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基于nRF905 的无线温度和湿度控制系统的设计与实现

Wentao Yang¹, Shushan Qiao², Qiangguo Song², Ziyi Liu¹, Jianhong Yang¹,*

1 兰州大学微电子研究所，兰州

2 中国科学院北京微电子研究所，中国

yangjh@lzu.edu.cn

（翻译：唐钰琦）

摘要：本文介绍了无线温度和湿度低功耗和高性能检测系统，提出了基于AT90S2313单片机（MCU），nRF905无线射频（RF）模块和DHT11温湿度检测模块。系统主要由两个模块组成：温度、湿度采集模块和接收模块。采集模块由温度湿度采集模块、AT90S2313单片机和nRF905的无线射频模块构成，接收模块包括AT90S2313单片机和nRF905的无线射频模块。该系统可广泛应用于工业和农业等领域，如温度和湿度的监测，对人类的生活和实际生产有着重要的意义。

关键词：无线通信；温度、湿度采集；nRF905˗DHT11

1. 引言

目前，实时监测的温度和湿度在工业、农业等许多领域都起着至关重要的作用。然而，传统的有线检测控制方式存在灵活性差，应用中存在着很大的局限性。随着无线通信系统的飞速发展，有线传输在许多领域中逐渐被无线传输所取代^[1]。本文设计的基于单片机控制的温湿度无线控制系统，不仅省去了设备之间的物理连接，而且降低了成本和功耗，大大提高了温湿度控制的方便性。

1. 系统的结构

无线温湿度控制系统的设计分为两个部分：温度湿度数据采集部分和接收部分，系统结构图如图1所示。经由DHT11采集的温度和湿度信号，由nRF905发送，这部分工作由AT90S2313单片机控制。按照设定的工作方式，当DHT11采集到上述信号，它将发送信号给单片机。然后，在单片机的控制下接收的数据将被通过nRF905芯片发送。AT90S2313单片机控制nRF905，使它作为接收模块，当nRF905检测一致的配置数据如工作频率和存储地址，它将接收以及保存发射模块发送的温度和湿度数据。该系统的核心部件是温湿度采集模块DHT11、低功耗8位RISC架构AT90S2313单片机和无线射频模块nRF905（挪威Nordic公司生产）。

图1、系统结构示意图

1. 硬件设计
2. DHT11模块

数字温湿度传感器DHT11是复合传感器，包含校准输出数字信号。它采用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术。该传感器由电阻式温度测量单元NTC湿度传感单元，连接到一个8位的高性能单片机，其测量范围为20-90% RH / 0至50⁰C。在设计中，当模块接收到触发信号时，它开始接收温度湿度信号，然后将其发送给主机。

1. nRF905 RF模块

nRF905^{[ 3 ]}是一个包含433 / 868 / 915MHz的ISM频段的单片无线收发器。该收发器包括一个集成的频率合成器、接收器与解调器、功率放大器、晶体振荡器和调制器。触发特征并自动处理的前导码及校验，通过SPI可以轻松地配置nRF905。电流消耗非常低，在10dBm发送模式下功率仅9mA，接收模式下12.5mA，内置省电模式下，省电很容易变现。

nRF905具有结构简单、功耗低、传输速率快，能通过廉价的单片机应用。因此，它被选为该系统的无线数据传输模块。。

1. AT90S2313单片机

这是一个基于ATMEL AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。它的工作电压可以2.7v-6.0v。它有32个通用工作寄存器，128字节的SRAM，2K字节的系统内可编程闪存，128字节的系统内可编程EEPROM和15个可编程I/O线。系统编程的SPI串行接口^{[ 4 ]}。

AT90S2313设置为本系统的主机。我们使用PB0 - PB6、PD2、PD3连接到nRF905界面，分别为：TRX_CE, PWR_UP, TX_EN, CD, AM. Dr. MISO, MOSI. SCK. CSN,用于数据通信和单片机之间的通信以及读写nRF905的SPI芯片。

1. 软件设计
2. DHT11数据采集模块

DHT11完整的数据传输是40位，高位先出。数据格式：8位湿度的十进制整数数据 数据 8位十进制位湿度温度的十进制整数数据 温度 8位十进制数据校验位。当它接收到起动信号会触发一次DHT11的温湿度采集。如果没有接收到主机的启动信号，DHT11不会自动收集数据。在收集数据后，DHT11进入低速模式，通信过程如图2所示。

图2、DHT11通信过程

1. nRF905登记结构

基于nRF905的登记的配置，系统工作在433M频段，发射功率10dBm，8位CRC校验，16M晶振和待机模式下工作。寄存器通过SPI配置如下：0x6A,0x0C,0x44,0x03,0x03,0xCC,0xCC,0xCC, 0xCC,0x58;

1. 数据采集与发送

当主机准备采集温湿度信号，它发送一个开始信号给DHT11。它得到正确的响应信号后，在接收到的数据的完整性和准确性下，主机开始读取DHT11的温度和湿度数据。主机传输由DHT11采集到的数据，接收通过SPI按时间顺序收集的数据给相应nRF905地址，同时设置TRX_CE 和TX_EN引脚为高电平并使无线模块进入触发TX模式。nRF905自动完成打开射频寄存器注册、打包数据（加前缀和CRC），发送数据包和一系列的工作。当发送过程完成后，数据准备好，DR引脚为高电平，然后TRX_CE设置为低电平，nRF905进入掉电模式。数据发送和采集的流程图如图3所示。

图3、数据发送和采集的流程图

1. 数据接收模块

当TRX_CE设置为高电平，TX_EN为低电平，nRF905进入ShockBurst RX模式，并连续监测和等待接收数据。当显示器在433M频率载波，载波检测引脚的CD设置为高电平。

当收到与设计地址匹配的地址时，该地址匹配引脚设置为高电平；当一个有效的数据包被接收时，该引脚设置为高电平。在这个时候，TRX_CE设置为低电平，nRF905进入省电模式，单片机通过SPI读取nRF905数据缓冲区中的数据。当所有的数据接收，通过nRF905 设置DR and AM引脚为低电平。然后，nRF905可以进入发送、接收，或掉电模式。

1. 结论

我们设计并完成了一个低功耗的温度湿度无线测控系统。该系统能够满足无线通信的基本要求，可以建立起晶体管和接收机之间无线通信节点的通信。该系统使用较少的外围电路，很容易实现。此外，该组件是相对低廉的，具有低功耗。

1. 致谢

本工作在IMECAS小组的无私的帮助下得以顺利完成，在这里，作者对所有参与帮助、讨论和建议的老师和同学致以诚挚的感谢。

1. 参考文献

[1] Wu Dapeng, 'Scalable video coding ad transport overbrandband wireless networks', Proc IEEE, 2001. vol.89,no.1,pp.6-20.

[2] HuDayang,“The Design of Wireless Temperature Collecting System in GreenhouseBased on nFR905”,IEEE Trans, Computer Knowledge and Technology ,Vol.6,No.26, pp.7276-7278, September 2010.

[3] Nordic VLSI ASA, “nRF905 Product Specification[S]”, Norway˖Nordic VLSI ASAˈ2005.

[4] Atmel Corporation, “AT90S2313”, ATMEL Corporation, 2002.

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