基于射频技术的温度无线数据采集系统

基于射频技术的温度无线数据采集系统

Based on radio frequency technology temperature wireless data acquisition system

The Wireless Acquision System based Radio Frequency

摘要：温度数据的采集是各种工业控制、家电、医疗等领域常常用到的重要的数据采集。针对工业、家电等不适合传统的有线的数据采集的情况，本文提出了一种基于射频技术的无线温度采集系统，避免了有线传输所固有的高成本、周期长、收发器件数量受限制等缺点。本文给出了由AVR系列单片机ATmega8和射频芯片nF905构成基于射频技术的温度无线数据采集系统及主要的软件设计流程。实验证明，该系统能够准确、高效的对温度进行无线数据采集。

关键词：无线传输；传感器：单片机；嵌入式系统

Abstract: The temperature wireless acquision system is designed which is constructed with ATmega8 and nRF905．The specific working process is introduced；the hardware logic diagrams of wireless acquision part and wireless host computer part are shown.C computer language is used in software and the flow of nRF905 is given．In the end．the embedded wireless acquision system is realized．

Key words：wirless transmission；sensor；MCU；embedded system

嵌入式系统在很多的产业中得到了广泛的应用并逐步改变这些产业，包括家电、医疗仪器、工业控制和国防等等领域。无线通讯技术在嵌入式系统中的应用，克服了有线通信在这一领域的局限性。与有线通信相比，无线通信技术具有如下显著优点：一是传输介质采用电磁波，无需架设电缆或光纤，避免了有线传输所固有的高成本、周期长等问题：二是有线通信构成的单片机多机通信系统，总线上挂接的收发器的数量受接口IC的限制，而无线通信系统中，采用多字节地址编码，收发器的数量不受限制；三是具有电路简单、功耗低、体积小、成本低和调试方便等优点[2]。特别适用于工业数据采集系统、无线遥控系统、小型无线网络数据通信系统等[2]。基于射频技术的温度无线数据采集系统设计中运用AVR系列单片机ATmega8和射频芯片nF905设计了无线温度传感器系统。

1系统的硬件设计

基于射频技术的温度无线数据采集系统按功能分为两个部分：一是无线数据采集部分，包括数据采集模块、数据处理模块和数据传输模块；二是无线主机部分包括数据传输模块、MAX232接口芯片及主控计算机，两者通过无线数据通道联系。系统硬件结构逻辑框图如图1所示。

图1 系统硬件结构框图

基于射频技术的温度无线数据采集系统的具体工作过程：在无线数据采集部分，由数字温度传感器DS18B20负责环境温度信号采集。通过I/O口直接传送给数据处理部分；在数据处理部分，接收到的数字信号被换算成对应值，然后按照一定的协议格式进行数据打包，打包后的数据写入无线收发模块的发送缓冲区，由无线收发模块经天线完成数据的传输。无线主机部分采用标准RS232C同计算机进行串行通信；另外在数据处理部分还将处理从无线收发模块读到的数据，按照协议格式对数据进行解析，根据得到相关的指令字来进行相应处理，实现对采集端的控制。

2主要芯片选择

数据采集部分采用美国DALLAS公司生产的DS18B20芯片。DS18B20是一种数字温度传感器，每片都有全球唯一的识别号。可以轻松的组建传感器网络，大大提高了系统的抗干扰性，适合于恶劣环境的现场温度采集。温度测量范围为-55℃～+125℃，工作电压范围为3V～5.5V；可编程的9～l2位分辨率。DS18B20

芯片的管脚简单，无需任何外围硬件便可进行温度测量，与数据处理部分交换信息仅用一根I／O口线，如图2所示。

图2 DS18B20和

从成本、体积及降低功耗等各方面的考虑，数据处理部分采用AVR系列的ATmega8单片机。ATmega8单片机内嵌8K字的FLASH和1K字的SRAM，两个具有独立预分频器8 位定时器/ 计数器, 一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16 位定时器/ 计数器，具有独立振荡器的实时计数器RTC， 三通道PWM， TQFP与MLF 封装的8 路ADC，8 路10 位ADC，PDIP封装的6 路ADC，8 路10 位ADC，面向字节的两线接口，两个可编程的串行USART，可工作于主机/ 从机模式的SPI 串行接口，具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器，片内模拟比较器[1]。丰富的硬件资源完全满足了本系统的设计。ATmega8单片机与单片射频收发器RF905连接如图3所示。

图3 ATmega8与RF905的连接图

数据传输模块采用挪威Nordic VLSI公司推出的单片射频收发器nRF905，该芯片集成度高只需少量的外部器件即可使用。工作电压为1.9~3.6V，功耗非常低，以-10dBm的输出功率发射时电流只有11mA、工作于接收模式时的电流为12.5mA 、但在掉电模式下工作电流仅为2.5 A；32引脚QFN封装(5mm x 5mm)；工作于433/868/915MHz三个ISM(工业、科学和医学)频道，频道之间的转换时间小于650us；数据接口采用SPI接口，传输速率高达100kbps，ShockBurstTM 工作模式，自动处理数据头和CRC(循环冗余码校验)；支持点对点传输模式和广播传输模式；nRF905是单工工作方式，且在待机模式、接收模式、发送模式之间切换需要延时，所以在无线通讯过程中通讯软件应该有合理的时序，对于点对点通讯应该有合适的数据传输协议。[3]

nRF905的传输距离由传播损耗Los，工作频率f，外部损耗等因素决定，在理想状态下传送距离由式(1)决定：

los 33.44 20lgd 20lgf (1)

nRF 905的最大发射功率为10dBm，接收灵敏度为-100dBm，所以传播损耗为110dBm，考虑外部损耗为20 dBm，设工作频率为433MHz，由公式(1)可得出d=1700m。

3 系统的软件设计

数据的采集、无线数据的传输控制及采样数据的动态显示和存储均由软件来实现。系统软件主要由两

部分组成：上位机软件和下位机软件。上位机软件完成数据处理并提供用户接口界面，实时显示数据、控制采集的开始和结束、数据文件的输出等，使数据采集过程可视化。下位机程序包含程序初始化部分和无线通信部分[7]。

3．1 无线通信协议

由于无线通信受外界影响较大，误码率较高，因此通信中使用的通信协议的设计对保证通信的可靠性是十分重要的。本设计系统通信规则如下[6]：

(1)数据的发送使用查询方式，接收采用中断方式：

(2)数据帧包含帧首、帧尾、地址、数据以及校验部分，帧首双字节0x55AA，帧尾使用0x01结束；

(3)地址使用四字节，共32bit，保持一定的容错性：

(4)数据部分为一个字节，其中的关键控制位同时提供数据位本身及其反码；

(5)地址部分和数据部分使用二进制传送，确保协议的透明性；

(6)帧的校验部分为了保证数据可靠，使用CRC-16校验；

(7)接受方检测到连续的0x55AA字节，表示接收到有效的数据帧，否则不做任何处理：

(8)发送方在发送查询请求后，将启动监控定时器并等待接收应答，如在规定的时间内没有收到相应的数据应答，发送方将重新发送请求，并进行错误记数，以免数据丢失。如果错误记数达到一定次数，发送方停止发送请求，进入错误处理[4]。

3.2 初始化部分

初始化部分主要完成以下操作：设置CPU的频率、设置中断向量表和中断服务程序、分配输入/输出口、初始化SPI（串行外设接口）等功能[4]。

3.3 无线通信流程图

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