基于无线通信的点对多点温度传感器网络 原作者上传word原版

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基于无线通信的点对多点温度传感器网络

刘嘉，焦斌亮

(燕山大学信息科学与工程学院，秦皇岛，066004)

摘要：介绍了一种基于“一线总线”数字化温度传感器DS18B20和工作于2.4GHz ISM频段射频收发芯片nRF2401AG点对多点温度传感器网络的设计方案。分析了点对多点无线通信模型的结构原理及其特点，设计了基于突发传输模式的点对多点双向无线通信协议，并以AT89LV51和AT89C2051为核心，给出了该系统软件控制过程和硬件电路设计。实践表明，该系统测温精度高、使用方便、抗电磁干扰能力强、数据通信稳定性高、成本低，可以广泛用于各种电力系统设备多点测温。 关键词：nRF2401AG；DS18B20；无线通信；点对多点；通信协议 中图分类号： TP212 文献标识码：A

Point-to-multipoint Temperature Sensor Network Based on Wireless

Communication

LIU jia ,JIAO Bin-liang

(Information Science and Engineering Istitute,Yanshan University,Qinhuangdao066004 ,China) Abstract:This paper introduced the design method of point-to-multipoint temperature sensor network based on 1-Wire Digital Thermometer DS18B20 and RF transceiverr 2401AG for the 2.4GHz ISM band, analysed the structure principles and characteristics of the point-to-multipoint wireless communication mode, designed the point-to-multipoint wireless two-way communication protocol which is based on the mode of the ShockBurstTMMode, successfully shows the control process of the system software, and finally realized the designing of the hardware with AT89LV51 and AT89C2051 as the cores. A lot of practice shows this system has so many strong advantages, such as the high precision when measuring the temperature, the convenient usage, the strong anti-electromagnetic capability, the good stability when communicating data, low cost, that it can be widely used for multi-point temperature measurement in various electric systems.

Key word:nRF2401AG; DS18B20; wireless communication; point-to-multipoint; communication protocol

行中出现的在高电压、大电流、强磁场环境0 引言

电力系统安全稳定运行是电力系统控下，以及输电线铁塔等工作人员难以到达的制的根本目标和进行电力市场交易的重要设备，无线通信温度传感器网络采用无线通保障。随着现代电力系统向着高电压、大机讯技术进行高压隔离和信号传输，利用其固组、大容量的迅速发展，对电力系统供电可有的绝缘性和抗电磁干扰性能，可以很好的靠性的要求越来越高。由于绝大多数的电力解决这些问题。 设备长期处于高电压，大电流和满负荷的条1 系统结构 件下运行，其结果导致热量集结加剧，如果整个系统中需要用到的硬件芯片主要不对温升采取有效的监测措施，将会危及电包括DS18B20单总线数字温度传感器、力设备的安全运行。针对工矿企业、发电厂nRF2401AG无线收发芯片、单片机等。这些及变电所等部门在其电气设备实际生产运芯片配以相应的外围电路就构成系统的基

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本硬件结构。下面对主要硬件的特点及系统的总体结构分别进行介绍。

1.1 单线智能温度传感器DS18B20

DS18B20美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器。与传统的热敏电阻相比,它能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现9-12位的数字值读数方式。测温范围为-55℃到+125℃，在-10 ℃到+85 ℃范围内，精度为±0.5℃。可以分别在93.75ms和750ms内完成9位和12位的A/D转换[1],并且仅需要一根口线(单线接口)即可完成信息的读写,温度变换功率来源于数据总线,而无需额外电源。这种结构称为“一线总线”，不仅简单、经济，数字方式传输还大大提高了系统的抗干扰性，适合于恶劣环境的现场温度测量。DS18B20独特的结构，决定了它特别适合于大型多路温度测控系统的温度检测。 1.2 nRF2401AG芯片

本系统通过无线收发模块传输现场采集的数据，系统所处环境较为恶劣，对数据传输的可靠性要求较高。综合考虑以上因素，采用以nRF2401AG为核心芯片的无线数传模块PTR4000PA。nRF2401AG是挪威Nordic 公司推出的单片无线收发一体的芯片nRF2401AG。模块工作电压为2.7 V- 3.6 V，内置天线；采用全球开放的2.4 GHz ISM频段,免许可证使用；采用高效GMSK调制,最高传输速率达到1 Mbit/s, 抗干扰能力强；有125个频道, 可满足多频及跳频需要；内置硬件CRC检错， 支持点对多点通信地址控制[2]。

模块可以通过软件设置地址, 只有收到本机地址时才会输出数据, 可直接连接各种MCU使用, 软件编程非常方便。nRF2401AG可通过软件设置40bit的地址，适合点对多点的数据传输; CRC纠检错硬件电路和协议，提高了系统的可靠性，且不再需要用软件对传输数据进行差错控制编码，简化了软件编程。 PTR4000PA是PTR4000的功率加强型产品，传输距离更远，开阔地约300-400米，室内约50-100米。nRF2401AG最突出的特点是具有一种ShockBurstTMMode(突发模式)的通信模式。

ShockBurstTMMode使用芯片内部的先入先出堆栈区，数据可以从低速微控制器送入，高速(1Mb/s)发射出去，字头和校验码由硬件自动添加和去除，其优点是：功耗低，抗干扰能力强。

1.3系统的总体结构

从机N

图1 系统结构框图

在强电磁干扰的恶劣环境下，一方面为了能够及时的采集到多点的温度，另一方面为了避免引导线过长而引起的数据丢失，我们采用了点对多点的通信系统。常见的点对多点通信系统多采用环型和星型两种模式。星型系统特别适合于数据量较大且实时性要求较高的场合。因此，本系统采用星型模式。系统结构如图1所示。

系统工作时，主机循环访问从机，向从机发送命令。从机接收到命令，验证命令正确后开始通过DS18B20采集温度，然后将温度数据通过无线收发模块发射出去。主机接收到温度数据后读出温度数据并确定是来源于哪个从机，通过电脑串口将温度数据上传给PC机。在PC机上通过监控软件可以实现接收端无线模块与PC机的数据通信以及温度数据的显示、整理、查询、绘制曲线、制作和打印报表等功能。

在系统的从机端，我们使用母线取电与充电电池配合为从机提供3.3V电源。母线取电的不足在于它的不稳定性，当母线取电出现不稳定电压时，用充电电池为从机端供电。当充电电池电量不足时，可以通过母线取电为其充电。这种供电方式极大的延长了从机端电源的寿命。

2 系统的硬件设计

nRF2401AG与单片机的硬件连接如图2所示。在主机端，我们使用工作电压为2.7-6V的低压型单片机AT89LV51，可以直

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接与nRF2401AG直接相连，无需电平转换[3]

，简化了电路。AT89LV51通过RS232与PC机的串口相连。在从机端，为了减小从机的体积和功耗，使用了20个管脚的AT89C2051。DS18B20只需一个I/O与AT89C2051相连。为了防止从机程序跑飞，还在AT89C2051上设置了看门狗电路。系统工作时，两种单片机均使用+3.3V电源供电。

图2 nRF2401AG与单片机连接图

单片机通过PWM_UP，CE， CS三个管脚设置nRF2401AG工作模式，表1列出nRF2401AG的四种工作模式。配置模式时单片机通过CLKI和DATA端向nRF2401AG发送配置字，发送数据时通过CLK1和DATA端向nRF2401AG发送地址和数据，接收数据时通过CLK1和DATA端从nRF2401AG读取数据，DR1是nRF2401AG通知单片机已经接收到数据并且可以读取的状态信号。CLK2、DOUT 和DR2端为通道二保留使用。

表1 nRF2401AG的工作模式

3

在无线系统应用中，通信协议非常重要。无线通信协议的好坏直接影响到通信的安全性、误码率以及数据的传输速率。

本系统采用nRF2401AG的ShockBurstTM Mode收发模式。在此模式下，数据帧格式如图3所示。

其中，在ShockBurstTMMode模式下nRF2401AG自动处理字头和CRC校验码。即在发送数据时，自动加上字头和CRC校验码。在接收数据时，一旦检测到符合本机硬件地址的数据帧，便自动把字头、接收方地址和CRC校验码移去。接收方地址的长度和数据长度均可以通过nRF2401AG的配置字设定[4]。由此可见，工作在突发模式时，nRF2401AG的上述特点可大大简化通信协议的设计。设计者甚至只需要按一定规则，配置好系统中主／从机的硬件地址、数据长度以及其余的状态字即可，而不需要考虑类

似轮询算法之类的协议设计。

本系统中存在多个从机，因此每个从机都要设置一个不同硬件地址。需要说明的是，硬件地址不宜简单地设置成0x00，0x01，0x02，…，等等，以免与临近的无线通信设备发生冲突。此处将硬件地址配置成4Byte，数据长度配置成10Byte，且主机的硬件地址配置为0xAAAAAAAA00，从机的硬件地址分别配置为0xCCCCCCCC11，

0xCCCCCCCC22，0xCCCCCCCC33，…，等等。对于硬件地址，这样的配置并不是绝对的，设计者需要根据实际的应用环境灵活配置，所以并不存在哪种配置是最优的。

系统主／从机的工作流程如图4和5所示。假设本系统中有N个从机。系统开始工作时，主机循环访问从机，向从机M循环发送采温命令，从机M处在接收等待状态模式。只有在从机接收到的数据地址与本机地址一致且CRC校验正确时，才通过DR1输出高电平，表示从机M接收到了正确的命令。从机M开始测温，发送温度数据，然后再进入掉电模式。主机一发出命令后就转入接收模式，接收从机M的温度数据后将温度数据上传给PC机，再向从机(M+1)发命令。从机M进入掉电模式经过(N-1)个从机工作的时间后，再进入接收等待状态模式，此时主机访问完其余(N-1)个从机后，也经过了(N-1)个从机工作的时间，开始向从机M发送命令，如此循环下去。

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图4 主机程序流程图

图5 从机程序流程图

在程序设计中我们令从机nRF2401AG处于“接收等待-采温发送温度数据- 掉电”交替工作模式下。在一个工作周期内,从机仅有1/ N的时间处在工作状态，其余的

(N-1)/N的时间处于掉电状态。nRF2401AG

在掉电模式下耗电仅为1uA,进入最省电状态。由此可见,本系统通信协议的设计让从机无线模块绝大部分时间工作在掉电状态，有效降低了从机的功耗[5]。

系统使用VC++6.0对系统用户界面和数据库部分进行编程，主界面如图6所示。作为性能测试的演示系统，我们采用循环轮 询的方式显示各个从机的温度，每个从机的温度显示5秒。如图6所示为从机3的实时温

度和温度曲线。

4 结束语

图6 PC机上用户界面

调试结果表明该系统能够准确的实现

无线多点测温，通信质量可靠稳定，抗干扰能力强，功耗小，成本低，从机体积小巧。开阔地主机和从机之间的距离可达200米并且满足数据传输的实时性、高效性的要求。在无线温度传感器网络的基础上，把单片机系统作为节点，PC机作为基站，进一步可以构建智能无线传感器网络，利用现代网络技术，可以实现对电气设备的远程测控，这也是当今传感器技术的发展方向之一。

本文作者创新点:本系统能够实时监测电力设备的多点的温度，抗电磁干扰能力强。N个从机在(N-1)/N的时间内处于掉电状态，极大的减少了从机端的功耗。

参 考 文 献

[1] 沙占友. 集成传感器应用[M].第1版.北京：中国电力出版

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社，2005:40-46.

[2] 李琳琳，黄锐，方同秀. 基于nRF2401的汽车发动机转速遥测系统[J].仪表技术与传感器,2005 (5):40-41.

[3] 郝建国，郑燕，薛延侠.单片机在电子电路设计中的应用[M] . 第1版.北京：清华大学出版社，2006：150-159. [4] Nordic Inc nRF2401A_rev1_0 Datasheet[Z].2004:5-20. [5] 娄朴根,宋文爱. 矿井下实时温度监测和无线传输系统的设计与实现[J].仪表技术与传感器,2007(3): 44-46. 作者简介：

刘嘉(1983.7—)，男，硕士研究生，研究领域为无线传感器。焦斌亮(1964.3—)，男，教授，硕士生导师，博士，研究领域为光电检测、光纤传感、无线传感器。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/axs1.html