仓库多点无线采集系统的设计.docx
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仓库多点无线采集系统的设计
仓库多点无线采集系统的设计
【摘要】烟草仓储的过程中，仓库环境温湿度的变化和波动，都会对自然发酵的进度和卷烟质量产生很大的影响，甚至对人体造成了极大的毒害，所以如何控制好仓库环境的温湿度是极其必要的。
本设计研究如何对烟草仓库进行无线多点采集，设计利用了STC89C52单片机，结合无线模块NRF2401+进行传输温湿度、热释电信号来实现采集功能。
该系统分为主机和从机模块，从机可以把温湿度、热释电信号传输给主机，在主机上的工作人员不仅可以设置从机温湿度的上下限值而启动相应的措施来保证仓库的温湿度在安全范围内，而且可以接收从机传来的热释电信号进行防盗报警。
【关键词】无线温度湿度热释电信号防盗
【Abstract】Thechangesoftemperatureandmoisturewillchangethenaturalfermentoftobacco,whichwillaffectthequalityandevenpoisonhuman'shealth,sohowtocontrolabalancetemperatureandmoistureofthestorehouseisveryveryimportantly.ThisdesignuseMCU（STC89C52）andunitedwirelessmodule（NRF2401）tomonitortemperature-moisturesignalsandheat-release-electricitysignalsandstudythewayofwirelessmulti-pointacquisition.Thissystemisconsistsofhostandslave.Theslavetransfersthetemperature-moisturesignalsandheat-release-electricitysignalstothehost,andthentheworkerscansetthelimitationofhighestandlowesttemperatureonthehostthatcanturnonthedehumidifiers,sprinklers,andair-conditioningcoolingandheatingsysteminthewarehousewheretheslavesisin,andalsothissystemcanalarmusinganti-theftsignal.
【KeyWords】wirelesstemperaturemoistureheat-release-electricitysignalanti-theft
1绪论
近年来，不仅烟草公司的不断增加，市场竞争力越来越大，而且人们对于烟草的质量也越来越重视，因此烟草仓库环境的温湿度也得到了极大的重视
1.1浅谈烟草仓库温湿度控制系统的重要性
烟草仓库作为烟草的储存地,必须维持相对恒定的温度、湿度环境,由于库容一般都比较大,室内温湿度场比较复杂,设计一套完善的温湿度控制系统就非常必要。
烟草的“毛吸作用”很强,在高温高湿的环境里,容易吸收过量水分;而当环境温湿度降低时又将过量的水分释放出来,在表面凝结成水。
这样,就为各种微生物的繁殖提供了适宜的条件,容易造成烟草的大面积变色、变质、冲烧、霉烂及虫蛀。
同时,在干旱地区,夏季的相对湿度很低,外界环境甚至≤15%,造成烟叶燥碎率很高,损耗增加,色泽及味道均有不同程度的劣化,致使卷烟质量下降,有的烟草企业每年仅烟叶燥碎造成的损失就高达百万元。
而且仓库的温湿环境品质直接影响烟叶的自然醇化效果,而烟草醇化效果则决定了卷烟制成品的品质。
因此通过控制烟叶存放环境的温湿度,为烟草存放提供适宜的环境条件,避免因湿度过大造成霉变,或因湿度过低、温度过高造成燥碎而形成经济损失;同时适宜的条件有利于提高自然醇化质量,提高制成品内在品质,对增强卷烟的市场竞争力十分有利【1】。
1.2目前烟草仓库温湿度控制的现状与发展前景
为了达到保证卷烟质量防止劣化的目的，目前仓库温湿度调节有以下几种方法：
（1）通风降温降湿：
通风降温降湿是在掌握第一手资料后，也就是说当库外的温度.湿度低于库内时可敞开门窗通风驱热降温。
通风条件差的可利用排风扇：
鼓风机强制通风降温。
此种情况方法应根据库外的天气变化规律恰到好处即可。
（2）密封隔潮土法吸潮：
在高湿季节，库外的湿度往往高于库内，在卷烟人库时最好只打开一个门，其它门窗关闭密封，尽量少开或不开，以减少潮气冲入，在库内可以采用氧化钙.石灰.木炭吸潮.但必须注意防止污染卷烟。
（3）窗外遮阳隔热：
太阳辐射是通过墙体.门窗把热量传到库内，是库内温度升高的主要热源，根据这一现象，可在门窗外加遮阳物品，如门帘.窗帘.遮阳棚等以减少太阳辐射的热量进入库内。
对于以上的几种调节方法，获得准确的库内温湿度和库外温湿度以及气象资料便是必不可少的第一手资料，由于各种原因使得以上几种方法难于实施于大型公司，无线温湿度采集系统成了今后仓库不可缺少的控制系统【2】。
本论文的主要内容
本课题研究的RFID数据传输控制系统，针对的是2.4GHz-2.5GHzISM频段的有源射频技术【3】，设计了一款基于nRF2401射频收发芯片的有源RFID的多点无线采集系统。
该数据传输系统由一台主机和两台从机构成，两台从机可以读取温湿度与热释电信号并显示温湿度，通过无线模块可以发送温湿度与热释电信号让主机接收并显示，主机可以设定两台从机温湿度的上限值与下限值，发送给从机，控制从机采取相应的措施（除湿机、洒水机、空调制冷制热），主要应用于菜棚.烟草仓库温湿度采集等场所。
本论文的第一部分是NRF2401无线模块简介；第二部分是本课程的设计方案；第三部分是多点无线温湿度采集系统的硬件设计；第四部分是多点无线温湿度采集系统的软件设计；第五部分是多点无线温湿度采集系统的实物展示。
2NRF24L01无线模块的简介
NRF2401无线模块是目前最常用的无线模块，该模块性价比高.使用简单，深受初学者的喜爱，该章简单介绍了该模块的主要知识点。
2.1NRF24L01引脚配置
通过配置寄存器可将nRF24L01配置为发射、接收、空闲及掉电四种工作模式，如表3.1所示。
表3.1nRF24L01工作模式
模式
PWR_UP
PRIM_RX
CE
FIFO寄存器状态
接收模式
1
1
1
-
发射模式
1
0
1
数据在TX FIFO 寄存器中
发射模式
1
0
1→0
停留在发送模式，直至数据发送完
待机模式2
1
0
1
TX_FIFO为空
待机模式1
1
-
0
无数据传输
掉电
0
-
-
-
待机模式1主要用于降低电流损耗，在该模式下晶体振荡器仍然是工作的；待机模式2则是在当FIFO寄存器为空且CE=1时进入此模式；待机模式下，所有配置字仍然保留。
在掉电模式下电流损耗最小，同时nRF24L01也不工作，但其所有配置寄存器的值仍然保留【5】。
2.2工作原理
发射数据时，首先将nRF24L01配置为发射模式：
接着把接收节点地址TX_ADDR和有效数据TX_PLD按照时序由SPI口写入nRF24L01缓存区，TX_PLD必须在CSN为低时连续写入，而TX_ADDR在发射时写入一次即可，然后CE置为高电平并保持至少10μs，延迟130μs后发射数据;若自动应答开启，那么nRF24L01在发射数据后立即进入接收模式，接收应答信号（自动应答接收地址应该与接收节点地址TX_ADDR一致）。
如果收到应答，则认为此次通信成功，TX_DS置高，同时TX_PLD从TX FIFO中清除;若未收到应答，则自动重新发射该数据（自动重发已开启），若重发次数（ARC）达到上限，MAX_RT置高，TX FIFO中数据保留以便在次重发;MAX_RT或TX_DS置高时，使IRQ变低，产生中断，通知MCU。
最后发射成功时,若CE为低则nRF24L01进入空闲模式1;若发送堆栈中有数据且CE为高，则进入下一次发射;若发送堆栈中无数据且CE为高，则进入空闲模式2。
接收数据时,首先将nRF24L01配置为接收模式，接着延迟130μs进入接收状态等待数据的到来。
当接收方检测到有效的地址和CRC时，就将数据包存储在RX FIFO中，同时中断标志位RX_DR置高，IRQ变低，产生中断，通知MCU去取数据。
若此时自动应答开启，接收方则同时进入发射状态回传应答信号。
最后接收成功时，若CE变低，则nRF24L01进入空闲模式1。
在写寄存器之前一定要进入待机模式或掉电模式。
表3.2常用配置寄存器
地址（H）
寄存器名称
功能
00
CONFIG
设置24L01工作模式
01
EN_AA
设置接收通道及自动应答
02
EN_RXADDR
使能接收通道地址
03
SETUP_AW
设置地址宽度
04
SETUP_RETR
设置自动重发数据时间和次数
07
STATUS
状态寄存器，用来判定工作状态
0A~0F
RX_ADDR_P0~P5
设置接收通道地址
10
TX_ADDR
设置接收接点地址
11~16
RX_PW_P0~P5
设置接收通道的有效数据宽度
2.3射频数据包
无论是直接收发模式还是ShockBurstTM模式，其发射或接收的数据包均由四部组成，分别为字头、地址、有效数据和CRC校验码,如下图3.6所示。
图3.6发射或接收的数据包
字头置于通信信号最前端，标志着通信信号开始。
该字头有两种形式存在；01010101和10101010。
字头形式由地址码的第一位决定，若地址码第一位为0，字头则为01010101,反之亦然。
地址宽度可以是3、4或5字节宽度。
数据宽度可设置为1—32字节。
CRC校验是可选的，可设置为0—2字节宽度。
3本课题的设计方案
该章节主要介绍了本论文的总体系统以及各个模块方案的选择，通过了这章节的概述与比较，更加优化了设计的方案。
3.1本课题的总体方案
根据第一章的要求，可以分为几大模块：
在主机上，有键盘模块，中央处理器，显示模块，无线模块，电源模块，如下图3.1.1所示。
在从机上，有人体感应模块.温湿度模块，中央处理器，显示模块，无线模块，电源模块，如下图3.1.2所示。
3.2无线模块方案
本设计中，由于有线的数据传输局限性太大，在遇到特殊的应用环境都将布线工程有极强的制约力，如果系统需要增加新的设备也非常麻烦，所以用无线模块来进行传输数据，来代替有线的数据传输，有以下两种选择方案。
方案一：
采用一种新型的单片无线收发数传MODEM模块PTR2000，该器件为超小型模块器件，具有超低功耗、高速率（19.2Kbps）无线收发数据传输功能。
因其编程时对工作模式和工作频道的选择要求太高。
方案二：
采用NRF24L01单片机，最高工作速率可达2Mbps，具有高效GFSK调制，抗干扰能力强，有125频道，可以满足多点通信和跳频通信需要，内置硬件CRC检错和点对多点通信地址控制，低功耗，模块可软件设地址，只有收到本机地址时才会输出数据（提供中断指示），可直接接各种单片机使用，软件编程非常方便，内置专门稳压电路，使用各种电源包括DC/DC开关电源均有很好的通信效果，NRF24L01SE配外置天线，无阻挡传输距离50-100米，NRF24L01B配PCB内置天线，无阻挡传输距离20-50米。
通过上述各优点的比较，能够符合本设计要求，而且易于实现的只要方案二，因此采用方案二。
3.3CPU主控制模块方案
中央处理单元（CenterProcessUnit）指具有运算器和控制器功能的大规模集成电路，简称CPU或微处理器，微处理器在微机中起着最重要的作用，是微机的心脏，构成了系统的控制中心，对各部件进行统一协调和控制，有如下两种方案选择：
方案一:
采用STM32嵌入式
STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARMCorter-M3内核。
按性能分成两个不同的系列：
STM32F103“增强型”系列和STM32F101“基本型”系列。
增强型系列时钟频率达到72MHz，是同类产品中性能最高的产品；基本型时钟频率为36MHz，以16位产品的价格得到比16位产品大幅提升的性能，是16位产品用户的最佳选择。
两个系列都内置32K到128K的闪存，不同的是SRAM的最大容量和外设接口的组合。
时钟频率72MHz时，从闪存执行代码，STM32功耗36mA，是32位市场上功耗最低的产品，相当于0.5mA/MHz。
方案二：
采用STC89C52单片机
STC89C52单片机，它以经典的8031为内核，有一个8位的微处理器，不仅可以处理字节数据，还支持位操作，片内拥有8KB的FlashROM程序存储器，256BRAM的数据存储器，中断系统拥有6个中断源，分两级优先权，一个串行口，4个8位并行IO口：
P0、P1、P2、P3，具有很强的运算、控制能力，而且与其他单片机相比具有很强的稳定性，价格低，性价比高。
综上所述，根据本毕设的要求，考虑了功能.性价比等因素，选用了STC89C52单片机。
3.4温湿度传感器选择方案
在本次设计中，需要读取仓库环境的温湿度数值，温湿度传感器是指能够将温度量和湿度量转换成容易被测量出来的电信号的传感器，在选择何种温湿度传感器器型号时，需要考虑测量范围.漂和温漂等因素，方案论证如下：
方案一：
DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准熟悉信号输出的温湿度复合传感器，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。
传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。
因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。
每个DHT11传感器都在即为精确的湿度校验室中进行校准。
校准系数以程序的形式存在OTP内存中，传感器内部在检测型号的处理过程中要调用这些校准系数。
单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。
超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为给类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选择。
产品为4针单排引脚封装，连接方便.
方案二：
采用热电阻温度传感器。
热电阻是利用导体的电阻随温度变化的特性制成的测温元件。
现应用较多的有铂、铜、镍等热电阻。
其主要的特点为精度高、测量范围大、便于远距离测量。
铂的物理、化学性能极稳定，耐氧化能力强，易提纯，复制性好，工业性好，电阻率较高，因此，铂电阻用于工业检测中高精密测温和温度标准。
缺点是价格贵，温度系数小，受到磁场影响大，在还原介质中易被玷污变脆。
按IEC标准测温范围-200～650℃，XX电阻比W（100）=1.3850时，R0为100Ω和10Ω，其允许的测量误差A级为±（0.15℃+0.002|t|），B级为±（0.3℃+0.005|t|）。
铜电阻的温度系数比铂电阻大，价格低，也易于提纯和加工；但其电阻率小，在腐蚀性介质中使用稳定性差。
在工业中用于-50～180℃测温。
通过了以上的比较和设计的要求，选择了方案一。
3.5电源方案
单片机STC89C52与无线收发模块nRF24L01连接时，由于STC89C52工作电压为5V，而nRF24L01工作电压为3V左右，因而要在两个芯片之间加上电压转换电路。
方案论证如下：
方案一：
采用电位计进行分压根据电阻串联原理
（1．2）
在公式1.2中，Ui为单片机输出电压，Uo为分得电压，即nRF24L01的输入电压。
通过调节电位计，使Uo=3.3V，以此达到电平转换的作用。
采用电位计通过分压来进行电平转换，虽说在理论上能够进行电平转换，但是在实践操作中，却存在着很大问题，主要体现在：
人为影响太大。
每次实验前都需检测与调节Uo是否在nRF24L01的工作范围内，以防止nRF24L01被过高的电压烧坏，整个电平转换电路不够稳定。
方案二：
采用稳压模块LM1117
LM1117它只有三个引脚，外接电路简单，只需要两个电容，就能够输出稳定的3.3V电压，为nRF24L01提供3.3V工作电源。
在下图3.5.1中，引脚1接5V电压，引脚3接地，引脚2便输出3.3V电压，来作为nRF24L01的工作电压，如表3.5.2所示。
31
2
图3.5.1LM1117引脚分配图
表3.5.2LM1117引脚功能
引脚
名称
功能描述
1
VCC
输入端
2
Vout
输出端
3
GND
地线
综上所述，根据实验要求并比较以上两种方案，采用稳压模块LM1117电路简单易行，稳定性强，可实现电压转换。
因而选用第二种方案。
3.6显示方案
本设计中，在从机上需要把温湿度的数值传输到显示器上进行显示，在主机上显示从机无线发射过来的温湿度数值，所以必须在CPU上外接一个显示外围电路，本设计有如下两种方案选择：
方案一：
单片机扫描键盘得到功率预置值，通过IOB高8位接口控制选定数码管，IOB低8位接口控制数码管显示，将该值送到LED显示器中显示。
其硬件原理如图3所示。
此方案设备体积大，功耗大，因此
不采用此方案。
图3LED硬件原理图
方案二：
用1602液晶显示器显示，该液晶是要一种5X7点阵图形来显示字符的液晶显示器，根据显示的容量可以分为1行16个字.2行16个字.2行20个字等等，选用1602液晶，具有体积小、质量轻、功耗低等优点，因此采用此方案。
3.7数据包处理方式选择
在无线模块NRF2401中，有ShockBurstTM和增强型ShockBurstTM两种模式，下面分别对这两种模式进行介绍
方案一.ShockBurstTM模式：
ShockBurstTM模式下NRF2401可以与成本较低的低速MCU相连。
高速信号处理是由芯片内部的射频协议处理的，NRF2401提供SPI接口，数据率取决于单片机本身接口速度。
ShockBurstTM模式通过允许与单片机低速通信而无线部分高速通信，减小了通信的平均消耗电流。
在ShockBurst接收模式下，当接收到有效的地址和数据时IRQ通知MCU，随后MCU可将接收到的数据从RX_FIFO寄存器中读出。
在ShockBurst发送模式下，NRF2401自动生成前导码及CRC校验，数据发送完毕后IRQ通知MCU。
减少了MCU的查询时间，也就意味着减少了MCU的工作量同时减少了软件的开发时间。
NRF2401内部有三个不同的RX_FIFO寄存器（6个通道共享此寄存器）和三个不同的TX_FIFO寄存器。
在掉电模式下、待机模式下和数据传输的过程中MCU可以随时访问FIFO寄存器。
这就允许SPI接口可以以低速进行数据传送，并且可以应用于MCU硬件上没有SPI接口的情况下。
方案二：
增强型ShockBurstTM
增强型ShockBurstTM模式可以使得双向链接协议执行起来更为容易、有效。
典型的双向链接为：
发送方要求终端设备在接收到数据后有应答信号，以便于发送方检测有无数据丢失。
一旦数据丢失，则通过重新发送功能将丢失的数据恢复。
增强型的ShockBurstTM模式可以同时控制应答及重发功能而无需增加MCU的工作量。
综上所述的比较，选择方案二。
本章小结
本章主要讲解了本设计的总体方案，并且分别介绍了无线模块.中央处理器.温湿度传感器等的选择方案。
4多点无线温湿度采集系统的硬件设计
根据前面几章的介绍与方案的选择，有了如下的系统结构，该章介绍了总体的硬件结构以及各个模块的作用与功能，
4.1硬件系统结构
本系统应用nRF2401射频收发模块设计的多点无线控制系统,充分发挥了射频芯片高集成度、低功耗、工作频率稳定、无需曼彻斯特编码和底层通信协议设计、设计简洁等优点,大大降低了设计成本,缩短了开发周期,可扩展性好。
RFID系统的硬件设计框图如图4.1.1与图4.1.2所示.
本系统主要分为射频接口，传感器和液晶显示三大部分,射频接口即为nRF2401射频模块（包含外围元件及天线）,控制系统即为微控制器（MCU），本系统设计中主机和从机的微控制器（MCU）均采用低电压、微功耗、高性能单片机STC89C52RC,该单片机可采用C语言开发,内含256字节的随机存取数据存储器RAM,可以将驱动及控制nRF2401的程序写入该闪存,无需外接EPROM而简化了电路设计降低了系统功耗;STC微控制器内置看门狗定时器,可有效避免程序跑飞,使系统抗干扰性大大增强。
4.2.最小系统模块
此模块由STC89C52单片机、时钟电路.复位电路组成，如下图4.3.1所示，时钟电路采用内部时钟利用单片机内部一个高增益的反向放大器，把一个晶振和两个电容器组成的自激振荡电路接到XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）之间。
振荡器发出的脉冲直接送入内部时钟电路。
本最小系统中晶振采用12M，起振电容采用30pF。
CPU第9管脚有复位（RST）功能，本设计具有上电复位功能。
在单片机最小系统上电时，利用R1和C3充放电原理，从外部给RST脚2个机器周期以上的高电平，以达到实现的单片机最小系统的复位。
此模块应用在主机以及两个从机上。
图4.3.1最小系统
4.3电源模块
此部分由芯片LM1117-3.3V三端稳压管及滤波电容组成，为无线模块NRF2401提供3.3V直流电源，用大电容滤低频，小电容滤高频，所以选择了10uF滤低频.104电容滤高频，如下图4.3.1所示，此模块应用在主机以及两个从机上。
图4.3.1电源模块
4.4NRF2401模块
该模块有NRF2401芯片以及外围电路（电容.电阻.电感.晶振.天线等），该部分的每个与单片机相连的管脚都要加2K的限流电阻，如下图4.4.1所示，此模块应用在主机以及两个从机上。
图4.4.1NRF2401无线模块
4.5采集模块
4.5.1热释电采集模块
该部分由热释电传感器以及LM339电压比较器组成，由于热释电传感器传输过来的信号高电平只有1.2V左右，所以比较经过电压比较器后再进入单片机I0口，如下图4.5.1所示。
此模块应用在两个从机上。
图4.5.1热释电模块
4.5.2温湿度传感器模块
1脚为电源5V接入线，2脚为串行数据线，经过10K上拉电阻后进入单片机，3脚悬空，4脚接地。
通过此方式可以采集到温湿度，如下图4.5.2所示。
此模块应用在两个从机上。
图4.5.2温湿度模块
4.6LCD显示模块
此模块为1602液晶显示模块，1脚金额地，2脚接5V电源，第3脚：
V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度，第4脚：
RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。
第5脚为R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作，当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据，第6脚：
E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令，第7～
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