基于nRF2401的无线数据采集系统.pdf

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1、五邑大学学报（自然科学版）JOURNAL OF WUYI UNIVERSITY (Natural Science Edition)第 20 卷 第 3 期 2006 年 10 月 Vol.20 No.3Oct.2006文章编号：1006-7302（2006）03-0016-06 1 基于 nRF2401 的无线数据采集系统 廖惜春（五邑大学 信息学院，广东 江门 529020）摘要：介绍了基于 nRF2401 的无线数据采集系统的硬件电路、nRF2401 的特性和软件设计等.该系统通过单片微处理器(MCU)和 nRF2401 以及传感器组成无线传感网络，各传感器采集到的数据通过 nRF2401

2、 以无线电缆的方式传送给监控中心的 PC 机，由 PC 机进行数据的分类、识别以及显示等，成功地实现了温度、湿度以及其它传感器的无线数据的采集、处理和无线监控.关键词：无线通信；数据采集；无线传感网络 中图分类号：TN919.6 文献标识码：A A Wireless Data Acquisition System Based on nRF2401 LIAO Xi-chun(School of Info.,Wuyi University,Jiangmen 529020,China)Abstract:Abstract:This paper introduces a wireless data ac

3、quisition systems hardware electronic circuits,software design and the properties of nRF2401.The system combines MCU with nRF2401 and sensors to form a wireless sensor network.The data collected by the sensors are sent to the PCs in the supervisory center by using wireless cable through nRF2401 and

4、are classified,distinguished and displayed by PCs.The system realizes wireless acquisition and handling of data concerning temperature and humidity and the collection,handling,and wireless supervision of data from other sensors.Key words:Key words:wireless communication;data acquisition;wireless sen

5、sors network 本系统是基于无线传感网络的数据采集系统应用之一，图 1 所示为系统结构框图.它由nRF2401 无线传输模块、传感器组(包括温度、湿度传感器，安全检测传感器等)、掉电检测电路、显示电路以及声光告警电路等组成，与 nRF2401 相关的各种信号都受单片微处理器的控制.该系统通过无线传感网络对无人值守无线基站机房的温度、湿度、火灾、主 UPS（不间断电源）和市电电网的电源掉电信息以及安防(含门禁、窗户)数据或被监控相关设备的数据进行采集，再通过无线链路传送到监控中心，既不改变原有设备布局，又可以免除复杂的布线烦恼.收稿日期：2005-09-15 基金项目：广东省教育厅自然

6、科学研究项目(Z03076)，江门市科技攻关项目资助(200459).作者简介：廖惜春（1954），男，江西樟树市人，副教授，主要研究方向：短距离无线与移动通信技术、数据采集与信号处理.第 20 卷 第 3 期 17廖惜春：基于 nRF2401 的无线数据采集系统 1 系统工作原理 1.1 nRF2401 的主要技术特点 nRF 系列是采用蓝牙核心技术设计并将多种功能和外围部件协议集成在芯片内部、可与单片微处理器直接进行数据传输的单片无线收发芯片.其中 nRF2401 具有以下特点：1）nRF2401 工作于全球开放的 2.42.5 GHz ISM 免申请频段共 125 个频点，可满足多频点及

7、跳频需要；最高速率可达 1 Mb/s，低能耗；发射功率、工作频率等所有工作参数通过软件设置完成，工作电压 1.93.6 V；每个芯片可以通过软件设置多达40 b 的地址，只有收到本机地址时才会输出数据并提供一个中断指示，编程方便.1 2）nRF2401 内置了纠检错协议和相应硬件电路，为软件开发人员提供了方便；nRF2401 采用的DuoCeiverTM技术使 nRF2401 可由同一幅天线同时接收 2 个不同频道的 nRF2401 的数据.nRF2401 的4 种工作模式分别为：收发模式、配置模式、空闲模式和关机模式，这 4 种模式由 PWR_UP、CE和 CS 3 个引脚决定，见表 1.值

8、得注意的是 nRF2401 的收发模式有直接收发模式和 ShockBurstTM收发模式 2 种，由器件配置字决定.其中 ShockBurstTM的配置字可以分为 4 个部分：1）数据宽度：声明射频数据包中数据占用的位数，使 nRF2401 能够区分接收数据包中的和循环冗余校验码.2)地址宽度：声明射频数据包中地址占用的位数，使 nRF2401 能够区分地址和数据.3)地址字节：接收数据的地址，有信道 1 的地址和信道 2 的地址；4)CRC：使 nRF2401 能够生成 CRC 校验码和译码.1.2 系统硬件工作原理 系统中由传感器组采集的温度、湿度实时数据、超温告警、电源掉电及安全告警信息

9、等，都通过无线方式传送到 PC 机的数据库中，通过 PC 机可实现远程数据传输与监控.其中工作人员凭身份识别（ID）号准入.系统将各类安全告警信息在数据库中自动保存一个月，温度和湿度数据在数据库中保存 24 h（可依照用户需要而设定).告警信号既实时显示在 PC 机显示界面中，又及时发出声音告警信号，必要时由内部网络通过电子邮件的方式传送给指定人员，特殊告警信息通过短信平台送到主管人员手机中，以便及时处理相关告警事件.图 2 所示为 nRF2401 在数据采集系统中的应用电路图，图 3 所示是数据采集系统中单片微处理器与传感器组和 nRF2401 的接口电路，图 2 中 J2 与图 3 中的

10、J2 相对应.温度和湿度传感器采集被测环境的温度和湿度并转换成数字信号由单片微处理器进行处理后的数据，由监控中心 PC主机进行分类处理并存储，其中各点温度和湿度数据实时分别存储，但采用多点定时加权平均值表 1 nRF2401 工作模式 引脚 工作模式PWR_UP CE CS 收发模式1 1 0 配置模式1 0 1 空闲模式1 0 0 关机模式0 烟雾检测温、湿度检测门窗检测掉电检测2401模块声光音报警MCU5 V2401模块MCU温、湿度显示传感器组PC机市电网图 1 系统结构图 五邑大学学报（自然科学版）2006 年 18作为显示的温度和湿度值.各路温度的告警上限值由图 3 中 MCU 外

11、接功能键 K1 和 K2 设置；安全检测传感器主要检测火灾、非法入侵等信息；电源掉电检测电路检测主 UPS 输出的（220 V）交流电压和市电电网的（220 V）交流电压值，一旦出现电源掉电、室内温度超过设置阈值、火警信号或非法入侵等告警信息，除现场由单片微处理器控制发出声光告警信号外，同时还将告警信息通过 nRF2401 无线模块传送到监控中心 PC 机进行相关处理.本系统采用无线通信方式进行数据传输的优势在于不需要布线网络，因此可以在不改动主机房内任何环境布置的条件下进行数据采集与传输，同时可组成不同结构的无线数据采集网络，以利于通过 PC 机进 行 数 据 的 处 理 和 存 储.图 4

12、 所 示 为 PC 机 与nRF2401 之间通信的无线数据传输协议.图 3 数据采集系统中 MCU 与传感器和 nRF2401 的接口电路 图 4 无线数据传输协议 R110KS5VCCC510uFX14MC430PC330PEA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD10VC

13、C40GND20U1HEADER 4X2L2220uH+3VC60.1C_SENSE_2401CLK1STBYPWR_2401CSTXEN_2401DATACFG_CLK_2401CECFG_DATA_2401CLKCFG_CS_2401DOUT22401DR12401DR2PWR240112345678910111213141516J2 PWR2401CFG_CLK_2401CE2401DR2CFG_DATA_2401CLK2CFG_CS_2401DOUT2PWR_2401CS2401DR1C_SENSE_2401CLK1TXEN_2401DATAC130.1L3220UH+3VDATAVC

14、C12345678910J5 RESETN.CDTRDSRTXDRXDRINGCTSRTSDCDK1K2传感器组数据同步(0 xAFH)机房温度机房湿度机房温度阈值UPS房温度UPS房温度阈值告警结束（0XAEH）131415161718192021222324123456+3V10nF1nF789 10 11 1222knRF2401CLK1DATADVDDVssXC2XC1IREFVssVDDVssPWR_UPVDDPWR_UPCEDR2CLK2DOUT2CSDR1CLK1DATAJ233nF15pF15pF16MHz1M天线接口端天线接口端VDD(功放)2.2nF22pFVssVDDVs

15、s_PAANT1ANT2VDD_PA图 2 nRF2401 应用电路 200H10F10 k第 20 卷 第 3 期 19廖惜春：基于 nRF2401 的无线数据采集系统 2 软件设计 本数据采集系统的软件主要有单片微处理器数据采集程序2和 PC 机数据处理(C+)程序等几部分.单片微处理器程序包括系统初始化程序、串行通信程序、nRF2401驱动程序以及传感器数据采集处理程序等.PC 机程序由串行通信程序、数据库及数据分类处理程序3、显示接口处理程序、图形绘制程式以及短信息处理程序等组成.2.1 串行通信程序 串行通信程序包括单片机的串行通信以及 PC 机与MCU 之间的串行通信程序 2 部分

16、，单片机的串行口通信程序流程如图 5 所示；无线数据传输的程序流程如图 6 所示；PC 串口(本系统采用 COM2)初始化子程序简述如下.void CTemperatureDlg:initcom()m_mscomm.SetCommPort(2);/选择 COM2 m_mscomm.SetInputLen(8);m_mscomm.SetInputMode(1);m_mscomm.SetRThreshold(8);m_mscomm.SetSettings(2400,e,8,1);/串行通信参数设置 if(!m_mscomm.GetPortOpen()m_mscomm.SetPortOpen(TRU

17、E);/开启串口 void CTemperatureDlg:OnOnCommMscomm()/TODO:Add your control notification handler code here if(m_mscomm.GetCommEvent()=2)VARIANT variant_inp;COleSafeArray safearray_inp;LONG len,k;BYTE rxdata8;variant_inp=m_mscomm.GetInput();/读缓冲区 safearray_inp=variant_inp;len=safearray_inp.GetOneDimSize();图

18、 6 无线数据传输流程图 开始串口初始化定时器初始化设定各寄存器初值启动定时器、开中断数据处理等待中断数据收/发？关中断RT接收数据关中断发送数据返回图 5 单片机串口通信流程图 开始2401、串口初始化2401链接成功否？建立无线物理链路等待数据收发命令是否收发数据？NNYY收发判断数据接收处理数据发送处理处理完毕否？NY五邑大学学报（自然科学版）2006 年 20 for(k=0;klen;k+)safearray_inp.GetElement(&k,rxdata+k);DataCheck(rxdata);/数据处理 2.2 传感器中断服务程序 传感器输出信号分别送到 MCU 的 P2 I

19、/O 口，同时通过逻辑与门电路同时送到 MCU 的0INT端，中断服务部分程序如下：void interrupt0()interrupt 0 unsigned char key;delayL();key=P2;key=key;key=key&0 xF0;/取相关位 if(key&fun_sel)!=0)/设置各路传感器的响应状态.?if(spenable=1)SPEAKER=0;/如果允许现场报警，则启动报警器.timebuf5=key;eppointer+;if(eppointer=0 x0A)eppointer=0 x00;if(stadeep0 x0A)stadeep+;sendstr(

20、eppointer*8,timebuf,6);serialsend(STATUS,key);/向 PC 传报警信息?2.3 PC 机数据处理与显示 各种数据通过主 PC 机处理后，可以显示相关数据.PC 机显示界面中用不同颜色的曲线显示出机房温度、湿度和主 UPS 房的温度值，图 7 所示是 PC 机显示的温度、湿度曲线图.当点击图中的“隐藏”时，可显示或隐藏图中右侧的曲线.3 结语 本系统将无线传感网络用于无线数据采集系统中，充分发挥了无线数据传输的优越性.4 如果采取相应的抗干扰措施，系统配以其它传感器组则可以实现远程环境检测、污水处理等场合的无第 20 卷 第 3 期 21廖惜春：基于 nRF2401 的无线数据采集系统线数据采集、传输与处理或远程监控等，使某些特殊环境中的数据采集安全又可靠地进行.图 7 PC 机显示界面中的温度、湿度曲线 参考文献：1 廖惜春.高频电子线路M.2 版.广州：华南理工大学出版社，2005.2 余永权.Flash 单片机原理及应用M.北京：电子工业出版社，1997.3 林嵘.数据转换与接口技术M.南京：东南大学出版社，2004.4 金纯，许光辰，孙睿.蓝牙技术M.北京：电子工业出版社，2001.机房湿度UPS 房温度 机房温度