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。
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。
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。
显示模块 选用型号为lg5011bsr的共阳极数码管，与液晶显示器相比，价格低廉。它由7段发光二极管组成，共有10只引脚。其中，3、8引脚为共阳极，其他引脚加低电平时对应的二极管就会亮，从而控制数码管显示相应的数值。
系统硬件结构 传感器模块是信息采集的枢纽。如图2所示，电源电压经稳压管tl431稳压到2．5 v，提供给由普通电阻和热敏电阻组成的分压电路，以及普通电阻和光敏电阻组成的分压电路。热敏电阻分得的电压通过to输出，接tms320lf2407的adcin0；光敏电阻分得的电压通过lo输出，接tms320lf2407的adcin1。利用读取a／d转换后的结果，并计算出对应的温度值和光线强度值，经查表输出显示。
无线传输模块是数据传输的核心。如图3所示，tms320lf2407通过6个i／o端口（iopc0，iopc1，spisimo，spisomi，spiclk，spiste），依次与nrf24l01模块的6个控制和数据信号irq、ce、mosi、miso、sck、csn相连。其中，csn为芯片的片选线，csn为低电平时芯片工作；sck为芯片控制的时钟线；somi为芯片控制数据线；mosi为芯片控制数据线；irq为中断信号，无线通信过程中dsp主要是通过spi接口的spisim-o、spisomi与nrf24l01进行通信。ce为芯片的模式控制线，在csn为低的情况下，ce协同nrf24l01的config寄存器共同决定nrf24l01的状态。
显示模块用tms320lf2407的iopb0、iopb1来模拟串行发送数据的过程，外接串入并出移位寄存器74ls164构成。当需要显示信息时，数据从iopb0端在移位脉冲（由iopb1输出）的控制下逐位移入74ls164，74ls164能将输入的串行数据转换为并行数据输出到数码管。这样的设计不仅节省i／o口，而且不占用串口资源。编码模块通过iopa0～iopa7与dsp相连。
软件设计 系统的主站、分站程序流程如图4所示。主站程序主要包括初始化、无线发射、无线接收、数码管显示等部分；分站程序主要包括初始化、无线发射、无线接收、数据采集、数码管显示等部分。
初始化部分 将数据地址、数据显示区地址等内容初始化为0，设置数据显示区地址的内容，进行数码管显示，以进行系统自检。
无线发射部分 首先设置nrf24l01为发射模式（设置发射和接收节点地址），使能自动应答，配置自动重发次数，选择通信频率，配置发射参数，选择通道0有效数据宽度，配置nrf24l01的基本参数以及切换工作模式；然后设置发射数据，启动发射，发射完数据后会自动转入接收模式接收应答信号。
无线接收部分 首先设置接收模式（即写接收节点地址），使能自动应答，通道0接收地址允许，选择通信频率，选择通道0有效数据宽度，配置发射参数，配置nrf24l01的基本参数以及切换工作模式；然后启动接收，130μs后开始检测空中数据，若收到，则数据模块会自动发射应答信号。
数据采集部分 分站对温度、光照、地址编号进行采集，通过读取i／o口得到地址编号的值，通过读取a／d来获得温度、光照的最初值，经过dsp处理后得到准确的温度、光度值。
数码管显示部分 程序以模拟串口的方式实现数据显示，过程为：取一字节数据，移一位数据到i／o口中，通过置位另一i／o口高低电平来模拟时钟信号，即把数据一位一位地移到移位寄存器74ls164中，然后并行输出到数码管显示数据。
调试分析 系统板硬件部分调试
系统板硬件部分调试主要是万用表检查电路通断情况，并测量部分关键引脚的电压是否达到要求。
环境温度测量调试
首先，把标准温度计和热敏电阻同时放入冰水混合液中，标准温度计的示数为y1，根据基础表值探测点显示为x1。接着，将它们放入沸水中，标准温度计的示数为y2，根据基础表值探测点显示为x2，得出比例系数k=（x2-x1）／（y2-y1）=2。最后，在沸水和冰水混合液之间的温度内，测得标准温度yi（i=3，4，…，30）和探测点显示值xi（i=3，4，…，30）共28组，从而得到近似比例系数k=2±0．5。再通过软件部分进行数据的校准，建立温度数据表。最终，将温度计和温度传感器置于同一环境下记录测得的温度值，如表1所列。
环境光度测量调试
①将分站放置在灯光下，从最亮逐渐调暗，当暗到人眼看字有些费力时，从led数码管上读得的光度原始数据为195 lx。
②将分站放置在自然光下，用手遮挡光度传感器，由亮到完全遮蔽，当暗到几乎无光线进入时，从led数码管上读得的光度原始数据为198 lx。
根据以上试验结果，结合人们的习惯思维，在程序上进行了一些设计。用195减去测得的原始数据，值小于等于零时显示为零，光照越强显示值越大。
无线通信调试
首先进行分站单发送信息、主站单接收信息的调试，经过一步步改进，最终通信成功。然后再进行主站、分站（即发送又接收信息）的调试，经反复调试最终通信成功。
本文介绍的无线环境监测系统的控制采用tms320lf2407实现。tms320lf2407内部资源丰富，既有a／d转换器，又有spi、sci，省去了系统扩展的麻烦；另外，i／o口比较多，内部存储空间较大，有利于系统功能扩充。无线部分采用高度集成的nrf24l01器件，大大简化了系统硬件和软件设计，减小了体积，提高了系统工作的可靠性。
经试验验证，用编码模块可以设置分站的地址编号1～255，并能实时采集到周围环境的温度和光照数据，平均误差控制在0．5℃以内，温度测量范围在0～100℃，各项数据都能通过数码管清晰地显示出来。光的有无还可通过一个发光二极管显示，有光时发光二极管灭，无光时发光二极管亮。主站能准确无误地无线接收分站数据，距离50 m左右仍能无线通信，但响应较慢。该系统携带方便，价格低廉，可应用到狭小的环境，可以随意放置；此外，还可再接入其他传感器，以测量更多的环境参数。
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（1）在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法；
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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。
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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。
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显示模块 选用型号为lg5011bsr的共阳极数码管，与液晶显示器相比，价格低廉。它由7段发光二极管组成，共有10只引脚。其中，3、8引脚为共阳极，其他引脚加低电平时对应的二极管就会亮，从而控制数码管显示相应的数值。
系统硬件结构 传感器模块是信息采集的枢纽。如图2所示，电源电压经稳压管tl431稳压到2．5 v，提供给由普通电阻和热敏电阻组成的分压电路，以及普通电阻和光敏电阻组成的分压电路。热敏电阻分得的电压通过to输出，接tms320lf2407的adcin0；光敏电阻分得的电压通过lo输出，接tms320lf2407的adcin1。利用读取a／d转换后的结果，并计算出对应的温度值和光线强度值，经查表输出显示。
无线传输模块是数据传输的核心。如图3所示，tms320lf2407通过6个i／o端口（iopc0，iopc1，spisimo，spisomi，spiclk，spiste），依次与nrf24l01模块的6个控制和数据信号irq、ce、mosi、miso、sck、csn相连。其中，csn为芯片的片选线，csn为低电平时芯片工作；sck为芯片控制的时钟线；somi为芯片控制数据线；mosi为芯片控制数据线；irq为中断信号，无线通信过程中dsp主要是通过spi接口的spisim-o、spisomi与nrf24l01进行通信。ce为芯片的模式控制线，在csn为低的情况下，ce协同nrf24l01的config寄存器共同决定nrf24l01的状态。
显示模块用tms320lf2407的iopb0、iopb1来模拟串行发送数据的过程，外接串入并出移位寄存器74ls164构成。当需要显示信息时，数据从iopb0端在移位脉冲（由iopb1输出）的控制下逐位移入74ls164，74ls164能将输入的串行数据转换为并行数据输出到数码管。这样的设计不仅节省i／o口，而且不占用串口资源。编码模块通过iopa0～iopa7与dsp相连。
软件设计 系统的主站、分站程序流程如图4所示。主站程序主要包括初始化、无线发射、无线接收、数码管显示等部分；分站程序主要包括初始化、无线发射、无线接收、数据采集、数码管显示等部分。
初始化部分 将数据地址、数据显示区地址等内容初始化为0，设置数据显示区地址的内容，进行数码管显示，以进行系统自检。
无线发射部分 首先设置nrf24l01为发射模式（设置发射和接收节点地址），使能自动应答，配置自动重发次数，选择通信频率，配置发射参数，选择通道0有效数据宽度，配置nrf24l01的基本参数以及切换工作模式；然后设置发射数据，启动发射，发射完数据后会自动转入接收模式接收应答信号。
无线接收部分 首先设置接收模式（即写接收节点地址），使能自动应答，通道0接收地址允许，选择通信频率，选择通道0有效数据宽度，配置发射参数，配置nrf24l01的基本参数以及切换工作模式；然后启动接收，130μs后开始检测空中数据，若收到，则数据模块会自动发射应答信号。
数据采集部分 分站对温度、光照、地址编号进行采集，通过读取i／o口得到地址编号的值，通过读取a／d来获得温度、光照的最初值，经过dsp处理后得到准确的温度、光度值。
数码管显示部分 程序以模拟串口的方式实现数据显示，过程为：取一字节数据，移一位数据到i／o口中，通过置位另一i／o口高低电平来模拟时钟信号，即把数据一位一位地移到移位寄存器74ls164中，然后并行输出到数码管显示数据。
调试分析 系统板硬件部分调试
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首先，把标准温度计和热敏电阻同时放入冰水混合液中，标准温度计的示数为y1，根据基础表值探测点显示为x1。接着，将它们放入沸水中，标准温度计的示数为y2，根据基础表值探测点显示为x2，得出比例系数k=（x2-x1）／（y2-y1）=2。最后，在沸水和冰水混合液之间的温度内，测得标准温度yi（i=3，4，…，30）和探测点显示值xi（i=3，4，…，30）共28组，从而得到近似比例系数k=2±0．5。再通过软件部分进行数据的校准，建立温度数据表。最终，将温度计和温度传感器置于同一环境下记录测得的温度值，如表1所列。
环境光度测量调试
①将分站放置在灯光下，从最亮逐渐调暗，当暗到人眼看字有些费力时，从led数码管上读得的光度原始数据为195 lx。
②将分站放置在自然光下，用手遮挡光度传感器，由亮到完全遮蔽，当暗到几乎无光线进入时，从led数码管上读得的光度原始数据为198 lx。
根据以上试验结果，结合人们的习惯思维，在程序上进行了一些设计。用195减去测得的原始数据，值小于等于零时显示为零，光照越强显示值越大。
无线通信调试
首先进行分站单发送信息、主站单接收信息的调试，经过一步步改进，最终通信成功。然后再进行主站、分站（即发送又接收信息）的调试，经反复调试最终通信成功。
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经试验验证，用编码模块可以设置分站的地址编号1～255，并能实时采集到周围环境的温度和光照数据，平均误差控制在0．5℃以内，温度测量范围在0～100℃，各项数据都能通过数码管清晰地显示出来。光的有无还可通过一个发光二极管显示，有光时发光二极管灭，无光时发光二极管亮。主站能准确无误地无线接收分站数据，距离50 m左右仍能无线通信，但响应较慢。该系统携带方便，价格低廉，可应用到狭小的环境，可以随意放置；此外，还可再接入其他传感器，以测量更多的环境参数。
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