本文基于DSP和nRF24L01設計了一種無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)操作簡便、測量迅速、造價低廉、便于攜帶，能滿足一定靈敏度和準確度的要求，且采用無線數(shù)據通信作為傳輸載體，可應用于蔬菜大棚、生產車間、溫室、礦井等場所的溫度、光度監(jiān)測與控制系統(tǒng)。

　　例如，在蔬菜大棚中，蔬菜生長的適宜溫度為20～30℃，大棚內白天增溫快，當棚外平均氣溫為15℃時，棚內可達40～50℃，不利于蔬菜生長。同樣，適當?shù)墓庹諒姸葘χ参矬w內的硝酸鹽代謝起極為重要的作用，是決定植株硝酸鹽含量的主要因素之一，但過弱或過強的光照也不利于蔬菜的生長。因此，需要根據監(jiān)測值適時調節(jié)棚內溫度，以有效地避免不當?shù)臏囟取⒐庹諏κ卟说奈：Α?/p>

　　1、方案論證

　　本無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)是由一個主站和兩個分站組成。主站由無線收發(fā)模塊、信息處理模塊、顯示模塊構成，功能是無線發(fā)送分站的編號和命令，并無線接收分站發(fā)送的信息，同時顯示這些信息及分站的編號；分站由傳感器模塊、編碼模塊、信息處理模塊、顯示模塊和無線收發(fā)模塊構成，功能是采集溫度、光照信息，顯示所測信息，并將這些信息和自己的編號無線傳輸給主站。系統(tǒng)結構圖如圖1所示。

　　1．1、主控模塊

　　本方案中主控模塊選擇TI公司的DSP芯片TMS320LF2407。TMS320LF2407內置10位（雙8路或單16路）A／D轉換器、看門狗定時器模塊；有41個可獨立編程的數(shù)字I／O引腳，絕大部分有復用功能；外設接口有串行通信SCI（SerialCommunicationInterface）與串行外設SPI（SerialPeriphera1Interface）；2個事件管理器EVA、EVB可為所有類型電機提供控制技術，為工業(yè)自動化方面的應用奠定了基礎；2個16位通用定時器，3個具有死區(qū)功能的全比較單元。

　　較MCS-51系列單片機而言，TMS320LF2407內部有32KB的Flash程序存儲器和2．5KB的SRAM，更能滿足軟件對空間的要求，且方便在線調試。利用其內置的10位A／D轉換器，可以直接接溫度、光度傳感器模塊，將測得的溫度值、光照強度值等模擬量轉換為TMS320LF2407可以處理的數(shù)字信息，避免了用MCS51進行A／D擴展帶來的麻煩。另外，TMS320LF2407有41個可獨立編程的數(shù)字I／O引腳，絕大部分有復用功能，更能滿足硬件對I／O口的需求。使用TMS320LF2407的串行外設接口SPI，可以直接和無線傳輸模塊nRF24L01提供的SPI接口相連，不需要軟件模擬SPI。使用的開發(fā)環(huán)境是CCS3．0，完全支持C語言，方便程序編寫。

　　1．2、傳感器模塊

　　選用光敏電阻來測量光照。較光敏二極管，光敏電阻更能顯示出光的強弱；而且，它能夠和熱敏電阻應用到同一電路中。傳感器模塊電路如圖2所示。

　　1.3、編碼模塊

　　選用跳線開關組成編碼模塊。與普通開關組成編碼模塊相比較，成本更加低廉。用兩列排針（各8位）：一列排針接到TMS320LF2407的I／O口，并經過10kΩ電阻接+5V電源VCC，另一列排針接地。兩列排針對應的位用跳線帽相連時置0，否則為1。這樣可以設置分站的編號0～255，即本系統(tǒng)最多可以擴展256個分站，用來監(jiān)測不同地點的當前環(huán)境溫度、光度值。

　　1．4、無線傳輸模塊

　　選用無線傳輸模塊nRF24L01。它是一款工作在2．4～2．5GHz世界通用ISM頻段的單片無線收發(fā)器芯片，采用FSK調制，內部集成自己的協(xié)議，有自動應答及自動重發(fā)功能、地址及CRC檢驗功能，可實現(xiàn)點對點或1對6的無線通信，無線通信速度可達2Mbps；而且，電流消耗極低，當工作在發(fā)射模式下發(fā)射功率為-6dBm時電流消耗為9mA，接收模式下為12．3mA。nRF24L01與PT2262／2272相比，不需要編碼和解碼，程序簡單；與nRF905相比，外圍元件更少，不需要曼徹斯特編碼；與nRF401相比，價位更低。

　　TMS320LF2407只需為nRF24L01模塊預留6個I／O口，分別與其6個控制和數(shù)據信號CSN、SCK、MISO、MOSI、IRQ、CE相連。TMS320LF2407與nRF24L01的連接電路如圖3所示。

　　1．5、顯示模塊

　　選用型號為LG5011BSR的共陽極數(shù)碼管，與液晶顯示器相比，價格低廉。它由7段發(fā)光二極管組成，共有10只引腳。其中，3、8引腳為共陽極，其他引腳加低電平時對應的二極管就會亮，從而控制數(shù)碼管顯示相應的數(shù)值。

　　1．6、系統(tǒng)硬件結構

　　傳感器模塊是信息采集的樞紐。如圖2所示，電源電壓經穩(wěn)壓管TL431穩(wěn)壓到2．5V，提供給由普通電阻和熱敏電阻組成的分壓電路，以及普通電阻和光敏電阻組成的分壓電路。熱敏電阻分得的電壓通過TO輸出，接TMS320LF2407的ADCIN0；光敏電阻分得的電壓通過LO輸出，接TMS320LF2407的ADCIN1。利用讀取A／D轉換后的結果，并計算出對應的溫度值和光線強度值，經查表輸出顯示。

　　無線傳輸模塊是數(shù)據傳輸?shù)暮诵摹Ｈ鐖D3所示，TMS320LF2407通過6個I／O端口（IOPC0，IOPC1，SPISIMO，SPISOMI，SPICLK，SPISTE），依次與nRF24L01模塊的6個控制和數(shù)據信號IRQ、CE、MOSI、MISO、SCK、CSN相連。其中，CSN為芯片的片選線，CSN為低電平時芯片工作；SCK為芯片控制的時鐘線；SOMI為芯片控制數(shù)據線；MOSI為芯片控制數(shù)據線；IRQ為中斷信號，無線通信過程中DSP主要是通過SPI接口的SPISIM-O、SPISOMI與nRF24L01進行通信。CE為芯片的模式控制線，在CSN為低的情況下，CE協(xié)同nRF24L01的CONFIG寄存器共同決定nRF24L01的狀態(tài)。

　　顯示模塊用TMS320LF2407的IOPB0、IOPB1來模擬串行發(fā)送數(shù)據的過程，外接串入并出移位寄存器74LS164構成。當需要顯示信息時，數(shù)據從IOPB0端在移位脈沖（由IOPB1輸出）的控制下逐位移入74LS164，74LS164能將輸入的串行數(shù)據轉換為并行數(shù)據輸出到數(shù)碼管。這樣的設計不僅節(jié)省I／O口，而且不占用串口資源。編碼模塊通過IOPA0～IOPA7與DSP相連。

　　2、軟件設計

　　系統(tǒng)的主站、分站程序流程如圖4所示。主站程序主要包括初始化、無線發(fā)射、無線接收、數(shù)碼管顯示等部分；分站程序主要包括初始化、無線發(fā)射、無線接收、數(shù)據采集、數(shù)碼管顯示等部分。

　　2.1、初始化部分

　　將數(shù)據地址、數(shù)據顯示區(qū)地址等內容初始化為0，設置數(shù)據顯示區(qū)地址的內容，進行數(shù)碼管顯示，以進行系統(tǒng)自檢。

　　for（i=0;i《3;i++）{

　　DISHE（）;//調用要顯示的內容

　　DISPLAY（）;//輸出顯示

　　DELLS（）;//延時

　　BLANK（）;//內容為0

　　DISPLAY（）;//顯示

　　DELLS（）;//延時

　　}

　　2.2、無線發(fā)射部分

　　首先設置nRF24L01為發(fā)射模式（設置發(fā)射和接收節(jié)點地址），使能自動應答，配置自動重發(fā)次數(shù)，選擇通信頻　率，配置發(fā)射參數(shù)，選擇通道0有效數(shù)據寬度，配置nRF24L01的基本參數(shù)以及切換工作模式;然后設置發(fā)射數(shù)據，啟動發(fā)射，發(fā)射完數(shù)據后會自動轉入接收模式接收應答信號。

　　initNRF24L01（）;//初始化無線通信模塊

　　PCDATDIR=0x2000;//置低SPISTE引腳，選

　　//通nRF24L01

　　while（（SPISTS&0x40）！=0x40）{}//等待SPI寫結束

　　readspibuf=SPITXBUF;//讀SPIBUF寄存器，清

　　//除SPIINTFLAG位

　　nRF24L01TxPacket（TxBuf）;//發(fā)送TxBuf中的數(shù)據

　　PCDATDIR=PCDATDIR&0x0202;//置高CE，激活數(shù)據發(fā)送

　　2.3、無線接收部分

　　首先設置接收模式（即寫接收節(jié)點地址），使能自動應答，通道0接收地址允許，選擇通信頻率，選擇通道0有效數(shù)據寬度，配置發(fā)射參數(shù)，配置nRF24L01的基本參數(shù)以及切換工作模式;然后啟動接收，130μs后開始檢測空中數(shù)據，若收到，則數(shù)據模塊會自動發(fā)射應答信號［5］。

　　SetRXMode（）;//數(shù)據接收配置

　　SPIRWReg（WRITEREG+STATUS，0xFF）;

　　//nRF24L01讀寫寄存器函數(shù)

　　while（（SPISTS&0x40）！=0x400）{}//等待SPI讀結束

　　rdsbf1=SPITXBUF;//讀取寄存器

　　PCDATDIR=0x2020;//置高SPISTE引腳，禁止nRF24L01

　　2.4、數(shù)據采集部分

　　分站對溫度、光照、地址編號進行采集，通過讀取I/O口得到地址編號的值，通過讀取A/D來獲得溫度、光照的最初值，經過DSP處理后得到準確的溫度、光度值。

　　MAXCONV=0x0000;

　　CHSELSEQ1=0x0000;//第0通道

　　ADCTRL2=0x4000;//復位使排序器指針指向CONV00

　　ADCTRL2=0x2000;//啟動A/D轉換

　　while（（ADCTRL2&0x1000）==0x1000）;//等待轉換完成

　　asm（“NOP”）;

　　asm（“NOP”）;

　　2.5、數(shù)碼管顯示部分

　　程序以模擬串口的方式實現(xiàn)數(shù)據顯示，過程為：取一字節(jié)數(shù)據，移一位數(shù)據到I/O口中，通過置位另一I/O口高低電平來模擬時鐘信號，即把數(shù)據一位一位地移到移位寄存器74LS164中，然后并行輸出到數(shù)碼管顯示數(shù)據。

　　3、調試分析

　　3.1、系統(tǒng)板硬件部分調試

　　系統(tǒng)板硬件部分調試主要是萬用表檢查電路通斷情況，并測量部分關鍵引腳的電壓是否達到要求。

　　3.2、環(huán)境溫度測量調試

　　首先，把標準溫度計和熱敏電阻同時放入冰水混合液中，標準溫度計的示數(shù)為Y1，根據基礎表值探測點顯示為X1。接著，將它們放入沸水中，標準溫度計的示數(shù)為Y2，根據基礎表值探測點顯示為X2，得出比例系數(shù)K=（X2-X1）/（Y2-Y1）=2。最后，在沸水和冰水混合液之間的溫度內，測得標準溫度Yi（i=3，4，…，30）和探測點顯示值Xi（i=3，4，…，30）共28組，從而得到近似比例系數(shù)K=2±0.5。再通過軟件部分進行數(shù)據的校準，建立溫度數(shù)據表。最終，將溫度計和溫度傳感器置于同一環(huán)境下記錄測得的溫度值，如表1所列。

　　平均誤差=（0.3+0.5+0.2+0.5+0.6）℃/5=0.42℃

　　平均響應時間=（1.0+1.2+1.0+1.0+1.0）s/5=1.04s

　　4、結語

　　本文介紹的無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的控制采用TMS320LF2407實現(xiàn)。TMS320LF2407內部資源豐富，既有A/D轉換器，又有SPI、SCI，省去了系統(tǒng)擴展的麻煩;另外，I/O口比較多，內部存儲空間較大，有利于系統(tǒng)功能擴充。無線部分采用高度集成的nRF24L01器件，大大簡化了系統(tǒng)硬件和軟件設計，減小了體積，提高了系統(tǒng)工作的可靠性。