２０１３拄 仪表技术与传感器 ２０１３ 第１１期 Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ Ｓｅｎｓｏｒ Ｎｏ．１１ 基于ｎＲＦ２４Ｌ０１无线网络节点的硬件设计 李泽坤，叶水生 （南昌航空大学信息工程学院，江西南昌３３０ｏ６３） 摘要：针对传统监测系统存在局限性的问题，设计以低功耗ＡＴｍｅｇａ１６Ｌ单片机为控制核心，利用温度传感器ＤＳ１８Ｂ２０ 进行温度信号的采集，结合无线传输模块ｎＲＦ２４Ｌ０１对数据进行无线传输的温度监测系统。详细阐述了网络节点的硬件 结构设计。设计常用数字、模拟采集及功率输出接口，极大地拓展了应用场合。实验表明：系统传输距离远、功耗低、可靠 性高，适用范围广。 关键词：温度传感器；ｎＲＦ２４Ｌ０１；ＡＴｍｅｇａｌ６Ｌ；数字模拟接１３３＇；功率输出接口 中图分类号：ＴＰ＇２１６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２—１８４１（２０１３）１１—００９５—０３ Ｈａｒｄｗａｒｅ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｎｏｄｅ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｎＲＦ２４Ｌ０１ ＬＩ Ｚｅ—ｋｕｎ．ＹＥ Ｓｈｕｉ—ｓｈｅｎｇ （Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｃｈａｎｇ Ａｖｉａｔｉｏｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｃｈａｎｇ ３３００６３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｓｈｏｒｔｃｏｍｉｎｇｓ ｉｎ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍｏｎｉ— ｔｏｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｌｏｗ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ＡＴｍｅｇａｌ６Ｌ ｓｉｎｇｌｅ—ｃｈｉｐ ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｓ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｏｒｅ，ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒ ＤＳ１８Ｂ２０ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｉｇｎａｌ ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ，ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｍｏｄｕｌｅ ｎＲＦ２４Ｉ＿Ｄ１ ｔｈｅ ｄａｔａ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｔｒａｎｓｍｉｓ— ｓｉｏｎ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｅｌａｂｏｒａｔｅｄ ｏｎ ｎｅｔｗｏｒｋ ｎｏｄｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎ．Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｃｏｍｍｏｎｌｙ ｕｓｅｄ ｄｉｇｉｔａｌ，ａｎａｌｏｇ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｏｗｅｒ ｏｕｔｐｕｔ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ，ｇｒｅａｔｌｙ ｅｘｐａｎｄ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｄｉｓｔａｎｃｅ，ｌｏｗ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎ— ｓｕｍｐｔｉｏｎ，ｈｉｇｈ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，ａｎｄ ｕｓｅｄ ｗｉｄｅｌｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ；ｎＲＦ２４Ｌ０１；ＡＴｍｅｇａｌ６Ｌ；ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ；ｐｏｗｅｒ ｏｕｔｐｕｔ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ０引言 使整个网络完全工作于无线方式下，节点利用电池供电，每个 传统的环境监测系统，通常通过有线通信方式ＲＳ４８５、ＣＡＮ 从机拥有唯一的地址，地址由１６位ＩＤ地址配置模块完成，共 总线等传输监测数据。有线方式在现场组网应用中布线困难 可以设置６５ ５３６个不同从几号，即最大支持６５ ５３６个从机。主 繁琐、费用高、出现故障时不易排查，越来越不能满足现代工业 机根据节点分好的地址与每个节点通讯，从而完成节点温度数 快速发展的需求。而无线数据传输方式具有不用布线、实时性 据的采集和控制命令的传输。 高、可灵活布置等优点，适用于工农业监控系统。无线方式可 通过ＧＰＲＳ、ＣＤＭＡ等远距离无线传输，这些方式数据传输稳定 可靠，但是成本过高。３１５ ＭＨｚ无线方式组网可减少布线，但 ３１５ ＭＨｚ通信方式带宽窄且容易受干扰。２．４ ＧＨｚ通信速率高 且可通过跳频方式减少相互之间的干扰。为此，文中讨论采用 工业级内置硬件链路层协议的低成本ｎＲＦ２４Ｌ０１ 无线自组网。 该方案简化了现场布线，降低了成本，方便了系统的维护。 １ 系统总体方案设计 整个系统如图１所示，主要由多个自给供电的网络节点、１ 个网络协调器、１个主机构成。节点分布于需要监测 的各监 测点上，由大量分布式的微型监测节点组成的传感网络 Ｊ，用 厂 户可以对有需要的环境进行不问断的高精度数据采集与监控。 主机控制整个系统的运行，通过协调器发送控制命令，节点收 ｌ 到命令进行处理分析，然后通过传感器采集信息，节点的 ｎＲＦ２４Ｌ０１无线传输模块把采集到的数据发送给主机。主机可 图１系统总体结构图 通过触摸屏设置单个节点的配置信息，如报警阀值，也可通过 ２系统硬件设计 实时时钟同步监测信息，保证采集信息的实时性和有效性。为 ２．１节点硬件设计 基金项目：国家自然科学基金项目（４１１０１４２６） 节点采集周围环境温度 数据，并将数据发送给主机，当 收稿日期：２０１２—１１—１６收修改稿日期：２０１３—０６—２５ 与主机失去通信的时候，ＳＤ卡暂时存储采集的数据，等通信连 Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ Ｓｅｎｓｏｒ ＮＯＶ．２０１３ 接上冉将存储的数据发送给主机。各节点自带常用数字、模拟 采集及继电器输出接口，配合主机的控制，极大地拓展了应用 ＡＡ电池供电。 ２．１．４ ｎＲＦ２４Ｌ０１无线收发模块 场合。每个节点均可自动配置作为中继器使用，方便传输距离 的延长和组网，即节点ａ搜索有无其他和主机通讯不上的ｂ信 息，有就转发给主机。节点采用模块化设计，主要由传感器模 块、ｎＲＦ２４１／３１无线收发模块、电量检测模块、配置存储模块、数 字／模拟量采集、ｓＤ存储模块、稳压电源／电池模块、配置存储、 ＡＴｍｅｇａｌ６Ｌ处理器模块、１６位ＩＤ地址配置、继电器输出模块等 组成。图２为从机系统总体框图。 图２从机系统总体框图 ２．１．１ 处理器模块 一 处理器模块是从机的核心部分，负责控制整个从机处理操 作、协议处理、同步定位、功耗管理、任务管理等。处理器自身 具有Ａ／Ｄ功能，从传感器模块接收的模拟信号可以直接送到 ＡＶＲ单片机进行模数转换，且功耗低。系统处理器模块采用 ＡＴｍｅｇａｌ６Ｌ的ＡＶＲ单片机和外围电路组成，完成整个系统的 信息处理和协调控制。ＡＴｍｅｇａｌ６Ｌ具有高性能、低功耗的８位 ＡＶＲ微处理器，３２个８位通用工作寄存器，１６ Ｋ字节的系统内 可编程Ｆｌａｓｈ，１ Ｋ字节的片内ＳＲＡＭ，５１２字节的ＥＥＰＲＯＭ，８路 １０位ＡＩ）Ｃ．ＡＴｍｅｇａｌ６Ｌ的ＡＶＲ系列微控制器将大量外围模块 整合到片内，适合歼发低功耗高性能的系统。 ２．１．２传感器模块 传感器模块负责监测区域内的信息的采集和数据转换。 根据系统要求，需要检测温度信息。温度传感器的种类有模拟 和数字两大类。如温度传感器ＡＤ５９０，采集到的是模拟量，需 要使用ＡＤ转换，成本高。而单线数字温度传感器ＤＳ１８Ｂ２０ 实现简单，测量温度范围宽、精度高。因此，设计传感器模块采 温度传感器ＤＳ１８Ｂ２０。ＤＳ１８Ｂ２０是单总线数字１－Ｗｉｒｅ温度 传感器，可把温度信号直接转换成串行数字信号供单片机处 理，数据端ＤＱ可通过４．７ ｋＱ的上拉电阻接单片机。 ２．１．３稳压电路模块／电源管理模块 单片机供电电压为５ Ｖ，而ｎＲＦ２４Ｌ０１无线模块最大工作电 压是３．６ Ｖ，为避免单片机电压过高烧坏无线模块，设计了稳压 电路模块，产生电路所需的５ Ｖ和３．３ Ｖ电压。电池的种类很 多，电池储能大小与形状、活动离子的扩散速度、电极材料的选 择等因素有关。从机节点电池一般不易更换，所以选择电池非 常重要，稳压电路模块的效率也至关重要。设计采用２节５号 ｎＲＦ２４Ｌ０１是ＳＰＩ接口器件，与单片机的接口电路如图３所 示。用于无线数据传输，收发采集数据，节点自组网与主机通 信。ＣＥ是模式控制接ＶＩ，ＣＳＮ为片选（低电平有效），ＳＣＫ为 ＳＰＩ时钟控制线，ＭＯＳＩ为主出从人数据线，ＭＩＳＯ为主人从出数 据线，ＩＲＱ是中断信号。 Ｉ ｎＲＦ２４Ｌ０１模块 图３无线传输模块 ｎＲＦ２４ＬＯ１无线模块是一款高性能２．４Ｇ无线收发模块， ＧＦＳＫ调制，使用内置ＰＣＢ天线，开阔地１ Ｍｂｉｔ／ｓ速率下，收发 １０个字节的数据量测试距离最远约７０ ｉｎ．工作在２ ４００～２ ４８３ ＭＩｔｚ的国际通用ＩＳＭ频段，共１２５个工作频道。支持２Ｍ的高 速数据传输。内置硬件ＣＲＣ检错和点对多点通信地址控制，数 据包传输错误计数器及载波检测功能可用于跳频设置；可同时 设置６路接收通道地址，可选择性地打开接收通道；自动存储 未收到的应答信号的数据包。集成了所有与ＲＦ协议相关的高 速信号处理部分，如自动重发功能，自动检查和重发丢失的数 据包，重发时间及重发次数可软件控制；自动应答功能，在收到 有效数据后，模块自动发送应答信号，无须另行编程；自动产生 应答信号等。 ２．１．５数字／模拟量采集模块 如图４所示，数字量采集模块是隔离数字信号采集，可让 节点采集外部数字量，发送给主机；模拟量采集模块是模拟信 号采集，节点采集外部模拟量，发送给主机。配合主机的控制， 既可采集模拟量，也可采集数字量，极大地拓展了应用场合。 图４数字／模拟量采集 ２．１．６存储模块 存储模块负责存储采集到的数据信息，当节点和主机通讯 不上时，可将数据缓存于ｓＤ卡，待通讯上时再传输给主机，保证 第１１期 李泽坤等：基于ｎＲＦ２４Ｌ０１无线网络节点的硬件设计 ２．１．１０继电器输出模块 数据采集不丢失，采用ＳＤ卡存储，容量大小可根据需要选择。 ２．１．７ １６位ＩＤ地址配置模块 继电器输出模块主要用于数字量输出，可供节点控制一些 使用２个８×２和２个８×１的接线器，用跳线帽短路设置 大功率外部设备，使得监测系统应用场合多能化，控制命令来 自主机脚本程序的导入，如图８所示。 ｖ ３．３ 从机ＩＤ号，给主机区分是哪个节点传感，共可以设置６５ ５３６个 不同节点号，即最大支持６５ ５３６个节点系统。１６位ＩＤ地址配 置模块如图５所示。 Ｐｌ２ ｌ １ ９ ２ ２ １０ ３ ３ ｌｌ ４ ４ １２ ５ ５ １３ ６ ６ １４ ７ ７ ｌ５ ８ ８ １６ ３Ｈｅａｄｅｒ ８ ．３ ￡ 墨 １ ｌ ９ ２ ２ ｌ０ ３ ３ ｌｌ ４ ４ ｌ２ ５ ｌ３ ６ ６ １４ ７ １５ ８ ８ １６ ８ 图５ １６位ＩＩ）地址配置模块 ２．１．８锂电池充电管理模块 给锂电池充电的管理芯片，ＭＡＸ１５５５用它可实现充电管 理。充电模块如图６所示。 Ｔ 图６锂电池充电管理模块 ＭＡＸ１５５５通过ＵＳＢ和ＡＣ适配器电源为锂电池充电。不 需要外部ＦＥＴ或二极管，可以接受最高７ Ｖ的输入电压。 ＭＡＸ１５５５具有ＣＨＧ输出，用来指示充电状态。 当连接到ＵＳＢ口，无ＤＣ电源时，充电电流被设定为１００ ｍＡ（最大值）。这样在不需要端口通信的情况下，就允许从供电 的或未供电的ＵＳＢ口充电。当ＤＣ电源接通后，充电电流被设定 为２８０ ｒｎＡ（典型值）。无需输入屏蔽二极管来防止电池漏电。 ２．１．９配置存储模块 可存储ＩＤ号身份识别信息，使用ＤＩＰ一８封装，采用Ｉ Ｃ总 线ＣＡＴ２４Ｃ０２存储芯片，实现断电数据不丢失，可长期存储信 息，可重新擦写上百万次。方便从一个从机的参数快速插到另 外一个从机上工作。ＷＰ写保护引脚，接地进行读写操作。ＳＣＬ 串行时钟引脚，用于输入时钟。ＳＤＡ串行数据输入输出引脚， 用来输入输出数据，该引脚为射极开路输出，需接上拉电阻。 配置存储模块如图７所示。 ｖ一３３ 图７配置存储模块 ： 图８继电器输出模块 ２．１．１１电量检测模块 电池电压ＡＤＣ采集，当电池低电量时启用充电功能；低电压 中断检测，用于掉电瞬间将参数写入配置存储，如图９所示。 图９电量检测模块 ２．２协调器硬件设计 协调器主要功能是与所有节点通信，接收节点采集的数 据，通过串口将接收的数据发送给主机，是节点与主机通信的 纽带。取下协调器后，主机能直接连ＰＣ，增加适用性。当与主 机失去通信时，ｓＤ卡存储接收的数据，等通信连接上再将数据 通过串口发送给主机。协调器与节点设计差不多，只是少了传 感器模块和ｌ６位ＩＤ地址配置模块。主要由ＡＴｍｅｇａｌ６Ｌ处理 器模块、稳压电源／电池模块、ＳＤ存储模块、无线通讯模块、配 置存储模块组成。 ３结束语 介绍了基于ｎＲＦ２４Ｌ０１的无线温度网络节点硬件平台设计 方案，为提高系统的应用范围，节点自带了常用数字、模拟采集 及继电器输出接口，配合主机的控制，极大地拓展了应用场合。 增加了电量检测和充电模块，保证系统的正常不断电运行使 用。并使用ＳＤ卡存储，防止通讯掉线数据丢失。每个节点可 自动配置作为中继器使用，方便传输距离的延长和组网。 参考文献： ［１］ 李栋，秦宁宁，徐保国．基于无线传感器网络的嵌入式温室监控系 统．仪表技术与传感器，２００９（５）：４Ｏ一４１． ［２］ 王文成，常发亮．温室大棚温湿度无线测控系统．仪表技术与传感 器，２０１１（３）：９９—１０３． ［３］ 张强，杨涛．用于环境监测的自供电传感器网络．仪表技术与传感 器，２００８（２）：３４—３６． 作者简介：李泽坤（１９８６一），硕士研究生，研究方向为嵌入式系统。 Ｅ—ｍａｉｌ：ｌｉｚｅｋｕｎ＠ｑｑ．ｃｏｍ