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摘要：为解决库区温度测量布线难度大、材料成本高、维护检修难的问题，论文提出了一种用单片机作为控制核心，用DS18820搭建多点测温网络，nRF2401作为传输器件的库区温度数据无线传输系统。经实际测试，该系统测量准确度高、传输距离远、性能可靠，具有较好的应用前景。本文网络版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/280695 _htm
关键词：单片机；nRF2401；DS18820；测温网络；无线传输
DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2015.9.018
引言 库区温度直接关系到库存物资的安全与性能，目前库区温度数据的传输大多采用有线方式，存在布线难度大、材料成本高、维护检修不便等不足，并且数据线缆还易受雨雪、潮湿、鼠害等破坏。为克服此类弊端，本文采用nRF2401无线传输模块，结合l-Wire器件DS18820，设计开发一款库区温度数据无线传输系统。
1 总体方案
系统分为上位机与下位机两大部分，二者之间的通信通过nRF2401实现，如图l所示。上位机主要包括PC机和上位单片机，奠功能是负责接收下位机传送的温度数据和应用程序的运行，这一部分技术较为成熟，可借鉴的资料较多，不作为本文的重点：下位机采用51系列单片机AT89S51作为控制器，主要负责温度数据的采集、处理和传输，图l仅画出两组温度传感器和继电器，实际连接10组。本文将着重介绍其硬件电路和软件设计。
2 电路设计
下位机电路设计的重点是测温网络和无线传输模块的搭建，为实现多点测温，选用Dallas公司出品的DS18820，构建一个l-Wire总线的测温网络。DS18820是l-Wire总线的数字温度传感器，可直接将被测温度转化成串行数字信号供单片机处理，适用于恶劣环境的现场温度测量：无线传输模块选用新型单片射频收发器件nRF2401，该器件工作于2.4 GHz～2.5GHzISM频段，输出功率和通信频道可通过编程进行配置，同时，nRF2401功耗低，在以-6dBm的功率发射时，工作电流仅9mA，接收信号时，工作电流也仅12.3 mA，特别适合单片机应用场合。
图2是市售nRF2401无线模块，设计上位机、下位机电路时，只需留出相应接口即可。
图3是设计的电路原理图，单片机P12口连接10个测温器件（图中仅画出3个），从而构建一个小型l-Wire总线测温网络，可实现10个库区的温度测量：单片机其他口线连接有10个继电器（图中画出2个），用来控制10个库区散热风扇的运转：无线模块nRF2401通过接口端子与单片机连接，此处注意nRF2401工作电压是3.3V，需增加电压转换芯片，为节省篇幅图中并未画出。
上位机接收部分的电路主要由上位单片机、无线模块接口和电平转换部分组成，这是由于nRF2401输出数据格式是TTL电平，而PC机串口是MAX232电平，为此需要增加一个电平转换电路进行匹配。
3 软件编程
下位机编程重点在于温度数据的采集与传送，也就是DS18820和nRF2401的软件设计。
3.1 1-wire总线的基本原理和操作
软件设计之前，首先要了解l-wire总线的原理。l-wire总线的特点是用一条数据线同时传输时钟信号和数据，总线上每一个器件都有一个唯一的地址，包括48位的序列号、8位的家族码和8位的CRC码，主机对各器件的寻址依据这64位的ID码来进行。
为保证在一条数据线上实现双向通信，对DS18820的操作必须遵循严格的读写时序。以下介绍基于l-wire总线的几种典型操作，其余的l-wire总线命令都是由这些典型操作而来。
3.1.1 复位子函数
在复位与应答时序中，主机发出复位信号，要求l-wire器件在规定的时间内送回应答信号。
首先主机将总线拉低480 μs，发出复位脉冲，然后产生一个上升沿的跳变，并延时60 μs等待l-wire器件的应答；l-wire器件将总线拉低240μs，发出应答，主机收到应答后，再对DS18820进行ROM命令。
3.1.2 读写操作
所有的读写时序至少需要60μs，在位读和位写时序中，主机要在规定的时间内读回或写出数据。
写时序时，主机在拉低总线15μs之内释放总线，并向l-wire器件写l；读时序时，主机发出读数据命令，产生读时序，l-wire器件随即向主机传输数据。
3.2 DS18820的温度转换
DS18820网络温度测量的步骤一般是：器件初始化、复位、ROM操作、温度转换。初始化及复位完成后，要对网络中的器件进行ROM识别，然后再读取温度数据。
3.2.1 利用二叉树遍历算法进行器件识别
二叉树遍历算法是搜索识别网络中l-Wire器件的编程首选，二叉树遍历算法的要点可归纳为“读2位，写l位”。
首先主机向从机发出搜索命令，等待从机向主机发回当前位之后，再读从机发回当前位的反码，这两个位数据的编码存在4种可能：00、0l、10和11。
00表示从机在当前位上有位分叉，即0和l两个分支；
Ol表示从机的当前位均为O：
10表示从机的当前位均为l：
11表示总线上无器件响应。
显然，出现11时搜索应退出。
对于前3种情况，根据搜索策略，主机向从机写l位数据，决定继续搜索哪一分支。第2和第3种情况下，搜索仅有一个方向，如果是第1种情况即出现00时，需要选择下一步搜索路径，方法是比较搜索位所在位置和最后一次发生位差异的所在位置，若二者相等，搜索1分支，若前者>后者，搜索O分支，若前者<后者，则采用上一次的搜索路径。 在此需要注意两点：一是网络上DS18820发回的位数据呈“线与”关系：二是DS18820中64位ID码标记为第1-64位，而不是0-63位，空出来的O用来表示差异位位置记录的初始状态。
3.2.2 温度数据的读取
转换完成后的温度数据由低8位和高8位组成，且低8位在前，需将其转换为1个16位的数、高5位代表符号，低11位是温度值。11位的温度值中高7位是温度整数，低4位是温度小数，如果是负温度，则从温度寄存器读出的是补码，应将补码取反加l得到原码。
需要注意，单片机发出读取温度寄存器命令后，DS18820会返回9组数据，其中第一组数据的低4位代表温度的小数值，因此温度小数部分的精度为1/16=0.0625。另外程序中应增加延时函数，确保温度转换完成。
3.3 nRF2401程序设计要点
温度转换完成后，由nRF2401将数据发送给上位机，并接收上位机发出的指令，实现双向通信。
3.3.1 初始化配置与数据收发
nRF2401初始化配置包括设置待机模式、CRC校验、收发完成后中断响应、选择射频通道、设置数据传输率和发射功率。
nRF2401的CE管脚为O时处于待机模式，为l时处于收发模式，收发模式有ShockBurst模式和直接模式两种，本文选择速度较快、功耗较低的ShockBurst模式。
发送过程为：设置Config寄存器使器件处于发送模式，当测温节点有数据需要发送时，温度和地址数据送到nRF2401中，单片机将CE管脚置高，激活ShockBurst发送模式，完成数据打包并高速发送，然后等待中断。
接收过程为：设置Config寄存器使器件处于接收模式，单片机将CE管脚置高，激活ShockBurst接收模式，延时130 μs后检测空中信息，若接收到有效的数据包，则发送确认信号，产生中断，同时读出有效数据并发送给单片机，单片机通过串口将数据发给PC机。
3.3.2 收发模式的自动识别设计
为简化编程，增强代码通用性，本文为上位单片机和下位单片机设计了完全相同的同一套程序代码，系统自动识别并设置工作模式，无需人为区分单片机是接收还是发送。实现接收和发送模式自动切换的代码如下：
void Switch_RT（uchar SW， uchar mode）
{ //收发模式切换子函数
CE=O，
//待机
if（SW）
//为l
SPI_WR_Reg（CONFIG， SPI_RD（CONFIG）& Oxfe）；
//发射模式
else
//为O
SPI_WR_Reg（CONFIG， SPI_RD（CONFIG）| Ox01）；//接收模式if（mode）
CE=1；
//拉高CE启动收发
）
程序默认无线模块处于接收模式，下位单片机测得温度数据后，将Config寄存器的PRIM_RX位置O，控制nRF2401工作于发送模式，将数据打包发出，随即将PRIM RX位置l，处于接收模式：上位机端nRF2401接收到数据包后，即由上位单片机将其读出并通过串口传给上位PC机。
PC机向下位机发送指令时，首先将指令发给上位单片机，上位单片机一旦接到指令，即将PRIM RX位置O，控制nRF2401工作于发送模式，发出数据包：下位单片机通过nRF2401接收后将数据包读出执行。
4 系统运行情况
PC机应用程序采用Vis ualStudl02010 VB.net编写，上位单片机与PC机应用程序之间的通信通过串口控件实现，二者之间的参数设置需一致。
程序运行界面如图4所示，各库区温度正常时，温度值字体颜色正常，某库区温度超过正常值时，相应温度值字体以红色显示并闪烁，下位单片机自动接通对应库区继电器，启动散热风扇进行降温：当温度下降至正常值后，单片机控制继电器关断散热风扇，同时温度值字体颜色恢复正常。温度值右侧标签显示的数据是设定的正常温度范围。
“库区选择”组合框中有10个复选框，对应10个库区；按下“启动风扇”按钮可对所选库区进行强制通风：按下“关闭风扇”按钮可强制关闭散热风扇；“温度范围设定”按钮可对所选库区报警温度阈值进行设置：按下“保存数据”按钮可将库区编号、温度值、时间信息等保存至指定位置，便于查看分析。
5 结论
利用本文设计的无线传输系统，可以采集10个重要库所的温度数据，经过单片机的处理，将数据通过nRF2401传输给PC机显示。经实测证明，此无线传输方案能准确采集并传送温度数据，传送距离可达60米，空旷地带接近100米，既避免了繁琐的布线，又可有效防止恶劣天候的影响，采用元件少、简单易行、成本低廉、性能可靠、便于检修，是一种新颖实用的库区温度监控系统。
关键词：单片机；nRF2401；DS18820；测温网络；无线传输
DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2015.9.018
引言 库区温度直接关系到库存物资的安全与性能，目前库区温度数据的传输大多采用有线方式，存在布线难度大、材料成本高、维护检修不便等不足，并且数据线缆还易受雨雪、潮湿、鼠害等破坏。为克服此类弊端，本文采用nRF2401无线传输模块，结合l-Wire器件DS18820，设计开发一款库区温度数据无线传输系统。
1 总体方案
系统分为上位机与下位机两大部分，二者之间的通信通过nRF2401实现，如图l所示。上位机主要包括PC机和上位单片机，奠功能是负责接收下位机传送的温度数据和应用程序的运行，这一部分技术较为成熟，可借鉴的资料较多，不作为本文的重点：下位机采用51系列单片机AT89S51作为控制器，主要负责温度数据的采集、处理和传输，图l仅画出两组温度传感器和继电器，实际连接10组。本文将着重介绍其硬件电路和软件设计。
2 电路设计
下位机电路设计的重点是测温网络和无线传输模块的搭建，为实现多点测温，选用Dallas公司出品的DS18820，构建一个l-Wire总线的测温网络。DS18820是l-Wire总线的数字温度传感器，可直接将被测温度转化成串行数字信号供单片机处理，适用于恶劣环境的现场温度测量：无线传输模块选用新型单片射频收发器件nRF2401，该器件工作于2.4 GHz～2.5GHzISM频段，输出功率和通信频道可通过编程进行配置，同时，nRF2401功耗低，在以-6dBm的功率发射时，工作电流仅9mA，接收信号时，工作电流也仅12.3 mA，特别适合单片机应用场合。
图2是市售nRF2401无线模块，设计上位机、下位机电路时，只需留出相应接口即可。
图3是设计的电路原理图，单片机P12口连接10个测温器件（图中仅画出3个），从而构建一个小型l-Wire总线测温网络，可实现10个库区的温度测量：单片机其他口线连接有10个继电器（图中画出2个），用来控制10个库区散热风扇的运转：无线模块nRF2401通过接口端子与单片机连接，此处注意nRF2401工作电压是3.3V，需增加电压转换芯片，为节省篇幅图中并未画出。
上位机接收部分的电路主要由上位单片机、无线模块接口和电平转换部分组成，这是由于nRF2401输出数据格式是TTL电平，而PC机串口是MAX232电平，为此需要增加一个电平转换电路进行匹配。
3 软件编程
下位机编程重点在于温度数据的采集与传送，也就是DS18820和nRF2401的软件设计。
3.1 1-wire总线的基本原理和操作
软件设计之前，首先要了解l-wire总线的原理。l-wire总线的特点是用一条数据线同时传输时钟信号和数据，总线上每一个器件都有一个唯一的地址，包括48位的序列号、8位的家族码和8位的CRC码，主机对各器件的寻址依据这64位的ID码来进行。
为保证在一条数据线上实现双向通信，对DS18820的操作必须遵循严格的读写时序。以下介绍基于l-wire总线的几种典型操作，其余的l-wire总线命令都是由这些典型操作而来。
3.1.1 复位子函数
在复位与应答时序中，主机发出复位信号，要求l-wire器件在规定的时间内送回应答信号。
首先主机将总线拉低480 μs，发出复位脉冲，然后产生一个上升沿的跳变，并延时60 μs等待l-wire器件的应答；l-wire器件将总线拉低240μs，发出应答，主机收到应答后，再对DS18820进行ROM命令。
3.1.2 读写操作
所有的读写时序至少需要60μs，在位读和位写时序中，主机要在规定的时间内读回或写出数据。
写时序时，主机在拉低总线15μs之内释放总线，并向l-wire器件写l；读时序时，主机发出读数据命令，产生读时序，l-wire器件随即向主机传输数据。
3.2 DS18820的温度转换
DS18820网络温度测量的步骤一般是：器件初始化、复位、ROM操作、温度转换。初始化及复位完成后，要对网络中的器件进行ROM识别，然后再读取温度数据。
3.2.1 利用二叉树遍历算法进行器件识别
二叉树遍历算法是搜索识别网络中l-Wire器件的编程首选，二叉树遍历算法的要点可归纳为“读2位，写l位”。
首先主机向从机发出搜索命令，等待从机向主机发回当前位之后，再读从机发回当前位的反码，这两个位数据的编码存在4种可能：00、0l、10和11。
00表示从机在当前位上有位分叉，即0和l两个分支；
Ol表示从机的当前位均为O：
10表示从机的当前位均为l：
11表示总线上无器件响应。
显然，出现11时搜索应退出。
对于前3种情况，根据搜索策略，主机向从机写l位数据，决定继续搜索哪一分支。第2和第3种情况下，搜索仅有一个方向，如果是第1种情况即出现00时，需要选择下一步搜索路径，方法是比较搜索位所在位置和最后一次发生位差异的所在位置，若二者相等，搜索1分支，若前者>后者，搜索O分支，若前者<后者，则采用上一次的搜索路径。 在此需要注意两点：一是网络上DS18820发回的位数据呈“线与”关系：二是DS18820中64位ID码标记为第1-64位，而不是0-63位，空出来的O用来表示差异位位置记录的初始状态。
3.2.2 温度数据的读取
转换完成后的温度数据由低8位和高8位组成，且低8位在前，需将其转换为1个16位的数、高5位代表符号，低11位是温度值。11位的温度值中高7位是温度整数，低4位是温度小数，如果是负温度，则从温度寄存器读出的是补码，应将补码取反加l得到原码。
需要注意，单片机发出读取温度寄存器命令后，DS18820会返回9组数据，其中第一组数据的低4位代表温度的小数值，因此温度小数部分的精度为1/16=0.0625。另外程序中应增加延时函数，确保温度转换完成。
3.3 nRF2401程序设计要点
温度转换完成后，由nRF2401将数据发送给上位机，并接收上位机发出的指令，实现双向通信。
3.3.1 初始化配置与数据收发
nRF2401初始化配置包括设置待机模式、CRC校验、收发完成后中断响应、选择射频通道、设置数据传输率和发射功率。
nRF2401的CE管脚为O时处于待机模式，为l时处于收发模式，收发模式有ShockBurst模式和直接模式两种，本文选择速度较快、功耗较低的ShockBurst模式。
发送过程为：设置Config寄存器使器件处于发送模式，当测温节点有数据需要发送时，温度和地址数据送到nRF2401中，单片机将CE管脚置高，激活ShockBurst发送模式，完成数据打包并高速发送，然后等待中断。
接收过程为：设置Config寄存器使器件处于接收模式，单片机将CE管脚置高，激活ShockBurst接收模式，延时130 μs后检测空中信息，若接收到有效的数据包，则发送确认信号，产生中断，同时读出有效数据并发送给单片机，单片机通过串口将数据发给PC机。
3.3.2 收发模式的自动识别设计
为简化编程，增强代码通用性，本文为上位单片机和下位单片机设计了完全相同的同一套程序代码，系统自动识别并设置工作模式，无需人为区分单片机是接收还是发送。实现接收和发送模式自动切换的代码如下：
void Switch_RT（uchar SW， uchar mode）
{ //收发模式切换子函数
CE=O，
//待机
if（SW）
//为l
SPI_WR_Reg（CONFIG， SPI_RD（CONFIG）& Oxfe）；
//发射模式
else
//为O
SPI_WR_Reg（CONFIG， SPI_RD（CONFIG）| Ox01）；//接收模式if（mode）
CE=1；
//拉高CE启动收发
）
程序默认无线模块处于接收模式，下位单片机测得温度数据后，将Config寄存器的PRIM_RX位置O，控制nRF2401工作于发送模式，将数据打包发出，随即将PRIM RX位置l，处于接收模式：上位机端nRF2401接收到数据包后，即由上位单片机将其读出并通过串口传给上位PC机。
PC机向下位机发送指令时，首先将指令发给上位单片机，上位单片机一旦接到指令，即将PRIM RX位置O，控制nRF2401工作于发送模式，发出数据包：下位单片机通过nRF2401接收后将数据包读出执行。
4 系统运行情况
PC机应用程序采用Vis ualStudl02010 VB.net编写，上位单片机与PC机应用程序之间的通信通过串口控件实现，二者之间的参数设置需一致。
程序运行界面如图4所示，各库区温度正常时，温度值字体颜色正常，某库区温度超过正常值时，相应温度值字体以红色显示并闪烁，下位单片机自动接通对应库区继电器，启动散热风扇进行降温：当温度下降至正常值后，单片机控制继电器关断散热风扇，同时温度值字体颜色恢复正常。温度值右侧标签显示的数据是设定的正常温度范围。
“库区选择”组合框中有10个复选框，对应10个库区；按下“启动风扇”按钮可对所选库区进行强制通风：按下“关闭风扇”按钮可强制关闭散热风扇；“温度范围设定”按钮可对所选库区报警温度阈值进行设置：按下“保存数据”按钮可将库区编号、温度值、时间信息等保存至指定位置，便于查看分析。
5 结论
利用本文设计的无线传输系统，可以采集10个重要库所的温度数据，经过单片机的处理，将数据通过nRF2401传输给PC机显示。经实测证明，此无线传输方案能准确采集并传送温度数据，传送距离可达60米，空旷地带接近100米，既避免了繁琐的布线，又可有效防止恶劣天候的影响，采用元件少、简单易行、成本低廉、性能可靠、便于检修，是一种新颖实用的库区温度监控系统。