基于DSP和nRF24L01的无线环境监测系统设计

　　目前，我国环境监测设备已经有了长足的发展，例如应用卫星遥感技术进行环境监测，采用GPRS系统对地下水监测等，各种环境采样器也更加精确。但是大部分监测站的仪器装备技术含量较低，功能单一，稳定性和可靠性差，多数小型仪器采用有线通信方式，亟待更新换代。而且，我国在环境监测仪器方面的自主开发能力较弱，精密仪器的技术含量和工艺要求都比较高，使得目前大量的精密仪器无法实现本地化生产，主要依靠进口，这就导致了价格非常昂贵。

　　本文基于DSP和nRF24L01设计了一种无线环境监测系统。该系统操作简便、测量迅速、造价低廉、便于携带，能满足一定灵敏度和准确度的要求，且采用无线数据通信作为传输载体，可应用于蔬菜大棚、生产车间、温室、矿井等场所的温度、光度监测与控制系统。

　　例如，在蔬菜大棚中，蔬菜生长的适宜温度为20～30℃，大棚内白天增温快，当棚外平均气温为15℃时，棚内可达40～50℃，不利于蔬菜生长。同样，适当的光照强度对植物体内的硝酸盐代谢起极为重要的作用，是决定植株硝酸盐含量的主要因素之一，但过弱或过强的光照也不利于蔬菜的生长。因此，需要根据监测值适时调节棚内温度，以有效地避免不当的温度、光照对蔬菜的危害。

　　什么是DSP

　　数字信号处理，英文：Digital Signal Processing，缩写为DSP，是面向电子信息学科的专业基础课，它的基本概念、基本分析方法已经渗透到了信息与通信工程，电路与系统，集成电路工程，生物医学工程，物理电子学，导航、制导与控制，电磁场与微波技术，水声工程，电气工程，动力工程，航空工程，环境工程等领域。

　　数字信号处理问题无处不在，信息科学已渗透到所有现代自然科学和社会科学领域。学生应熟练地掌握本课程所讲述的基本概念、基本理论和基本分析方法，并利用这些经典理论分析、解释和计算信号、系统及其相互之间约束关系的问题。

　　DSP芯片，也称数字信号处理器，是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。根据数字信号处理的要求，DSP芯片一般具有如下主要特点：

　　（1）在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法；

　　（2）程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据；

　　（3）片内具有快速RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问；

　　（4）具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持；

　　（5）快速的中断处理和硬件I/O支持；

　　（6）具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器；

　　（7）可以并行执行多个操作；

　　（8）支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。

　　当然，与通用微处理器相比，DSP芯片的其他通用功能相对较弱些

　　方案论证

　　本无线环境监测系统是由一个主站和两个分站组成。主站由无线收发模块、信息处理模块、显示模块构成，功能是无线发送分站的编号和命令，并无线接收分站发送的信息，同时显示这些信息及分站的编号；分站由传感器模块、编码模块、信息处理模块、显示模块和无线收发模块构成，功能是采集温度、光照信息，显示所测信息，并将这些信息和自己的编号无线传输给主站。系统结构图如图1所示。

　　基于DSP和nRF24L01的无线环境监测系统设计

　　主控模块

　　本方案中主控模块选择TI公司的DSP芯片TMS320LF2407。TMS320LF2407内置10位（双8路或单16路）A／D转换器、看门狗定时器模块；有41个可独立编程的数字I／O引脚，绝大部分有复用功能；外设接口有串行通信SCI（Serial Communication Interface）与串行外设SPI（Serial Periphera1 Interface）；2个事件管理器EVA、EVB可为所有类型电机提供控制技术，为工业自动化方面的应用奠定了基础；2个16位通用定时器，3个具有死区功能的全比较单元。

　　较MCS-51系列单片机而言，TMS320LF2407内部有32 KB的Flash程序存储器和2．5 KB的SRAM，更能满足软件对空间的要求，且方便在线调试。利用其内置的10位A／D转换器，可以直接接温度、光度传感器模块，将测得的温度值、光照强度值等模拟量转换为TMS320LF2407可以处理的数字信息，避免了用MCS51进行A／D扩展带来的麻烦。另外，TMS320LF2407有41个可独立编程的数字I／O引脚，绝大部分有复用功能，更能满足硬件对I／O口的需求。使用TMS320LF2407的串行外设接口SPI，可以直接和无线传输模块nRF24L01提供的SPI接口相连，不需要软件模拟SPI。使用的开发环境是CCS3．0，完全支持C语言，方便程序编写。

　　传感器模块

　　选用热敏电阻来测量温度。其值较为准确，灵敏度较高；配合电桥使用，工作温度范围宽、体积小，使用方便；电阻值可在0．1～100 kΩ间任意选择。与热电偶相比，热敏电阻价格低廉；与DS18B20相比，热敏电阻需要编写的程序更加简单。

　　选用光敏电阻来测量光照。较光敏二极管，光敏电阻更能显示出光的强弱；而且，它能够和热敏电阻应用到同一电路中。传感器模块电路如图2所示。

　　基于DSP和nRF24L01的无线环境监测系统设计

　　编码模块

　　选用跳线开关组成编码模块。与普通开关组成编码模块相比较，成本更加低廉。用两列排针（各8位）：一列排针接到TMS320LF2407的I／O口，并经过10 kΩ电阻接+5 V电源VCC，另一列排针接地。两列排针对应的位用跳线帽相连时置0，否则为1。这样可以设置分站的编号0～255，即本系统最多可以扩展256个分站，用来监测不同地点的当前环境温度、光度值。

　　无线传输模块

　　选用无线传输模块nRF24L01。它是一款工作在2．4～2．5 GHz世界通用ISM频段的单片无线收发器芯片，采用FSK调制，内部集成自己的协议，有自动应答及自动重发功能、地址及CRC检验功能，可实现点对点或1对6的无线通信，无线通信速度可达2 Mbps；而且，电流消耗极低，当工作在发射模式下发射功率为-6 dBm时电流消耗为9 mA，接收模式下为12．3 mA。nRF24L01与PT2262／2272相比，不需要编码和解码，程序简单；与nRF905相比，外围元件更少，不需要曼彻斯特编码；与nRF401相比，价位更低。

　　TMS320LF2407只需为nRF24L01模块预留6个I／O口，分别与其6个控制和数据信号CSN、SCK、MISO、MOSI、IRQ、CE相连。TMS320LF2407与nRF24L01的连接电路如图3所示。

　基于DSP和nRF24L01的无线环境监测系统设计