基于NRF905的无线射频监控系统.docx
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基于NRF905的无线射频监控系统
基于NRF905的无线射频监控系统
刘刚、李超、杨波
（黄石理工学院，湖北黄石，435003）
摘要：
本文旨在设计一个无线监控系统，主要是在端节点采集温度、湿度、光照强度等相关信息，然后通过nrf905无线射频模块传送相应信息到终端，在终端设置相应的控制模块，当节点采集的信息不正常的时候，终端可以通过控制模块来控制节点的相关模块。
本系统节点主要包括温湿度及光照采集模块、显示模块、时钟模块、通信模块，终端主要包括通信模块、显示模块、控制模块、报警模块。
本系统主要研究点对点之间的双向信号传递，可以广泛运用到工业、农业及家居等需要进行环境监控的场所，具有广泛的应用前景。
关键字：
无线射频通信温湿度采集光照采样DHT21STC12C5A60S2
ThemonitoringsystembasedonradiofrequencyofNRF905
LiuGang、LiChao、YangBo
（HuangshiInstituteofTechology，HuangshiHuBei，435003）
Abstract:
thispaperdesignsawirelessmonitoringsystem,mainlyinthenodecollectiontemperature,humidity,lightintensityandotherrelatedinformation,andthenthroughthenrf905wirelessrfmodulestransmitinformationrelevanttotheterminal,interminalSettingscorrespondingcontrolmodule,whennodetheinformationcollectedisnotnormal,terminalcanpasscontrolmoduletocontrolnoderelatedmodules.Thissystemmainlyincludetemperatureandhumidityandilluminationnodeacquisitionmodule,thedisplaymodule,clockmodule,communicationmodule,terminalmainlyincludescommunicationmodule,displaymodule,controlmodule,alarmmodule.Thissystemmainlystudiesthesignaltransmissionbetweentwopoints,itcanbeappliedtotheindustry,agricultureandsoontheneedformoretestingguangkuoplacewithapplicationprospect.
keyword：
radiofrequencyTemperatureandHumidityGatheringsamplingofilluminationDHT21STC12C5A60S2
一、系统方案设计
1、主控芯片
方案一：
采用传统的AT89S52单片机作为主控芯片。
此芯片价格便宜、操作简便，比较经济实惠。
但是本系统需要AD转换，外部的AD芯片不仅硬件复杂，而且价格昂贵。
方案二：
采用TI公司生产的MSP430F149系列单片机作为主控芯片。
此单片机是一款高性能的低功耗的16位单片机，具有非常强大的功能，且内置高速12位ADC。
但其价格比较昂贵，而且是TPFQ贴片封装，不利于焊接，需要PCB制板，大大增加了成本和开发周期。
方案三：
采用宏晶科技有限公司的STC12C5A60S2增强型51单片机作为主控芯片。
此芯片内置ADC和SPI总线接口，且内部时钟不分频，可达到1MPS。
而且价格适中。
考虑到此系统需要用到ADC和SPI总线，从性能和价格上综合考虑我们选择方案三，即用STC12C5A60S2作为本系统的主控芯片。
2、温湿度传感器的选择
方案一：
采用DS18B20温度传感器和HS1101湿度传感器来采集温度和湿度。
18B20和HS1101都是性能较高的传感器，但是HS1101湿度传感器为电容型传感器，要设计较复杂的硬件电路转化为频率测量,且价格相对较贵。
方案二：
采用DHT11温湿度传感器来采集温度和湿度。
DHT11是温度和湿度一体的数字传感器，采用单总线方式通信，线路简单，操作方便，其精确度为1℃和1%的湿度，适用一般的家居和农业上等对精度要求不高的场合。
方案三：
采用DHT21温湿度传感器来采集温湿度。
DHT21与DHT11接口完全兼容，但其可以达到0.1的精度，精度比较高，但其价格相对较贵。
在本系统中，我们采用了方案二的DHT11作为系统温湿度传感器，主要考虑到成本和电路的设计方便，而且，我们的测量分辨率已经精确到小数部分，所以，如果应用到对精度要求较高的场合，我们只需要把传感器改为DHT21即可，电路和系统程序不需要做任何更改，使得系统具有更好的适用性。
3、显示部分的选择
方案一：
选择主控为ST7920的带字库的LCD12864来显示信息。
12864是一款通用的液晶显示屏，能够显示多数常用的汉字及ASCII码，而且能够绘制图片，描点画线，设计成比较理想的结果。
方案二：
采用字符液晶LCD1602显示信息，1602是一款比较通用的字符液晶模块，能显示字符和数字等信息，且价格便宜，容易控制。
本系统设计到人机界面，控制菜单，考虑到需要比较人性化的操作，需要能够有直接的中文交互界面，且价格适中，我们最终选择方案一作为本系统的显示部分。
4、无线通信模块的选择
方案一：
采用GSM模块进行通信，GSM模块需要借助移动卫星或者手机卡，虽说能够远距离传输，但是其成本较大、且需要内置SIM卡，通信过程中需要收费，后期成本较高。
方案二：
采用TI公司CC2430无线通信模块，此模块采用Zigbee总线模式，传输速率可达250kbps，且内部集成高性能8051内核。
但是此模块价格较贵，且Zigbee协议相对较为复杂。
方案二：
采用NRF905无线射频模块进行通信，NRF905是一款高速低功耗的无线通信模块。
他能传输上千米的距离，而且价格较便宜、，采用SPI总线通信模式电路简单，操作方便。
考虑到系统的复杂性和程序的复杂度，我们采用方案三作为本系统的通信模块。
5、最终方案
节点方案：
图1-1节点系统方框图
图1-1节点系统方框图
终端方案：
图1-2终端系统方框图
二、系统单元电路原理图
1、节点和终端的STC12C5A60S2单片机最小系统原理图，外接12M晶振。
图2-1单片机最小系统
2、节点和终端的显示模块原理图，
图2-212864液晶显示部分原理图
3、节点和终端的通信模块原理图，通信模块用AMS1117稳压片稳压3.3V之后供电。
图2-3NRF905无线通信原理图
4、终端的按键调节控制模块，终端接六个按键，用来调节控制其温湿度上下限值，以示提醒。
图2-4按键控制图
5、节点的温湿度及光照采集模块，光照采取STC12C5A60S2内置的AD，接P10口。
温度采用DHT11传感器，其数据端接P23口。
图2-5温湿度及光照信息采集原理图
三、程序设计流程图
1、本系统采用NRF905作为节点和终端的通信工具。
nRF905有两种工作模式和节能模式。
分别是Shock—BurstTM接收模式、ShockBurstTM发送模式、关机模式和空闲模式。
工作模式由TRX_CE、TX_EN和PWR_UP不同的电平组合决定。
在进行数据通信之前，需要通过nRF905的SPI接口进行工作方式配置，包括状态寄存器、射频配置寄存器、发送地址寄存器、发送数据寄存器和接收数据寄存器。
状态寄存器包含习作和地址匹配引脚状态信息：
射频配置寄存器包含收发器配置信息，如工作频段和频率、本机地址、收发数据长度和输出功率等；发送地址寄存器包含目的地址，地址的长度由射频配置寄存器决定，最长的有4个字节：
发送数据寄存器包含待发送的数据包的信息，发送数据包的长度由射频配置寄存器决定，最多可一次发送32个字节：
接收数据寄存器包含要接收的数据信息，接收数据包的长度由射频配置寄存器决定，最多可一次接收32个字节。
本部分程序流程图如图3-1和图图3-2所示：
图3-1发射部分程序流程图图3-2接收部分程序流程图
2、本系统的另一大特色就是按键处理，传统的案按键处理一般用延时函数消抖，但是这样有一个非常大的缺点，就是延时消抖会浪费CPU而不执行其他任务，这样直接导致程序的效率及其可行性。
本系统则采用基于定时器的状态机扫描消抖，当按键消抖时，CPU则可以执行其他的任务，不仅大大提高了程序的效率及可行性，而且此方法还可以进行按键的长击、连击、无击等状态的判断。
其主要流程图如下：
图3-3按键检测部分程序流程图
四、测试方案与结果
1、测试方法与过程
本系统主要是将节点所采集到的温湿度及光照信息通过NRF905传送到终端，终端根据其值来进行相应的处理。
如果某一值超过其设置的上限值和下限值，终端就会报警以提示人们采取相应的措施。
1、测试前准备：
先给节点和终端供电，将两端所显示的温湿度及光照强度信息对照，然后调节终端的某一信息的上下限值，观察期报警效果。
2、测试结果如下：
表4-1温度数据测试结果
测试次数
1
2
3
4
5
实际温度值（℃）
19.3
20.6
22.0
19.1
24.0
节点温度值（℃）
19.0
21.0
22.0
19.0
23.0
温度测量误差（%）
1.5
2.8
0
0.5
4.3
温度上限值（℃）
35.0
35.0
35.0
18.0
35.0
温度下限值（℃）
15.0
15.0
25.0
15.0
20.0
是否报警
否
否
是
是
否
表4-2湿度数据测试结果
测试次数
1
2
3
4
5
实际湿度值（％RH）
19.4
21.8
20.0
65.2
22.0
节点湿度值（％RH）
19.0
22.0
20.0
65.0
23.0
湿度测量误差（%）
2.1
0.9
0
0.3
4.3
湿度上限值（％RH）
50.0
50.0
50.0
50.0
20.0
湿度下限值（％RH）
15.0
15.0
25.0
25.0
15.0
是否报警
否
否
是
是
是
表4-3光照数据测试结果
测试次数
1
2
3
4
5
节点光照强度值（级）
09
10
11
17
05
终端光照强度值（级）
09
10
11
17
05
光照强度上限值（级）
15
15
08
15
15
光照强度下限值（级）
05
05
05
05
10
是否报警
否
否
是
是
是
通过我们反复测量的数据可知，由于DHT11本身测量精度的问题，整个测量数据还是存在误差，这是由于DHT11的精度只能精确到1，所以导致了不可避免的误差，但是从数据我们可以知道，在室温环境下的误差相对较小，而且整个数据误差处于正常范围之内，能够达到基本的指标要求，光照部分，我们本身通过内部AD采样，自己确定的20级光照检测，没有设定标准单位，但已经可以满足要求，固没有对误差进行分析。
从整体测量数据看，我们的结果是在预期范围内的，能够实现要求。
五、本项目特点
本设计方案所做的实物，具有以下几个方面特点：
温度，湿度，光照等多路信号全面采样，无线实时监控；
自定义式环境事宜范围，用于多种不同场合，超出制定范围报警；
无线双工通信，可实时反馈；
人性化人机交互界面，操控简单。
性能指标如下：
液晶12864显示
按键可设定环境事宜范围
超出设定环境事宜范围报警提示
数据无线监控，监控范围300m左右；
可时间监控，制定时间报警；
数据多路采集：
温度误差在1℃以内，采集范围1℃—50℃；
湿度误差在1%RH以内，范围10%RH—90%RH；
光照强度二十级亮度监控，误差在1级
六、总结
本系统通过对无线通信系统的研究和传感器模块的选择，最终制定出一套比较完成的系统，能够独立完成多路数据的采样，处理，通信和监控，并提供非常人性化的人机交互界面。
本机的亮点是，我们对一般现场的多路数据进行了采集，而且实时监控，是一套比较完整的监控系统，本系统只需要稍加修改，就可以直接应用于工业、农业等需要环境监控的场所；另外一点，我们设计了非常人性化的人机界面，采用状态机模式进行按键的实时采样，可以很容易的实现短按，长按，单击和双击等多种情况，且不占用系统处理其他任务的时间，使本系统的误操作率大大降低。
当然，由于传感器的精度的限制，我们的数据只能精确到整数部分，使得系统的采样精度比较低，当然为了适应更加苛刻的场所，我们也增加了小数部分的采样，这样，在要求更高的场合中，我们只需要更换同系列的更高精度的传感器（如：
DHT21）即可。
其次，由于NRF905是基于节点的通信系统，内部有自己的地址和加密方式，很容易的可以扩张到多节点监控，实现多节点的双工通信，并应用到更广泛的领域。
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