基于DS18B20和nRF2401的库区测温网络无线传输系统

摘要：为解决库区温度测量布线难度大、材料成本高、维护检修难的问题，论文提出了一种用单片机作为控制核心，用DS18B20搭建多点测温网络，nRF2401作为传输器件的库区温度数据无线传输系统。经实际测试，该系统测量准确度高、传输距离远、性能可靠，具有较好的应用前景。

引言

　　库区温度直接关系到库存物资的安全与性能，目前库区温度数据的传输大多采用有线方式，存在布线难度大、材料成本高、维护检修不便等不足^[1-2]，并且数据线缆还易受雨雪、潮湿、鼠害等破坏。为克服此类弊端，本文采用nRF2401无线传输模块，结合1-Wire器件DS18B20，设计开发一款库区温度数据无线传输系统。

1 总体方案

　　系统分为上位机与下位机两大部分，二者之间的通信通过nRF2401实现，如图1所示。上位机主要包括PC机和上位单片机，其功能是负责接收下位机传送的温度数据和应用程序的运行，这一部分技术较为成熟，可借鉴的资料较多，不作为本文的重点;下位机采用51系列单片机AT89S51作为控制器，主要负责温度数据的采集、处理和传输，图1仅画出两组温度传感器和继电器，实际连接10组。本文将着重介绍其硬件电路和软件设计。

2 电路设计

　　下位机电路设计的重点是测温网络和无线传输模块的搭建，为实现多点测温，选用Dallas公司出品的DS18B20，构建一个1-Wire总线的测温网络。DS18B20是1-Wire总线的数字温度传感器，可直接将被测温度转化成串行数字信号供单片机处理，适用于恶劣环境的现场温度测量^[3-4];无线传输模块选用新型单片射频收发器件nRF2401，该器件工作于2.4 GHz～2.5 GHz ISM频段，输出功率和通信频道可通过编程进行配置^[5]，同时，nRF2401功耗低，在以-6dBm的功率发射时，工作电流仅9mA，接收信号时，工作电流也仅12.3 mA，特别适合单片机应用场合^[6-8]。

　　图2是市售nRF2401无线模块，设计上位机、下位机电路时，只需留出相应接口即可。

　　图3是设计的电路原理图，单片机P12口连接10个测温器件(图中仅画出3个)，从而构建一个小型1-Wire总线测温网络，可实现10个库区的温度测量;单片机其他口线连接有10个继电器(图中画出2个)，用来控制10个库区散热风扇的运转;无线模块nRF2401通过接口端子与单片机连接，此处注意nRF2401工作电压是3.3V，需增加电压转换芯片，为节省篇幅图中并未画出。

　　上位机接收部分的电路主要由上位单片机、无线模块接口和电平转换部分组成，这是由于nRF2401输出数据格式是TTL电平，而PC机串口是MAX232电平，为此需要增加一个电平转换电路进行匹配。

3 软件编程

　　下位机编程重点在于温度数据的采集与传送，也就是DS18B20和nRF2401的软件设计。

3.1 1-wire 总线的基本原理和操作

　　软件设计之前，首先要了解1-wire 总线的原理。1-wire总线的特点是用一条数据线同时传输时钟信号和数据，总线上每一个器件都有一个唯一的地址，包括48位的序列号、8位的家族码和8位的CRC码，主机对各器件的寻址依据这64位的ID码来进行。

　　为保证在一条数据线上实现双向通信，对DS18B20的操作必须遵循严格的读写时序[9]。以下介绍基于1-wire总线的几种典型操作，其余的1-wire总线命令都是由这些典型操作而来。

3.1.1 复位子函数

　　在复位与应答时序中，主机发出复位信号，要求1-wire器件在规定的时间内送回应答信号。

　　首先主机将总线拉低480μs，发出复位脉冲，然后产生一个上升沿的跳变，并延时60μs等待1-wire器件的应答;1-wire器件将总线拉低240μs，发出应答，主机收到应答后，再对DS18B20进行ROM命令。

3.1.2 读写操作

　　所有的读写时序至少需要60μs，在位读和位写时序中，主机要在规定的时间内读回或写出数据。

　　写时序时，主机在拉低总线15μs之内释放总线，并向1-wire器件写1;读时序时，主机发出读数据命令，产生读时序，1-wire器件随即向主机传输数据。

3.2 DS18B20的温度转换

　　DS18B20网络温度测量的步骤一般是：器件初始化、复位、ROM操作、温度转换。初始化及复位完成后，要对网络中的器件进行ROM识别，然后再读取温度数据。

3.2.1 利用二叉树遍历算法进行器件识别

　　二叉树遍历算法是搜索识别网络中1-Wire器件的编程首选，二叉树遍历算法的要点可归纳为“读2位，写1位” ^[4]。

　　首先主机向从机发出搜索命令，等待从机向主机发回当前位之后，再读从机发回当前位的反码，这两个位数据的编码存在4种可能：00、01、10和11。

　　00表示从机在当前位上有位分叉，即0和1两个分支;

　　01表示从机的当前位均为0;

　　10表示从机的当前位均为1;

　　11表示总线上无器件响应。

　　显然，出现11时搜索应退出。

　　对于前3种情况，根据搜索策略，主机向从机写1位数据，决定继续搜索哪一分支。第2和第3种情况下，搜索仅有一个方向，如果是第1种情况即出现00时，需要选择下一步搜索路径，方法是比较搜索位所在位置和最后一次发生位差异的所在位置，若二者相等，搜索1分支，若前者>后者，搜索0分支，若前者<后者，则采用上一次的搜索路径。

　　在此需要注意两点：一是网络上DS18B20发回的位数据呈“线与”关系^[10];二是DS18B20中64位ID码标记为第1—64位，而不是0—63位，空出来的0用来表示差异位位置记录的初始状态。

3.2.2 温度数据的读取

　　转换完成后的温度数据由低8位和高8位组成，且低8位在前，需将其转换为1个16位的数，高5位代表符号，低11位是温度值。11位的温度值中高7位是温度整数，低4位是温度小数，如果是负温度，则从温度寄存器读出的是补码，应将补码取反加1得到原码。

　　需要注意，单片机发出读取温度寄存器命令后，DS18B20会返回9组数据，其中第一组数据的低4位代表温度的小数值，因此温度小数部分的精度为1/16=0.0625。另外程序中应增加延时函数，确保温度转换完成。

3.3 nRF2401程序设计要点

　　温度转换完成后，由nRF2401将数据发送给上位机，并接收上位机发出的指令，实现双向通信。

3.3.1 初始化配置与数据收发

　　nRF2401初始化配置包括设置待机模式、CRC校验、收发完成后中断响应、选择射频通道、设置数据传输率和发射功率。

　　nRF2401的CE管脚为0时处于待机模式，为1时处于收发模式，收发模式有ShockBurst模式和直接模式两种，本文选择速度较快、功耗较低的ShockBurst模式。