短距离无线数据采集网——以温度为例

㊀第３９卷第１期㊀㊀㊀㊀㊀佳木斯大学学报(自然科学版)㊀㊀Ｖｏｌ.３９Ｎｏ.１㊀２０２１㊀年０１月㊀㊀㊀ＪｏｕｒｎａｌｏｆＪｉａｍｕｓｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ(ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ)㊀Ｊａｎ.㊀２０２１
文章编号:１００８－１４０２(２０２１)０１－０１１６－０５
短距离无线数据采集网 以温度为例①
刘㊀月ꎬ㊀谭楠玲ꎬ㊀胡菁芸ꎬ㊀鲍震杰ꎬ㊀靳亚东
(西藏民族大学信息工程学院ꎬ陕西咸阳７１２０８２)
摘㊀要:㊀系统设计通过使用４块ＳＴＣ８９Ｃ５２ＲＣ的集成芯片ꎬ然后通过ＮＲＦ２４Ｌ０１的射频识别的通信模块ꎬ搭建短距离无线数据采集网络ꎬ完成了ＰＣＢ的节点线路设计和焊接ꎬ成功实现了一对三的温度数据的采集和显示ꎮ通过调试代码程序和测试通信板的接收以及发送功能ꎬ将三个子节点中采集的实时环境温度数据传输到主节点上液晶屏幕显示ꎮ用手指接触不同的子节点ꎬ让不同的子节点所测试的环境温度发生变化ꎬ主节点的液晶屏幕相应子节点的数值也会发生相应的变化ꎮ经过不断的性能改善和调试ꎬ能够证明:本设计的短距离无线数据采集系统ꎬ采集数据准确ꎬ整体系统运行稳定ꎬ消耗低ꎬ能够有效简洁的实现短距离无线数据的准确采集ꎮ
关键词:㊀ＮＲＦ２４Ｌ０１ꎻ短距离数据采集ꎻＤＳ１８Ｂ２０ꎻ无线通信
中图分类号:㊀ＴＮ９２㊀㊀㊀㊀文献标识码:㊀Ａ
０㊀引㊀言
随着科技的发展ꎬ近年来嵌入式系统与数字传感器相结合的短距离无线数据采集网络得到了发展ꎬ这种新型网络可以实现网络的自组织ꎬ还可以自主完成数字形式的数据采集功能ꎮ短距离无线数据采集网络的特点有网络的动态性㊁自发性㊁以数据为中心㊁网络大规模㊁网络可靠ꎬ短距离无线数据采集网络较之以往的数据采集传输技术更加简洁ꎮ本文主要实现短距离无线数据采集的功能ꎬ基于短距离无线的点对点的组网ꎬ确保了节点之间的双向数据传输的有效性㊁可靠性㊁实时性ꎮ
１㊀通信模块介绍
１.１㊀ＮＲＦ２４Ｌ０１射频通信模块
ＮＲＦ２４Ｌ０１是一款美国Ｎｏｒｄｉｃ公司研发的可进行无线短距离收发数据的射频信通芯片ꎬ它的工作频段在２.４－２.５ＧＨꎬ工作特点是功耗低㊁传输速度快㊁以及即时性高ꎮ其中它的无线接收器还包括了频率发生器ꎬ增强型 ＳｃｈｏｃｋＢｕｒｓｔ 模式控制器[１]ꎮ功率放大器ꎬ晶体振荡器ꎬ调制器和解调器[２]ꎮＮＲＦ２４Ｌ０１可以利用最少的外部元件获得低功耗㊁高性能的通信模块ꎮ
１.１.１㊀ＮＲＦ２４Ｌ０１芯片的外部说明:
ＮＲＦ２４Ｌ０１无线收发芯片采用的是４.０∗４.０ｍｍＱＬＰ２０的形式封装ꎮ其主要优点是体积小ꎬ集成度高[３]ꎮ
１.１.２㊀ＮＲＦ２４Ｌ０１的内部结构
ＮＲＦ２４Ｌ０１具有电源引脚㊁接地引脚和６个普通Ｉ/Ｏ信号引脚ꎬ在编程实现无线短距离通信时ꎬ需要用到类似串口[４]的设置方式去设置这６个Ｉ/Ｏ口ꎮＮＲＦ２４Ｌ０１的地址可以自由的选择或者打开一个或是多个接收通道ꎬ也可以根据需求自行配置ꎮ１.１.３㊀ＮＲＦ２４Ｌ０１收发原理
在开始发送数据时ꎬ首先需要将ＮＲＦ２４Ｌ０１的无线通信模块设置为发送模式[５]ꎬ在发送数据时ꎬ则向缓冲区写入接收方的地址和信息和有效数据ꎬ地址要和发送方一致并且只需要输入一次就行ꎬ而数据的传输则需要ＣＳＮ变为低电平才能有效写入ꎮ所以在此过程中大约有１３０微秒的时延ꎮ在接收地址都相同的情况下ꎬ可以打开ＮＲＦ２４Ｌ０１的自动应答ꎬ开启这个模式后ＮＲＦ２４Ｌ０１就能实现在发送数据后快速转换为接收模式的目的ꎬ去接收传输的数据ꎬ接收成功则表示通信成功ꎬ如果接收方没有收到响应信号ꎬ发送
①收稿日期:２０２０－１０－２９
基金项目:国家重点研发计划项目(２０１７ＹＦＢ１４０２１００)ꎻ西藏自治区自然科学基金项目(ＸＺ２０１８ＺＲＧ－６４)ꎮ作者简介:刘月(１９９７－)ꎬ女ꎬ重庆合川人ꎬ硕士ꎬ研究方向:物联网㊁网络安全ꎮ
第１期刘㊀月ꎬ等:短距离无线数据采集网 以温度为例
方就会继续发送信息ꎬ但是发送的次数是有限的ꎬ当次数超标则数据将会继续保留ꎬ成为下次发送的数据ꎮ同时会产生中断发送给单片机
ꎮ
图１㊀ＮＲＦ２４Ｌ０１通信模块原理图
１.２㊀ＤＳ１８Ｂ２０的电路连接
ＤＳ１８Ｂ２０温度传感器工作时一般采用单总线
协议[５]ꎬ传输数据时采用一个单独的端口ꎬ在与总线连接时通过漏极或者三态口此时则需要连接上一个上拉电阻ꎮ如下图所示ꎬ上拉电阻的主要作用是在ＤＳ１８Ｂ２０没接通电源时供电ꎬ以及在ＤＳ１８Ｂ２０有连接电源时确保传感器的稳定工作ꎮ有两种外部供电的连接方式ꎬ一是单只的温
度传感器与单片机相连ꎮ
二是多个的温度传感器与单片机相连ꎬ如图下图所示ꎮ值得说明的是在多个温度传感器与单片机相连的情况下ꎮ由于ＤＳ１８Ｂ２０温度传感器在生产时拥有唯一的序列号[６]
ꎮ这个使得当一条总线上同时连接多个传感器时单片机能够通过序列号
实现传感器的区分ꎬ识别在整个系统中总线上每个设备的地址并做下记录ꎬ这个特性可以使得分布在不同地方的温度传感器能够得到相应的处理ꎬ使得数据的处理更加方便ꎮ这个特点还使得ＤＳ１８Ｂ２０温度传感器在环境控制㊁温度测量等方面更加灵活实用ꎮ
在ＤＳ１８Ｂ２０无供电的情况下ꎬ其工作环境是
寄生源模式 [７]ꎬ其中ＶＤＤ引脚接地ꎬ如下图所示ꎮ在此模式下ＤＳ１８Ｂ２０不需要外部的电源供给ꎬ也能完成温度信息的采集
ꎮ
图２㊀ 寄生电源模式 下的ＤＳ１８Ｂ２０温度传感器电路
２㊀系统的模块介绍
２.１㊀电源供电子系统
选取了ＳＴＣ公司所生产的ＳＴＣ８９Ｃ５２ＲＣ微控
制器[８]ꎬ正常工作需要提供５Ｖ的电源电压ꎮ射频通讯模块采用的是ＮＲＦ２４Ｌ０１芯片ꎬ它的工作电压
为３.３Ｖꎬ综上供电模块需提供５Ｖ和３.３Ｖ的ＤＣ
电源[９]ꎬ为了提供更稳定的电源环境以及提高获得外部电源的便利性ꎬ本系统设计了两种供电模
式ꎬ可在不同的条件下选择ꎮ
一种是ＵＳＢ接口连接外部电源提供该系统的电源电压ꎬ另一种就是使用电池供电ꎮ在实验系统和演示功能时采用ＵＳＢ连接外部电源的方式ꎬ这种供电方式提供的电源电压环境更加稳定ꎬ可以确保系统的平稳运行ꎮ在实用和便利的阶段ꎬ则采用电池供电的方式ꎮ
由于ＳＴＣ８９Ｃ５２ＲＣ和ＮＲＦ２４Ｌ０１所需的工作电压不同ꎬ所以需要进行电压的转换ꎮ我们实用调压芯片７８０５将外部接入的９Ｖ电压转换为ＳＴＣ８９Ｃ５２ＲＣ正常工作所需的５Ｖ电压ꎬ在转换过程中我们发现调压芯片７８０５转换的效率不佳ꎬ只能达到百分之六十左右ꎬ故而在转换ＮＲＦ２４Ｌ０１所需的工作电压时ꎬ选择采用ＬＭ１１１７直流电压[１０]转换芯片得到ＮＲＦ２４Ｌ０１所需的３.３Ｖ工作电压ꎮ电路图如下图所示:２.２㊀温度感知采集模块
无线短距离数据采集系统的子节点可以对外界的温度进行感应ꎬ子节点通过分布在不同地区的ＤＳ１８Ｂ２０温度传感器可以对周围的环境温度数据进行采集ꎮＤＳ１８Ｂ２０对于大学生的我们来说不仅价格实惠而且具有极强的抗干扰性ꎬ还拥有极高的
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佳木斯大学学报(自然科学版)２０２１年
精度ꎬ因此我们选择了ＤＳ１８Ｂ２０作为系统中的温
度测量感知模块
ꎮ
图３㊀电源电路原理图
２.３㊀微控制器模块
选择ＳＴＣ８９Ｃ５２ＲＣ作为该系统的微控制
器[１１]ꎬ该款单片机具有极高的灵活性ꎬ能够使得本系统在运行和实现功能的过程中平稳的运行ꎮ２.４㊀无线射频通信模块
本文系统的通信模块采用了ＮＲＦ２４Ｌ０１芯片作为射频通信器的控制芯片ꎮ系统中的通信模块和微控制系统之间的连接通过８针接口ꎬ而与微控制模块的通信实现则通过ＳＰＩ串口的通信协议ꎬ从而调整和掌控通信模块的工作模式ꎮ
在使用ＸＣ１和ＸＣ２引脚时ＮＲＦ２４Ｌ０１的晶振时钟频率范围是１６ＭＨｚꎮ２.５㊀温度数值显示模块
为了便于查看和验证短距离无线数据采集网络的温度数值ꎬ也为了观察温度变化时系统能否成功的实现数据的采集和传输ꎬ主节点中设计了显示模块ꎬ为了节约成本ꎬ显示的子系统模块选用了ＬＣＤ２８６４液晶屏幕显示ꎬ这使得显示子系统的系统设计更加简洁ꎮ
２.６㊀ＰＣＢ电路设计模块
ＰＣＢ[１２]为印刷电路板是整个网络中不可缺少
的重要组成部分ꎬ为了避免像传统的连线方式那样因为线路的连接而导致节点分布复杂ꎬ它用电路连接的形式将各个节点所要用到的各模块进行连接ꎬ以这样的方式通过电路板的设计将节点尽可能的小型化ꎬ使得该系统的线路连接也更加简洁ꎬ简洁的线路和微型化的节点在网络中的设置ꎬ可以提高整体系统在运行时的稳定性ꎮ
３㊀系统软件设计
３.１㊀无线数据采集系统的总体框架
本文系统的目标是在硬件的基础上建立可以实现短距离温度检测功能以及组网功能的无线数据采集网络ꎬ确保系统的稳定运行和数据的稳定传输ꎮ系统流程图如下图所示
:
图４㊀系统流程图
３.２㊀无线通信中的关键函数说明３.２.１㊀ＮＲＦ２４Ｌ０１的发送函数
在子节点完成初始化之后ꎬ通信模块开启发送
模式ꎬ将采集系统检测到的数据进行检测ꎬ然后经过一定的算法处理存储在指定的数组ｔｘ＿ｂｕｆ[]中ꎬ完成这一系列的动作之后再进行下一组的数据传输ꎮ
３.２.２㊀ＮＲＦ２４Ｌ０１的接收函数初始化主节点之后ꎬ将通信模块的模式进行设
置改为[１３]ꎮ以便于系统进入等待状态来监察空中无线数据的信号ꎬ系统接收到的数据在接受一定的判断之后ꎬ经过数码管[１４]进行数据的显示ꎮ３.３㊀系统核心代码
节点一的发送主函数:＃ｉｎｃｌｕｄｅ"ｉｎｃ/ｎＲＦ２４Ｌ０１.ｈ"＃ｉｎｃｌｕｄｅ"ｉｎｃ/ｄｓ１８ｂ２０.ｈ"＃ｉｎｃｌｕｄｅ<ｍａｔｈ.ｈ>//主函数
ｖｏｉｄｍａｉｎ(ｖｏｉｄ)８
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第１期
刘㊀月ꎬ等:短距离无线数据采集网 以温度为例
{
ｕｉｎｔｔｅｍｐꎬＯｌｄＴｅｍｐꎻｕｉｎｔｔｅｍｐＥｐｓ＝０ꎻｉｎｉｔ＿ＮＲＦ２４Ｌ０１()ꎻ
Ｄｅｌａｙ(１００)ꎻ//主循环ｗｈｉｌｅ(１){ｔｅｍｐ＝Ｇｅｔ＿Ｔｅｍｐ()ꎻｔｅｍｐＥｐｓ＝ａｂｓ(ｔｅｍｐ－ＯｌｄＴｅｍｐ)ꎻＯｌｄＴｅｍｐ＝ｔｅｍｐꎻ
ＤｉｓｐｌａｙＴｅｍｐｅｒｔｕｒｅ(ｔｅｍｐ)ꎻｉｆ(ｔｅｍｐＥｐｓ>０){ＴｘＢｕｆ[０]＝ＰｏｉｎｔＴｗｏꎻＴｘＢｕｆ[１]＝ｔｅｍｐ/１００ꎻ
ＴｘＢｕｆ[２]＝ｔｅｍｐ/１０％１０ꎻＴｘＢｕｆ[３]＝ｔｅｍｐ％１０ꎻｎＲＦ２４Ｌ０１＿ＴｘＰａｃｋｅｔ(ＴｘＢｕｆ)ꎻ//ＴｒａｎｓｍｉｔＴｘｂｕｆｆｅｒｄａｔａＳＰＩ＿ＲＷ＿Ｒｅｇ(ＷＲＩＴＥ＿ＲＥＧ＋ＳＴＡＴＵＳꎬ０ＸＦＦ)ꎻ
}}}
４㊀数据采集系统运行结果
１.在选择ＵＳＢ外接电源方式供电的情况下ꎬ连接通讯
板实现一对三的无线温度数据采集以及传输功能ꎬ通讯板
的连接画面如下图所示
:
图５㊀一对三通讯板连接图
２.启动节点的电源开关ꎬ子节点会自动的产生
和主节点的连接ꎬ然后将采集到的数据传输过去ꎬ然后用主节点的液晶屏幕接收对环境的温度进行显示ꎮ
运行结果如下图所示:
３.将手指放在节点一的温度传感器上ꎬ让温度传感器感受环境温度的变化ꎬ然后进行温度数据的采集ꎬ主节点的液晶屏幕显示的数值同时上升ꎬ温度升高过程如下
:
图６㊀启动电源开关ꎬ
开始传输数据
图７㊀节点一温度上升
４.拿开节点一附近的手指ꎬ节点一测量的温度
数值慢慢下降ꎬ主节点的液晶屏幕显示的温度也逐渐发生变化ꎬ温度下降过程
:
图８㊀节点一温度下降
５.拿开手指后ꎬ节点一的温度下降到室内温度
后ꎬ节点一的温度将保持稳定不再继续下降ꎬ因此液晶屏幕上的温度数值也保持稳定不再发生变化ꎮ
接收数据由主节点完成ꎬ数据的发送由子节点完成ꎬ经过不断的测试和改良ꎬ证实了本文系统网络能够稳定的实现组网[１５]的运行以及环境温度的实时测量采集和数据传输的显示ꎮ
５㊀结㊀论
本文系统实现的是短距离无线数据的采集ꎬ使
用４块ＳＴＣ８９Ｃ５２ＲＣ的集成芯片ꎬ然后通过ＮＲＦ２４Ｌ０１的射频识别的通信模块实现一对三的温度数据的采集和显示ꎮ通过调试代码程序和测
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佳木斯大学学报(自然科学版)２０２１年
试通信板的接收以及发送功能ꎬ将三个子节点中采集的实时环境温度数据传输到主节点上液晶屏幕显示ꎮ当我们用手指接触不同的子节点ꎬ让不同的子节点所测试的环境温度发生变化ꎬ主节点的液晶屏幕相应子节点的数值也会发生相应的变化ꎮ特点是利用的ＮＲＦ２４Ｌ０１的通信射频识别模块以及ＳＴＣ８９Ｃ５２ＲＣ的单片机实现了短距离无线的温度数据采集以及传输功能ꎬ而且还能利用液晶屏幕进行采集温度数值的显示ꎬ利用ＤＳ１８Ｂ２０实现温度变化的感知ꎮ
本设计的短距离无线数据采集系统ꎬ采集数据准确ꎬ整体系统运行稳定ꎬ消耗低ꎬ能够有效简洁的实现短距离无线数据的准确采集ꎮ
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Ｃｙｂｅｒｐｓｙｃｈｏｌｏｇｙꎬｂｅｈａｖｉｏｒａｎｄｓｏｃｉａｌｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇꎬ２０１９.
Ｓｈｏｒｔ－ｄｉｓｔａｎｃｅＷｉｒｅｌｅｓｓＤａｔａＡｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎＮｅｔｗｏｒｋ
ＬＩＵＹｕｅꎬ㊀ＴＡＮＮａｎｌｉｎｇꎬ㊀ＨＵＪｉｎｇｙｕｎꎬ㊀ＢＡＯＺｈｅｎｊｉｅꎬ㊀ＪＩＮＹａｄｏｎｇ
(ＳｃｈｏｏｌｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＸｉｚａｎｇＭｉｎｚｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＸｉａｎｙａｎｇＳｈａｎｘｉ７１２０８２ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:㊀ＴｈｅｓｙｓｔｅｍｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｂｙｕｓｉｎｇｆｏｕｒＳＴＣ８９Ｃ５２ＲＣｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｃｈｉｐｓꎬａｎｄｔｈｅｎｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｒａｄｉｏｆｒｅｑｕｅｎｃｙｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｍｏｄｕｌｅＮＲＦ２４Ｌ０１ꎬｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙｂｕｉｌｄａｓｈｏｒｔ－ｄｉｓ￣ｔａｎｃｅｗｉｒｅｌｅｓｓｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｎｅｔｗｏｒｋꎬｃｏｍｐｌｅｔｅｔｈｅＰＣＢｎｏｄｅｃｉｒｃｕｉｔｄｅｓｉｇｎａｎｄｗｅｌｄｉｎｇꎬｔｈｅｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎａｎｄｄｉｓｐｌａｙｏｆｏｎｅ－ｔｏ－ｔｈｒｅｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄａｔａａｒｅｒｅａｌｉｚｅｄｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ.Ｔｈｅｒｅａｌ－ｔｉｍｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄａｔａｃｏｌｌｅｃｔｅｄｆｒｏｍｔｈｅｔｈｒｅｅｓｕｂ－ｎｏｄｅｓａｒｅｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｄｔｏｔｈｅＬＣＤｓｃｒｅｅｎｏｆｔｈｅｍａｉｎｎｏｄｅｂｙｄｅｂｕｇｇｉｎｇｔｈｅｃｏｄｅｐｒｏｇｒａｍａｎｄｔｅｓｔｉｎｇｔｈｅｒｅｃｅｉｖｉｎｇａｎｄｓｅｎｄｉｎｇｆｕｎｃｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｂｏａｒｄ.Ｗｈｅｎｗｅｔｏｕｃｈｄｉｆｆｅｒ￣ｅｎｔｓｕｂ－ｎｏｄｅｓｗｉｔｈｏｕｒｆｉｎｇｅｒｓꎬｔｈｅａｍｂｉｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｕｂ－ｎｏｄｅｓｗｉｌｌｃｈａｎｇｅꎬｓｏｗｉｌｌｔｈｅｖａｌｕｅｓｏｆｔｈｅｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｓｕｂ－ｎｏｄｅｓｏｆｔｈｅＬＣＤｓｃｒｅｅｎｏｆｔｈｅｍａｓｔｅｒｎｏｄｅ.Ａｆｔｅｒｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｍｐｒｏｖｅ￣ｍｅｎｔａｎｄｄｅｂｕｇｇｉｎｇꎬｃａｎｐｒｏｖｅ:Ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｓｈｏｒｔ－ｄｉｓｔａｎｃｅｗｉｒｅｌｅｓｓｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍꎬｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎａｃｃｕｒａｃｙꎬｔｈｅｏｖｅｒａｌｌｓｙｓｔｅｍｒｕｎｎｉｎｇｓｔａｂｉｌｉｔｙꎬｌｏｗｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎꎬｃａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙａｎｄｃｏｎｃｉｓｅｌｙａｃｈｉｅｖｅｔｈｅａｃｃｕ￣ｒａｔｅａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｏｆｓｈｏｒｔ－ｄｉｓｔａｎｃｅｗｉｒｅｌｅｓｓｄａｔａ.
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:㊀ＮＲＦ２４Ｌ０１ꎻｓｈｏｒｔ－ｒａｎｇｅｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎꎻＤＳ１８Ｂ２０ꎻｗｉｒｅｌｅｓｓｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ.
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