基于nRF24L01的SPI远程通讯发射器

基于nRF24L01的SPI远程通讯发射器
摘要
近年来,随着传感技术、嵌入式计算、现代网络、无线数据传输及分布式信
息处理等技术的发展,能够将监测对象的数据通过无线方式发送，使得无线测量
和传输技术也越来越受到人们的重视。

同时随着我国PM2.5污染问题日益凸显，
以及公众环境意识的增强，对空气质量的关注也越来越多，但对其进行远距离实
时监测仍是一个困难。

该设计是通过STM32单片机进行智能控制，通过PM2.5传
感器检测空气质量，将检测的数值在OLED屏幕上显示、再通过nRF24L01通信系
统将信息远程传输到室内的OLED屏上显示。

关键词: nRF24L01；STM32单片机；PM2.5传感器；
1 设计背景及目的
伴随着科技的发展及应用,使得无线测量和传输技术越来越受到人们的重视。

常用的无线数据传输技术主要有蓝牙技术、Wi-Fi技术、IrDA技术、超宽带技术等，而蓝牙技术和Wi-Fi技术功耗较高，IrDA技术传输速率较低，超宽带技术开
发难度较高。

为了更好的实现无线通信的功能，增加模块的可靠性和使用寿命，
本设计一种基于nRF24L01的无线通信系统，该系统具有传输速率高、成本低、
功耗小、体积小、便于开发等优点，具有很高的应用价值。

2 基本设计思路
本系统由nRF24L01、STM32单片机、PM2.5传感器模块和5V稳压模块组成。

由PM2.5传感器模块作为单片机主要的信号输入源，负责采集空气中PM2.5的含量，STM32单片机负责接收PM2.5传感器输出的检测信号后根据信号的状态不同
进行不同处理，再将控制信号输出到nRF24L01，将实时监测到的PM2.5值传送到
手机。

5V稳压模块则是在使用非USB供电时，使系统的输入电压保持在5V，是
保证工作时系统的稳定性所必须的模块。

系统结构框图如图1所示。

图1 系统结构框图
3 硬件设计
本设计采用性价比较高的射频芯片nRF24L01为核心搭建无线通信硬件平台。

该平台采用ATmega16L作为微控制器，控制无线发送和接收；通过ATK-ESP8266
串口与用户端手机相连，实现无线数据通信。

本项目研究内容主要是围绕以
STM32单片机为基础设计并开发的SPI远程通讯协议发射器。

1、智能控制：以STM32单片机为控制中心，配合nRF24L01系统、PM2.5传
感器等模块传送数据信息的功能。

此外，该单片机具备144个并行IO端口，设
计端口数量也足以满足设计需求，无需外扩IO端口，节省了成本、降低了设计
的难度。

最小系统是整个系统的大脑，最小系统正常运行是实现系统功能的前提
条件。

PCB连接设计图如图2所示。

图2 PCB连接图
2、空气质量检测: PM2.5传感器使用定制设计的椭圆镜和一个双元件光电检
测器的组合，在一个开放的散射腔室的中心自由空间创建一个“虚拟感应区”。

然后感应区及其周边空间会被一个薄的带状激光束照亮。

含颗粒的空气不受约束
地通过散射室且可以穿过激光束感应区内外，但只有那些穿过感应区域内的颗粒
可被双元件检测器确认并由OPC电子计数/测量大小。

3、通信系统：nRF24L01是Nodic公司新推出的工作于2.4GHz频段的射频芯片：最大0dBm的发射功率，高速率传输；可进行高速信号处理；其SPI接口与
单片机进行通信，内部有FIFO可以与各种高低速微处理器接口，便于使用低成
本单片机。

4、显示系统：显示模块采用的是OLED显示屏，OLED由于同时具备自发光、
不需要背光源、对比度高、厚度薄、视角广、反应速度快、使用范围广泛，，结
构及制作简单等优异特性；OLED的功耗低，更加适合最小系统；OLED屏具有多
个控制指令，可以控制OLED的亮度、对比度、快关升压电路等指令；操作方便，功能丰富。

4 软件设计
在本设计的程序设计中，在KEIL5软件上进行编写并进行模块化处理，程序的开始，对各个模块进行初始化，再将PM2.5传感器检测到的值进行转换处理，并在OLED屏上显示出，然后再通过nRF24L01将信息传递到室内的OLED屏
上显示，程序结束。

部分程序源码如图3所示。

图3 部分程序
5结束语
本设计出一种基于nRF24L01的SPI远程通讯发射器，该系统具有传输速率高、成本低、功耗小、体积小、便于开发等优点，更好的实现了无线通信的功能，增加了模块的可靠性和使用寿命，具有很高的应用价值。

在应用上以远程传输空
气质量数据为基础，实现智能化在线监控，为环境改善提供了实用的参考数据。

下一步，可以进一步改善传输的效率与速率，并可以增加多种传感器将我们日常
生活中所需要的信息通过该系统传输到需要的地方。

参考文献
[1]梁应敞,谭俊杰,龚晨等.基于大数据的无线通信技术[J].中国科学:信息
科学,2021,51(11):1946-1964.
[2]胡致远,宋洋洋,袁研根等.微功率无线通信技术在电力线路中的适应性分
析[J].电力系统自动化,2014,38(08):113-118.
[3]李斌. 新一代短距离无线通信系统信号检测与接收技术研究[D].北京邮
电大学,2013.
[4]李建中,高宏.无线传感器网络的研究进展[J].计算机研究与发
展,2008(01):1-15.
项目：“宿州学院省级大学生创新创业训练计划项目资助”项目编号：
S202110379058。