基于nRF24L01和IAP15W4K58S4的粮仓环境监测系统的设计
朱嵘涛++罗明璋
摘 要： 针对目前粮仓环境监测系统存在布线繁琐、安装不便、维护麻烦等问题，提出了一种基于nRF24L01和IAP15W4K58S4的粮仓环境监测系统的设计方案。nRF24L01是一种新兴的无线通信技术，具有低功耗、高传输速率、低成本等特点，可直接与各种单片机连接使用，且编程简单；IAP15W4K58S4是一款高性价比单片机，价格便宜且功能强大。该监测系统由传感器节点和环境监测节点两部分构成，传感器节点将检测到的温度、湿度和气体等数据发送给环境监测节点，环境监测节点将这些数据处理后，经由串口传输给PC机来显示。经实际测试表明，该系统能稳定运行，并较好地应用于环境监测领域。
关键词： 粮仓环境监测； nRF24L01； IAP15W4K58S4； 温度?湿度检测； 监测系统
中图分类号： TN931+.3?34； TP368 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）18?0066?04
Design of barn environment monitoring system based on nRF24L01 and IAP15W4K58S4
ZHU Rongtao1， LUO Mingzhang2
（1. College of Technology & Enginerring， Yangtze University， Jingzhou 434020， China； 2. Yangtze University， Jingzhou 434023， China）
Abstract： Aiming at the problems of complicated wiring， inconvenient installation and troublesome maintenance of the available barn environment monitoring systems， a design scheme of the barn environmental monitoring system based on nRF24L01 and IAP15W4K58S4 is proposed. nRF24L01 is a new wireless communication technology， with low power consumption， high transmission rate， low cost and so on， and can be directly connected with a variety of MCU. Its programming is simple. IAP15W4K58S4 is a cost?effective microcontroller with powerful functions. The monitoring system is composed of the sensor node and the environmental monitoring node. The temperature， humidity and gas data detected by the sensor node are sent to the environmental monitoring node. The data processed by the environmental monitoring node are transmitted to the PC through a serial port for display. The practical test result shows that the system can run stably and can be used in the field of environmental monitoring.
Keywords： barn environmental monitoring； nRF24L01； IAP15W4K58S4； temperature?humidity detection； monitoring system
0 引 言
中国是一个人口大国同时也是一个经济强国，保证一定数量和高质量的粮食储备有利于保护国家粮食安全和维护社会稳定。粮食在存放的过程中容易受到温度、湿度等因数的影响，进而使粮食发生霉变、滋生虫害，极端情况下，还有可能引起火灾，为了确保储粮安全，必须实时监测粮仓的环境状态。传统的粮仓监测系统通常采用有线监测方式，这種方式的弊端非常明显，如人工维护麻烦、实际走线困难、安装难度高等问题。针对这些问题，设计了一种低成本、高精度的无线粮仓监测系统[1?4]。
1 系统整体设计
本文由传感器节点和环境监测节点构成。传感器节点负责对粮仓的温度、湿度和气体进行实时测量，并将测量的粮仓环境信息通过nRF24L01无线通信模块实时发送到环境监测节点。环境监测节点将传感器节点发送来的粮仓信息通过USB转串口模块发到PC机，并在PC机上串口终端中显示。系统框图如图1所示。
2 硬件设计
2.1 nRF24L01无线通信模块的设计
无线通信模块的核心芯片为nRF24L01，nRF24L01是由Nordic公司出品的单芯片无线收发芯片，工作于2.4～2.5 GHz的全球免申请（ISM）频段。nRF24L01的工作模式由PWR_UP，CE，TX_EN三个引脚决定。nRF24L01的收发模式有Enhanced ShockBurstTM收发模式、ShockBurstTM收发模式和直接收发模式三种。为了节能，通常使用Enhanced ShockBurstTM收发模式进行无线传输。nRF24L01无线通信模块的电路原理图如图2所示。
2.2 IAP15W4K58S4单片机
IAP15W4K58S4单片机是STC公司生产的单时钟/机器周期（1 T）的单片机，是宽电压/高速/高可靠/低功耗/超强干扰的新一代MCU。使用STC公司最新的方法进行处理，处理后的程序在一般情况下是不能破解的，并且开发人员编写的程序能较好地兼容传统的MCU，且速度还比传统的MCU快8～12倍。STC15系列单片机内部机集成高精度R/C时钟，可配置时钟的范围是5～30 MHz，同时STC15系列单片机内部集成了高可靠复位电路，因此IAP15最小系统是彻底省掉了昂贵的外部晶振和时钟电路。IAP15W4K58S4具有8路CCP/PWM/PCA，8路10位高速A/D，内置4 KB大容量SRAM，4组超高速异步串行通信口和1组高速同步串行通信端口SPI，并且对于IAP15W4K58S4这款单片机来说，它的供电电压很宽，在2.5～5.5 V之间都能正常工作[5]。
2.3 单元接口电路设计
DHT22温湿度传感器、MQ?2气体传感器和报警电路与IAP15W4K58S4单片机的接口电路原理图如图3所示。
圖3 单元接口电路图
2.3.1 DHT22电路设计
DHT22温湿度传感器与IAP15W4K58S4的接口电路如图3所示，它的供电电压为3.3～6 V。DHT22温湿度传感器上电后，需要延时1 s以上的时间，来平稳过渡不稳定状态，在这段时间内不要发送任何指令。电源引脚（VCC和GND）之间需要增加一个100 nF的电容，可以有效过滤干扰信号，引脚说明如表1所示。DHT22数字温湿度传感器使用单总线数据格式，其数据格式由5个字节构成。数据分温度部分和湿度部分，一次有效的数据传输共40位，数据格式：40 b数据=16 b湿度数据+16 b温度数据+8 b校验和数据，其中校验和数据为温度数据与湿度数据之和[6?7]。DHT22一次通信时间最大为5 ms，主机连续采样间隔建议不小于100 ms。
2.3.2 MQ?2接口电路设计
MQ?2气体传感器与IAP15W4K58S4的接口电路如图3所示，它所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡。MQ?2气体传感器对空气中可燃气体的灵敏度较高，能有效地检测出空气中可燃气体的浓度。MQ?2气体传感器的引脚说明如表2所示，DOUT引脚输出TTL开关信号，当DOUT引脚为低电平时表示检测到了可燃气体，AOUT引脚输出模拟信号，浓度越大AOUT引脚输出的电压值也越大[8]。
表2 MQ?2引脚说明
2.3.3 报警接口电路设计
报警电路与IAP15W4K58S4的接口电路如图3所示，当粮仓内的温湿度超出限定值或检测到有可燃气体时，都会触发报警电路报警。
2.4 电源模块设计
系统采用USB接口供电，USB接口提供的标准电压是5 V，能满足IAP15W4K58S4单片机、DHT22温湿度传感器和MQ?2气体传感器的供电要求，但射频芯片的工作电压是在1.9～3.6 V之间，为让nRF24L01正常稳定的工作，必须给nRF24L01接一个直流电压转换模块，经测试nRF24L01在3.3 V时工作比较稳定。本系统选用线性稳压电源LM317构成模拟电源，通过调节滑动变阻器，使输出电压为3.3 V，3.3 V电源模块原理图如图4所示[9]。
2.5 USB转RS 232电路设计
为了便于环境监测节点和PC机之间进行数据传输，本系统设计采用USB转串口芯片PL2303实现USB到串口的转换。PC机与IAP15W4K58S4单片机之间电平不匹配，因此需要通过PL2303芯片实现电平匹配，从而保证数据的有效传输，USB转串口电路原理图如图5所示。
3 系统软件设计
本设计使用C语言编程，为了使程序具有良好的可读性和移植性，将nRF24L01无线通信模块驱动程序、DHT22温/湿度传感器驱动程序、LCD模块显示驱动程序和串口模块驱动程序都写成独立的模块程序，方便主程序调用[10?11]。
3.1 传感器节点程序设计
传感器节点主要负责对现场的环境参数信息进行有效测量，并将测量的数据实时传输到环境监测节点，主要流程如图6所示。
3.2 环境监测节点程序设计
环境监测节点主要负责接收来自传感器节点的数据，并将这些数据处理后，经由串口电路传输到上位机，主要流程如图7所示。
4 测试结果
为了检验本文设计粮仓环境监测系统的实际效果，分别从DHT22温/湿度传感器的检测效果和MQ?2气体检测效果两个方面测试。
4.1 温度和湿度测试
将传感器节点和环境监测节点上电后，打开串口调试助手，在串口终端中会看到温度和湿度，然后用手触模传感器节点的温/湿度传感器，会看到湿度数据发生明显变大，温度数据则会慢慢增大，具体信息如图8所示。
4.2 气体泄漏效果测试
将传感器节点和环境监测节点上电后，打开串口调试助手，在串口终端的“gsa leak：”后会显示“no”，表示没有检测到可燃气体，然后将打火机靠近MQ?2气体传感器，将打火机内的气体放出，就会看到串口终端中“gsa leak：”后的“no”变成“yes”，具体效果如图9所示。
5 结 语
本文设计的粮仓环境监测系统选择nRF24L01作为无线通信模块，IAP15W4K58S4作为MCU，DHT22作为温湿度传感器，MQ?2作为可燃气体传感器，实现了对粮仓环境的无线监测，实际测试结果表明：该系统对环境数据的采集准确。无线数据的传输稳定且实时性较好，能较好地应用在粮仓环境监测和其需求相近的领域。
注：本文通讯作者为罗明璋。
参考文献
[1] 梁绒香.基于无线传输的粮仓多参数综合监测系统设计[J].自动化技术与应用，2014，33（8）：43?47.
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[3] 徐艳玲.基于物联网的远程粮仓环境监控系统设计[J].软件工程师，2015，18（2）：22?23.
[4] 李建勇，李洋，刘雪梅.基于ZigBee的粮仓环境监控系统设计[J].电子技术应用，2016，42（1）：65?67.
[5] 丁向荣.单片机原理与应用项目教程：基于STC15W4K32S4系列单片机[M].北京：清华大学出版社，2015.
[6] 许慧芳.基于智能传感器SHT15的温湿度数据采集系统设计[J].中国农机化学报，2015，36（5）：237?239.
[7] 朱嵘涛，徐爱钧.单总线传感器AM2302温湿度测控系统原理及应用[J].单片机与嵌入式系统应用，2016，16（4）：46?48.
[8] 刘雁.基于MQ?2的便携式移动煤矿瓦斯含量检测报警器的研究[J].煤炭开采，2013，18（5）：122?124.
[9] 朱嵘涛，徐爱钧，叶传涛.STC15单片机和nRF2401的无线门禁系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2014，14（6）：57?60.
[10] XU Xiumei， PAN Jinfeng. The simulation of temperature and humidity control system based on Proteus [C]// Proceedings of International Conference on Mechatronic Science. [S.l.]： IEEEXplore， 2011： 1896?1898.
[11] 朱嵘涛，叶传涛.基于nRF24L01和STC15F2K61S2的多点无线温湿度检测系统的设计[J].石油仪器，2014，28（1）：29?31.
摘 要： 针对目前粮仓环境监测系统存在布线繁琐、安装不便、维护麻烦等问题，提出了一种基于nRF24L01和IAP15W4K58S4的粮仓环境监测系统的设计方案。nRF24L01是一种新兴的无线通信技术，具有低功耗、高传输速率、低成本等特点，可直接与各种单片机连接使用，且编程简单；IAP15W4K58S4是一款高性价比单片机，价格便宜且功能强大。该监测系统由传感器节点和环境监测节点两部分构成，传感器节点将检测到的温度、湿度和气体等数据发送给环境监测节点，环境监测节点将这些数据处理后，经由串口传输给PC机来显示。经实际测试表明，该系统能稳定运行，并较好地应用于环境监测领域。
关键词： 粮仓环境监测； nRF24L01； IAP15W4K58S4； 温度?湿度检测； 监测系统
中图分类号： TN931+.3?34； TP368 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）18?0066?04
Design of barn environment monitoring system based on nRF24L01 and IAP15W4K58S4
ZHU Rongtao1， LUO Mingzhang2
（1. College of Technology & Enginerring， Yangtze University， Jingzhou 434020， China； 2. Yangtze University， Jingzhou 434023， China）
Abstract： Aiming at the problems of complicated wiring， inconvenient installation and troublesome maintenance of the available barn environment monitoring systems， a design scheme of the barn environmental monitoring system based on nRF24L01 and IAP15W4K58S4 is proposed. nRF24L01 is a new wireless communication technology， with low power consumption， high transmission rate， low cost and so on， and can be directly connected with a variety of MCU. Its programming is simple. IAP15W4K58S4 is a cost?effective microcontroller with powerful functions. The monitoring system is composed of the sensor node and the environmental monitoring node. The temperature， humidity and gas data detected by the sensor node are sent to the environmental monitoring node. The data processed by the environmental monitoring node are transmitted to the PC through a serial port for display. The practical test result shows that the system can run stably and can be used in the field of environmental monitoring.
Keywords： barn environmental monitoring； nRF24L01； IAP15W4K58S4； temperature?humidity detection； monitoring system
0 引 言
中国是一个人口大国同时也是一个经济强国，保证一定数量和高质量的粮食储备有利于保护国家粮食安全和维护社会稳定。粮食在存放的过程中容易受到温度、湿度等因数的影响，进而使粮食发生霉变、滋生虫害，极端情况下，还有可能引起火灾，为了确保储粮安全，必须实时监测粮仓的环境状态。传统的粮仓监测系统通常采用有线监测方式，这種方式的弊端非常明显，如人工维护麻烦、实际走线困难、安装难度高等问题。针对这些问题，设计了一种低成本、高精度的无线粮仓监测系统[1?4]。
1 系统整体设计
本文由传感器节点和环境监测节点构成。传感器节点负责对粮仓的温度、湿度和气体进行实时测量，并将测量的粮仓环境信息通过nRF24L01无线通信模块实时发送到环境监测节点。环境监测节点将传感器节点发送来的粮仓信息通过USB转串口模块发到PC机，并在PC机上串口终端中显示。系统框图如图1所示。
2 硬件设计
2.1 nRF24L01无线通信模块的设计
无线通信模块的核心芯片为nRF24L01，nRF24L01是由Nordic公司出品的单芯片无线收发芯片，工作于2.4～2.5 GHz的全球免申请（ISM）频段。nRF24L01的工作模式由PWR_UP，CE，TX_EN三个引脚决定。nRF24L01的收发模式有Enhanced ShockBurstTM收发模式、ShockBurstTM收发模式和直接收发模式三种。为了节能，通常使用Enhanced ShockBurstTM收发模式进行无线传输。nRF24L01无线通信模块的电路原理图如图2所示。
2.2 IAP15W4K58S4单片机
IAP15W4K58S4单片机是STC公司生产的单时钟/机器周期（1 T）的单片机，是宽电压/高速/高可靠/低功耗/超强干扰的新一代MCU。使用STC公司最新的方法进行处理，处理后的程序在一般情况下是不能破解的，并且开发人员编写的程序能较好地兼容传统的MCU，且速度还比传统的MCU快8～12倍。STC15系列单片机内部机集成高精度R/C时钟，可配置时钟的范围是5～30 MHz，同时STC15系列单片机内部集成了高可靠复位电路，因此IAP15最小系统是彻底省掉了昂贵的外部晶振和时钟电路。IAP15W4K58S4具有8路CCP/PWM/PCA，8路10位高速A/D，内置4 KB大容量SRAM，4组超高速异步串行通信口和1组高速同步串行通信端口SPI，并且对于IAP15W4K58S4这款单片机来说，它的供电电压很宽，在2.5～5.5 V之间都能正常工作[5]。
2.3 单元接口电路设计
DHT22温湿度传感器、MQ?2气体传感器和报警电路与IAP15W4K58S4单片机的接口电路原理图如图3所示。
圖3 单元接口电路图
2.3.1 DHT22电路设计
DHT22温湿度传感器与IAP15W4K58S4的接口电路如图3所示，它的供电电压为3.3～6 V。DHT22温湿度传感器上电后，需要延时1 s以上的时间，来平稳过渡不稳定状态，在这段时间内不要发送任何指令。电源引脚（VCC和GND）之间需要增加一个100 nF的电容，可以有效过滤干扰信号，引脚说明如表1所示。DHT22数字温湿度传感器使用单总线数据格式，其数据格式由5个字节构成。数据分温度部分和湿度部分，一次有效的数据传输共40位，数据格式：40 b数据=16 b湿度数据+16 b温度数据+8 b校验和数据，其中校验和数据为温度数据与湿度数据之和[6?7]。DHT22一次通信时间最大为5 ms，主机连续采样间隔建议不小于100 ms。
2.3.2 MQ?2接口电路设计
MQ?2气体传感器与IAP15W4K58S4的接口电路如图3所示，它所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡。MQ?2气体传感器对空气中可燃气体的灵敏度较高，能有效地检测出空气中可燃气体的浓度。MQ?2气体传感器的引脚说明如表2所示，DOUT引脚输出TTL开关信号，当DOUT引脚为低电平时表示检测到了可燃气体，AOUT引脚输出模拟信号，浓度越大AOUT引脚输出的电压值也越大[8]。
表2 MQ?2引脚说明
2.3.3 报警接口电路设计
报警电路与IAP15W4K58S4的接口电路如图3所示，当粮仓内的温湿度超出限定值或检测到有可燃气体时，都会触发报警电路报警。
2.4 电源模块设计
系统采用USB接口供电，USB接口提供的标准电压是5 V，能满足IAP15W4K58S4单片机、DHT22温湿度传感器和MQ?2气体传感器的供电要求，但射频芯片的工作电压是在1.9～3.6 V之间，为让nRF24L01正常稳定的工作，必须给nRF24L01接一个直流电压转换模块，经测试nRF24L01在3.3 V时工作比较稳定。本系统选用线性稳压电源LM317构成模拟电源，通过调节滑动变阻器，使输出电压为3.3 V，3.3 V电源模块原理图如图4所示[9]。
2.5 USB转RS 232电路设计
为了便于环境监测节点和PC机之间进行数据传输，本系统设计采用USB转串口芯片PL2303实现USB到串口的转换。PC机与IAP15W4K58S4单片机之间电平不匹配，因此需要通过PL2303芯片实现电平匹配，从而保证数据的有效传输，USB转串口电路原理图如图5所示。
3 系统软件设计
本设计使用C语言编程，为了使程序具有良好的可读性和移植性，将nRF24L01无线通信模块驱动程序、DHT22温/湿度传感器驱动程序、LCD模块显示驱动程序和串口模块驱动程序都写成独立的模块程序，方便主程序调用[10?11]。
3.1 传感器节点程序设计
传感器节点主要负责对现场的环境参数信息进行有效测量，并将测量的数据实时传输到环境监测节点，主要流程如图6所示。
3.2 环境监测节点程序设计
环境监测节点主要负责接收来自传感器节点的数据，并将这些数据处理后，经由串口电路传输到上位机，主要流程如图7所示。
4 测试结果
为了检验本文设计粮仓环境监测系统的实际效果，分别从DHT22温/湿度传感器的检测效果和MQ?2气体检测效果两个方面测试。
4.1 温度和湿度测试
将传感器节点和环境监测节点上电后，打开串口调试助手，在串口终端中会看到温度和湿度，然后用手触模传感器节点的温/湿度传感器，会看到湿度数据发生明显变大，温度数据则会慢慢增大，具体信息如图8所示。
4.2 气体泄漏效果测试
将传感器节点和环境监测节点上电后，打开串口调试助手，在串口终端的“gsa leak：”后会显示“no”，表示没有检测到可燃气体，然后将打火机靠近MQ?2气体传感器，将打火机内的气体放出，就会看到串口终端中“gsa leak：”后的“no”变成“yes”，具体效果如图9所示。
5 结 语
本文设计的粮仓环境监测系统选择nRF24L01作为无线通信模块，IAP15W4K58S4作为MCU，DHT22作为温湿度传感器，MQ?2作为可燃气体传感器，实现了对粮仓环境的无线监测，实际测试结果表明：该系统对环境数据的采集准确。无线数据的传输稳定且实时性较好，能较好地应用在粮仓环境监测和其需求相近的领域。
注：本文通讯作者为罗明璋。
参考文献
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