nRF 芯片在校园智能灌溉系统中的应用

2020-07-31冉菲帆曹涌郭建巍

经济技术协作信息 2020年21期

◎冉菲帆曹涌郭建巍

科技和创新是促使一个国家向前迈进的重要因素。工业和农业一直是国家发展的重要产业，而提到农业，首先要考虑的就是植被的灌溉问题，目前常见的灌溉方式主要是人工灌溉和喷洒式灌溉，然而，在现代化的今天，传统的灌溉方式存在的弊端日益明显，因此，只有将科学技术与农业结合起来，才能进行更加高效的灌溉。在整个校园智能灌溉系统中，最为重要且关键的模块，就是实现主机和从机的无线通信，在经过实际测试之后，我们发现nRF24L01 芯片无疑是最适合的。

一、nRF24L01 芯片的基础特性及引脚接口

nRF24L01 的输入地址、输出功率和通信频道都可以通过程序来进行设置，提供了可控性和多样性，并且适合多个设备之间进行通信。它的温度范围和工作湿度跨度非常大，这使它可以很轻松的保证在各种恶劣天气环境下运行，它最高工作速率能达到2Mbps，且具有超强的抗干扰能力，不用担心在工作时被其他信号所干扰。它的内部设有专门的稳压电路，再加上具有自动应答机制和CRC 校验功能，使其不会因为电源和信号的波动而影响通信效果，保证了数据通信高效稳定的进行。

八引脚接口的设计使它功能十分的全面，其中除了GND 和VCC 外，共有四个接口负责数字输入，两个接口负责数字输出，此芯片对于单片机的要求比较低，即使是没有集成SPI 功能的单片机也可以很容易的控制本模块，用普通的单片I0 口模拟SPI 时序进行读写操作就可以。负责数字输入的管脚 CE、CSN、SCK、MOSI 分别代表的是收发模式切换控制端口、SPI 片选使能端，且对低电平有效、SPI 时钟、SPI 从设备数据输入；负责输出的管脚MISO、IRQ分别代表SPI 从设备数据输出以及工作状态指示。

二、nRF24L01 的工作模式及配置字

（一）工作模式

nRF24L01主要有四种工作状态，分别为发送状态、接收状态、空闲状态和掉电状态。

CE、PRIM_RX register、PWR_UP register 这三种组合来决定当前所处的工作状态。其中收发模式是四种模式中的核心模式，在增强ShockBurstTM 收发模式下，要使用到先入先出算法，使用此堆栈区，可以把数据从微控制器中以一个较低的速度送出，之后用较高的速度发射，这样做的好处，一是系统费用低，因为不管是高速射频还是低速射频都可以使用低速的微处理器，这样就大大节省了费用；二是抗干扰性强，由于发射出去的数据的速度是较高的，这也就代表数据在空中停留较短的时间，越短的时间，数据被干扰的可能性就越小，同时在很大程度上减少了整个灌溉系统的平均电流。

1.发送模式。

首先，为了可以使它的工作模式为发射模式，要对CONFIG 寄存器进行相应的配置，然后把数据和接收节点的地址依次按时序写入缓冲区，通过MCU 把CE 置1并保持至少10us，在发射的过程中首先需要给射频前端提供电量，然后对需要发送的数据（射频数据）进行打包，也就是前面提到的添加字头和CRC 校验码，最后利用其高速发射的特点把打包好的数据以较快的速度发射出去。

2.接收模式。

总体来说，接收数据的流程与发送数据的流程是类似的，先对CONFIG 寄存器和地址及数据进行相应的配置，将地址和数据写入缓冲区，之后把CE 置为1 并保持大约130us，之后将会进入监视状态以等待数据包的到来，一旦接受到数据包，通过对字头、地址、CRC 的检测来判断接受到的数据包是否正确，在正确的情况下nRF24L01 会自动把它们移除，接下来nRF24L01 会将状态寄存器置位来通知MCU，此时的微控制器就会产生中断，把输入的数据从芯片内读出，最后当所有的数据都已经读出来以后，它可以清除掉STATUS 寄存器，并使得nRF24L01 进入之前介绍过的四种工作模式之一，以此循环。

3.待机模式和关机模式。

待机模式最大的特点就是通过减小平均工作电流来降低功耗，这种状态下为22uA，这在一定程度上极大地减少了能源的损耗，并且能够缩短芯片的启动时间，在这种模式下晶体振荡器依然是工作的。需要注意的是，在待机状态下，它会对所有的配置字进行保留，不会丢失。关机状态下的电流损耗是最小的，此时它虽然不工作，但是所有配置寄存器的值也是保留的。

（二）配置字

nRF24L01 是先通过同步串行外设接口（SPI）来访问配置寄存器，然后通过配置寄存器来进行配置字的定义的，这些配置寄存器可通过SPI 口访问，一共有8 个与其有关的控制指令，nRF 芯片的MOS（IMaster Input Slave Output）输入来进行使用，然后把数据输出给微控制单元。它是采用先传送低比特位，再传送高比特位的方式来进行数据的传输，传输速率最大能达到10 Mb/s，但是对于单个字节而言是不同的，它对单个字节的传输要先送高比特位。

nRF24L0 共有25 个配置寄存器，其中较为常用的如下表所示：

其主要的配置参数分别有：数据宽度、地址宽度、接收通道、CRC 校验、工作频率、发射频率和通信频率等。数据宽度：也就是数据包中的数据所占用的位数，它的存在可以让芯片很清晰的分出来数据包中的数据和CRC 校验码，使得数据的传输更具有目的性；地址宽度：我们都知道，在传输的数据包中，一定会带有源地址，而地址宽度的存在就可以让芯片很轻松的把地址和数据发开来；接收通道：顾名思义，接受通道也就是接受地址，即数据即将到达的地址，通常情况下，有通道0 到通道5 的地址；CRC 校验：这个参数的存在目的就是为了使芯片学会如何生成和接触CRC 校验码，使用此技术时，一定要保证配置字，也就是 CONFIG 中的 EN_CRC 中的 CRC 校验被使能，并且还有比较重要的一点就是，发送和接收使用的协议必须一致；工作效率：常规的工作频率间隔为1M 赫兹，所以建议设置在2.4 到2.5G 赫兹这个范围内；发射功率：发射功率也就是数据以高速发出时的速率，它的大小对于通信的距离以及整套系统的耗能起到了决定性的作用；通信速率：主机与从机之间进行通信的功率，基本上有两种情况可以选择设置，分别为1Mbps 和2Mbps。当把这一系列的参数都按照工作情况设置完成后，nRF24L01+就可以进入收发模式，从而进行整个系统的流程畅通。

三、nRF 芯片在校园智能节水灌溉系统中的实际应用

（一）在系统中的功能实现过程

在校园自动灌溉系统中，nRF24L01 芯片的主要作用是实现主机和从机之间的无线通信。前面我们已经从芯片特性、芯片内部结构、芯片工作模式及配置方法等多个方面介绍了nRF24L01，从功能特性上，它具备高效的GFSK 调制，抗干扰能力强，且满足多点通信和跳频通信的需要。从使用者的角度，它简单易操作性也是给用户提供了便利的服务，可以通过软件设置地址，在收到本机地址时会输出数据（提供中断指示），而且，可以直接接各种单片机使用，软件编程十分方便。