多路无线温度采集系统设计

【摘要】本文设计了一种基于无线传输的多路温度采集系统。无线传输模块为nRF24L01，体积小，速率高。传感器采用单总线的高精度数字式温度传感器DS18B20，使多点温度测量电路变得简单、可靠。该系统可广泛应用于工业控制、仪器、仪表、机电一体化、智能家居等诸多领域。

【关键词】多通道;无线传输;数据采集;单片机

引言

温度采集系统可被广泛应用于温度测量或相应的可转换为温度量或供电故障监控的工业、农业、环保、服务业、安全监控等工程中[1]。但在众多应用领域中，数据传输容易受到传输介质的限制，因此本文设计了一种基于无线传输的多路温度采集系统，对工业控制、仪器仪表、机电一体化、智能家居等诸多领域具有很高的实用价值。

1.设计方案

系统结构如图1所示。系统主要由两个部分组成，采集机与主控机，一台主控机可搭载多台采集机。采集机采用51单片机作为主控器，一方面通过温度传感器实时采集数据，另一方面通过无线传输模块与主控机交换数据。主控机同样采用51单片机作为主控制器，其主要功能是向采集机发送命令，接收采集机传输的数据并重新组帧成上传到PC机。

图1 多路无线温度采集系统结构图

图2 多路无线温度采集系统采集机原理图

根据系统需求，选择合适的无线数据传输模块相当重要。本系统选用的无线传输模块为nRF24L01，在目前较为流行的无线通信芯片中，无论从使用的方便性、传输速度还是输出等各个方面考虑，nRF24L01都是一种较为理想的选择[2]。

在温度传感器方面，采用单线数字温度传感器DS18B20。它是Dallas公司生产的一线式数字温度传感器，其分辨率可达0.0625℃，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出。CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路 [3]。

2.硬件电路设计

多路无线温度采集系统硬件设计包括主控机和采集机两部分，两部分的重点都是如何实现基于nRF24L01模块的无线数据传输。采集机主要由主控制器、温度传感器、无线传输模块组成，其硬件电路原理图如图2所示。

图3 多路无线温度采集系统主控机原理图

图4 多路无线温度采集系统主控机流程图（a）

和采集机流程图（b）

主控机主要由主控制器、无线传输模块和串口通信模块组成。主控制器主要负责向采集机发送命令，并接收温度数据，通过串口发送到PC机。PC机的串口支持RS-232标准，而单片机支持TTL电平，因此，它们之间的信号需要经过电平转换。选用美信公司的芯片MAX232来完成RS-232和TTL电平的转换，硬件原理图见图3所示。

3.系统软件设计

软件包括采集机和主控机两部分。由于本系统包括多个采集机，它们都要向主控机发送数据，因此必须严格控制每台采集机向主控机发送数据的时间，避免数据的混乱。假设整个系统包括N台采集机，则由主控机循环发出命令，命令帧格式：“主控机编号（1-N）+发送数据请求”，循环次数为N。接收工作则全部通过中断函数处理，以提高系统的实时性。采集机初始化后处于接收状态，当接收到主机发出的命令且命令中包含的编号信息与本机一致时，采集机置发送状态，向主控机发送温度数据。图4给出了多路无线温度采集系统主控机与采集机工作流程图。

图5 多路无线温度采集系统PC机显示界面

4.测试结果

图5为环境温度25℃，四路采集机所采集的温度信息在PC机显示的结果。

5.结语

本文提出了一种基于无线传输的多路温度采集系统设计方案，解决了在众多领域中数据传输受到传输介质限制的问题。通过简单的无线通信协议，实现可靠性与功耗平衡。低功耗、实时性、多通道的无线温度检测是该设计的最大特点，对工业控制、仪器仪表、机电一体化、智能家居等诸多领域具有很高的实用价值。

参考文献

[1]雷线，何小阳，苏生辉.基于ZigBee的多点温度采集系统设计与实现[J].自动化技术与应用，2010，29（2）： 43-46.

[2]杨旭，李德敏，张谦益.基于nRF24L01的一种无线通信协议设计[J].通信技术，2011，44（7）：57-62.

[3]易丽华，黄俊.基于AT89C51单片机与DS18B20的温度测量系统[J].电子与封装，2009，9（5）：39-43.

作者简介：潘岩（1989―），男，长江大学在读硕士研究生，研究方向：检测技术与自动化管理。

通讯作者：魏呈霖（1989―），男，长江大学在读硕士研究生。