基于nRF24L01的无线温湿度测试系统

摘要：针对传统温湿度测量中的缺点，设计了以低功耗MSP430单片机为控制核心，利用温湿度一体传感器SHT11进行温湿度信号的采集，结合无线传输模块nRF24L01对数据进行无线传输的温湿度测试系统，并在可靠可信、微功耗的基础上能很好地满足实际应用要求。
关键词：SHT11；MSP430；nRF24L01；无线数据传输

随着科技的进步和现代工农业技术的发展，温度和湿度的测量和控制对人类日常生活、工业生产、气象预报、物资仓储等都将起着越来越重要的作用。在传统的温湿度测量中，分别采用温度传感器和湿度传感器采集温度和湿度信号，并通过布置大量的电缆或导线进行有线传输。在多测点的情况下，这种方法无疑大大增加了成本和系统设计的复杂性，同时安装拆卸繁琐，不灵活，信号容易受到干扰。因此，本次设计运用了数字式温湿度一体传感器SHT11，能够同时采集温度和湿度信号，并直接输出数字信号；采用无线收发一体射频模块nRF24L01，对数据进行无线传输；采用MSP430单片机设计低功耗采集存储电路。

1 系统总体结构和工作原理
本次设计的无线温湿度监控系统有上位机子系统和下位机子系统两个部分组成。上位机子系统由主控芯片MSP430单片机、无线射频接收模块、天线、液晶显示模块、电源模块、时钟模块、串口通信模块、终端设备等组成。上位机子系统原理框图如图1所示；下位机子系统由主控芯片MSP430单片机、温湿度传感器、无线射频发射模块、天线、电源模块以及时钟模块等组成。下位机子系统原理框图如图2所示。

在下位机子系统中，由数字温湿度传感器SHT11分别对温度和湿度信号进行实时采集，在主控芯片MSP430单片机的控制下通过无线发送模块nRF24L01将温湿度数字信号发送到上位机子系统；在上位机子系统中，在MSP430主控单元的作用下，通过无线射频接收模块接收下位机子系统发送过来的温湿度数字信号，一方面通过液晶显示模块实时显示接收到的温湿度数值，一方面通过串口通信模块与终端设备进行通信，在终端设备中利用软件读取数据并绘制曲线。

2 系统硬件电路设计
2．1 微控制器的选择
MSP430系列单片机是美国德州仪器(TI)公司推出的一种16位超低功耗的混合信号处理器。它的电源电压采用1．8～3．6 V低电压，RAM数据保持方式下耗电仅为0．1μA，活动模式耗电为250μA／MIPS，I／O输入端口的漏电流最大仅为50 nA。此外，它共有一种活动模式和5种低功耗模式。MSP430具有强大的处理能力、高性能模拟技术及丰富的片上外围模块。由于本次设计的测试系统需要长期在测试环境中采集温湿度信号，并利用电池供电，所以低功耗的要求就必须考虑。
2．2 温湿度传感器
SHT11是一款高度集成的温湿度传感器芯片，它采用专利的CMOSens技术，提供全量程标定的数字输出；由于采用了优化的集成电路形式使其具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。该传感器包括一个电容性聚合体湿度敏感元件和一个用能隙材料制成的温度敏感元件，并在同一芯片上与14位的A／D转换器以及串行接口电路实现无缝连接。每个传感器芯片都在极为准确的湿度腔室中以镜面冷凝式湿度计为参照进行标定；两线制的串行接口与内部的电压调整，使外围系统集成变得快速而简单。SHT11具有体积微小、功耗极低、抗干扰能力强、响应快速等优点。
2．3 nRF24L01无线传输模块
nRF24L01是一款新型单片射频收发一体器件，工作于2．4～2．5 GHz ISM频段。其内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，并融合了增强型ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。nRF24L01功耗很低，在-6dBm的功率发射时，工作电流只有9 mA；接收模式时，工作电流只有12．3 mA；有掉电模式和待机模式两种低功率工作模式使节能设计更方便。nRF24L01采用GFSK调制，具有自动应答和自动再发射功能，片内自动生成报头和CRC校验码的特性。
2．4 SPI连接
MSP430单片机与nRF24L01无线收发模块之间利用同步串行口SPI进行双向通信。nRF24L01的SPI总线有SCK(SPI时钟)、MISO(主入从出)、MOSI(主出从入)、CSN(SPI使能)。
MSP430通过控制PWR_UP、PRIM_RX以及CE3个引脚的高低电平使nRF24L01分别处于发射模式、接收模式、待机模式以及掉电模式，IRO是中断标志位。MSP430与nRF24L01的连接图如图3所示。