频数据打包，通过从机端发来的应答信号确定NRF24L01发送数据包至从机成功，再将NRF24L01配置为接收模式，等待从机发送数据并接收。从机接收主机数据时，从机配置NRF24L01为接收模式，当从机检测到准确的数据包时，数据包中的字头、地址和CRC校验位由NRF24L01移除，并存储在RXFIFO中，同时中断标志位RX_DR置高，IRQ变低，产生的中断会告知从机去取数据。从机CE置低使能，通过SPI通信引脚获取有效数据，等所有数据由高位至低位读取完毕后，则NRF24L01进入空闲模式，从机CE置高，完成数据的接收。同时清空中断标志位，等待下一次接收数据判断，并且向主机发送接收数据的应答信号。从机发送数据至上位机时，从机接收主机的数据通过串口发送至上位机，上位机可以通过串口向从机发送命令如蜂鸣器报警，电磁阀打开等，再由从机通过无线传输模块发送至主机完成主机、从机和上位机三者之间的通信。

3 软件设计

3.1 系统监测界面设计

上位机人机界面的设计依托LabVIEW环境开发编程，LabVIEW通过计算机强大的图形环境，采用可视化的图形编程语言和平台，在计算机上软件化和虚拟化地实现一些本需要硬件实现的技术[7]，能够快速地搭建数据采集平台。本文应用LabVIEW设计的无线温度预警监测系统界面如图7所示，前面板有串口参数输入、报警温度设置、有无明火报警警示灯、多路温度变化曲线显示、报警动作等部分。端口设置可选择数据通信的串口号、串口波特率等。为使实际现场有可控的温度设定，采用数字输入框预设温度报警阈值。波形图表显示多路温度数据的动态实时变化过程；当环境温度超过设定的温度阈值时并且火焰传感器检测到有明火，温度指示灯由绿变红、火焰报警警示灯由绿变橙并触发下位机上的蜂鸣器发出报警声。在预警的过程中，界面中设定了手动降温按钮，不仅在超过设定温度阈值时，自动打开喷淋电磁阀，也可在监测的全过程中进行手动降温喷淋，防止突发情况的发生。

图7 LabVIEW系统前面板设计

上位机界面操作控制步骤如图8所示，平台运行后，按操作进行串口配置、打开串口、读取串口、显示实时多路温度数据、报警检测动作等流程。通过LabVIEW中的I/O串口函数面板，采用VISA串口配置、VISA打开、VI-SA读取函数可以便捷地完成串口数据相应操作[8]。在读取下位机传送的数据时，自定义了数据传送协议。此数据协议完成对2路温度和火焰传感器数据的传输，包含7个字节。其帧头与帧尾各2个字节，而后随之2个字节的多路温度数据、1个字节的火焰传感器信号的数据。例如通过串口助手采集的数据为ee ff 1c 1c 01 ff aa，串口采集的数据第3、4字节表示测量的温度为28 ℃，第5个字节表示火焰传感器检测到有明火火焰信号[9]。通过自定义的数据传送协议解决了下位机上行传输多路温度及火焰传感器信号数据、上位机对下位机进行报警动作的控制。

图8 控制界面流程

3.2 视频监控系统设计

设计方案中的一个重要任务是在上位机管理平台上实时显现现场视频图像，采用在LabVIEW工具中添入视频播放IPCamSDK控件。IPCamSDK控件的界面、属性及方法可通过ActiveX控件来获取。它是一个可嵌入的组件，存在于ActiveX控件中。在支持ActiveX容器的程序中，都可以在程序中“放置”ActiveX控件。通过ActiveX容器，用户可以在LabVIEW的界面板上嵌入各种ActiveX组件，并采用其方法及属性。

而在嵌入ActiveX组件之前，需要将网络摄像头、无线路由器及PC机设置处于同一局域网段内，而后将网络摄像头的视频播放控件IPCamSDK安装到计算机上，以便创建控件对话框向导时，选项里才会出现控制元件AxRemote Control。打开LabVIEW程序的前面板，在创建控件对话框里选中并增添AxRemote Control控制组件。完成综上所述操作后，才能在界面上嵌入网络摄像机所拍摄的实时视频画面。视频监控的流程图如图9所示。

图9 视屏监控流程图

4 实验

实验测试选取人工加热模拟当前环境温度变化来检验系统的可行性，客户端显示结果如图10所示．在无线视频监控界面上，可以点击按钮控制摄像头360°的自由旋转，可以看到实时的视频现场画面，视频信号稳定，人眼基本无法区分延时时间。其中，串口配置波特率为9 600 bit/s、数据位为8位，选择相应的COM通信端口。按打开串口按钮后，控制界面系统开始运行，温度报警的上限在此测试设置为30 ℃。波形图表显示多路温度数据的动态变化。对铂电阻Pt100加热，波形图数据实时值增大，当温度超过设定的阈值时，相应的温度指示灯由绿变红，电磁阀自动打开进行灭火措施，并且下位机主机板和从机板上的蜂鸣器发出“嘟”“嘟”的报警声音。此时按关闭蜂鸣器按钮，报警声消失，可去处理现场问题，当温度下降到正常值范围内时，红色温度指示灯变绿，报警信号消失，可自选喷淋装载的电磁阀自动关闭。若火焰传感器检测到明火时，同样蜂鸣器做出预警警示。在整个监测开始的全过程中，喷淋电磁阀可全程手动降温。按下红色停止按钮，控制界面系统停止运行。综上所述，系统实现了无线温度的实时监测和防火预警的控制功能。

图10 客户端控制界面

5 结论

本文设计并且实现了基于NRF24L01和LabVIEW的温度无线监测预警系统，搭建了稳定的硬件平台，且上位机人机界面采用智能化监测控制系统的管理平台，将会准确地采集到温度及实时显示监控画面，同时能够及时预警并采取相应的防火措施。实验检测表明，该系统节约了成本开发，工作运行稳定，且易于在该系统的基础上做出扩展式的应用，具有一定的工程应用价值和经济价值。