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一种基于nRF9E5的无线监测局域网的系统

作者:时间:2005-02-17来源:网络收藏

摘要:给出了用收发模块设计的,以实现对有毒气体浓度进行设计方案。阐述了该硬件和软件的设计方法。文章通过构建合理的通讯协议,有效地解决;了节点间的通讯寻址问题,保证了通讯的可靠性。

关键词:络;通讯协议;无线

当今,无线技术正快速应用于许多产品之中,与有线技术相比,无线技术主要具有成本低、携带方便、省去布线烦恼等优点。特别适用于工业数据采集系统、无线遥控系统、小型无线网络、无线RS485/232数据通信系统等。本文给出了一种用于有毒气体的无线络系统方案设计方案。

1 系统的功能及组成

在石华工业中,为了有效监测空气中H 2S、CL 2等有毒气体的浓度,把隐患消灭于萌芽状态,通常需要设计许多无线网络检测系统。图1所示就是一种多任务无线通讯局域网示意图。该系统是由一台中央监控设备CMS(center monitering system)和多台远程终端节点RTN(remote terminal nodes)组成的多任务无线通信网络。其中的中央监控设备CMS主要由无线收发模块Nrf9e5、报警装置和上位机组成,能够接收远程各节点信息,监控节点运行情况,并能根据上位机要求发送命令字到指定节点。各节点RTN主要由有毒气体传感部分和无线接收模块Nrf9e5组成,能够采样并发送数据到CMS,接收并执行CMS发送来的指令,并且可作为中转站间接传输数据。

在CMS工作信号覆盖范围内,各节点和CMS直接通讯,如图中RTN100、RTN200和CMS之间可以直接通讯。在CMS工作信号覆盖范围外,各远程终端节点其上级相应节点和CMS间接通讯,如图中RTN121、RTN122依次通过RTN120、RTN100和CMS来进行间接通讯。采用这种方法,可将系统扩展成一个非常大的无线居域网络。

2 硬件设计

2.1 硬件电路连接

中央监控设备(CMS)电路主要包括监控计算机、接收模块及报菟装置,具体电路如图2所示。图中,把nRF9E5的P0.1、P0.2口配置成SCI模式,外接MAX232转换电路,和上位机进行串行通讯;P0.3配置成普通端口,外接报警装置。

该系统中的远程终端节点(RTN)电路主要由射频模块nRF9E5和气体变送器GT-130/H2S-1组成。ADC模块选用内部参考电压,气体传感装置能够输出4~20mA电流,经75Ω电阻转换为0.3~1.5V电压信号,来作为ADC模拟量输入信号。电路连接和图2基本相似,区别是断开图2中的P0.1-P0.3端口,将变送器输出端和nRF9E5的AIN0引脚相连接。

2.2 无线收发模块nRF9E5

nRF9E5是挪威Nordic公司的产品。该芯片采用+3VDC供电,面积为5mm5mm,共有32个外部引脚,包括UART和SPI等功能。内部集成了nRF9E5射频模块、8051微控制器及A/D转换模块,具有433/868/915MHz三波段载波频率。采用GFSK调制,抗扰能力强;支持多点通讯,数据传输速率高达0.1Mbps。具有特有的ShockBurst信号发射模式和发射信号载波监测功能,可有效降低功耗电流、避免数据冲突。内部寄存器为用户提供了基础的通讯协议,便于用户扩展,缩短了开发周期。外围电路连接极为简单,只需要一个晶体管和一个电阻,nRF9E5输出端ANT1、ANT2外接50Ω单天线终端装置,信号有效发射距离无遮挡时可达800m以上,有建筑物等遮挡时可达350m左右。

3 软件设计

3.1 通讯协议

CMS可与在其信号覆盖范围内的RINT进行直接通讯,在其工作信号覆盖范围之外的RIN通过其它节点转载信号实现与CMS的间接通讯。同时,CMS能够根据接收的数据内容判断信号来自哪一个RTN节点。为此,需把系统通讯协议设置为下列格式:

Prea-mbleAddPayloadCRC
JidMidYidXData

Preamble为引导字节;Add为接收机地址;Payload为有效加载数据(包括接收机识别码Jid、目的机识别码Mid、源信号机识别码Yid及Data字:状态字X=1时Data为命令字,X=0时Data为浓度数据);CRC为校验码。

nRF9E5处于发射模式时,Add和Payload由微控制器按顺序送入射频模块nRF9E5,Preamble和CRC由nRF9E5自动加载。接收模块时,nRF9E5先接收一数据包,分别验证Preamble、Add和CRC正确后,再将Payload数据送入微控制器处理;当接收机微处理器判断Payload中的Payload中的Jid和本机识别码号一致时,继续处理后继数据,否则放弃该数据包。

要实现上述数据通讯功能,需进行nRF9E5初始化配置和用户程序设计。

3.2 nRF9E5子系统初始化配置

在nRF9E5模块中,特殊寄存器RF-Register包含10个字节,其配置字内容可决定射频模块nRF9E5的工作特性,表1列出本设计中特殊寄存器RF-Register需要配置的基本参数(文中未述及的参选用默认值)。

表1 RF-Register寄存器部分字节配置说明

名 称设定值(二进制)说 明
CH-NO0 0111 0101载波频率为868.2MHz
HRFEQ-PLL1设定PLL工作模式
PA-PWR11输出功率为10dBm
RX-PW001接收地址字长为1byte
RX-PW0010 0000接收有效字节长度8bytes
TX-PW0010 0000发射有效字节长度8bytes
PX-ADDRESS1110 0111接收地址名0xE7h
UP-CLK-EN0外部时钟禁止
XOF011晶体振荡器16MHz频率
CRC-EN1使能CRC校验功能
CRC-MODE0使用8位CRC校验码

系统通讯时,各模块处于正常接收状态:收发使能位TRX-CE=1且方式选择位TX-EN=0。在运行过程中,可由用户编程修改TX-EN=1使各字节工作于发射状态。

本系统设定CMS和所有RTN的地址ADD均为0xE7h,这样,系统内CMS和所有RTN之间可以互相通讯,从而避免了其它系统的干扰。各节点识别码长度根据网络节点级数和容量配置,继承关系分配地址;通讯时,通过对目的机代码Mid和接收机代码Jid的比较和识别,不断修改接收机代码Jid,直至Jid=Mid为止,实现节点间的自动双向寻址。以图1中系统3级路径为例,所有模块识别码长度均配置为12位,CMS识别码配置为0x000h。各节点识别码按照上下级路径。继承关系分配地址:第一级节点识别码以高四位区分,其余位均为0,如节点0x100h与0x200h;第二级节点识别码高四位继承其上一级节点高四位识别码,以中间四位区分,如RTN100的下级节点0x110h与0x120h;第三级节点继承其上一级节点的前八位识别码,以低四位区分,如0x120h的下级节点0x121h与0x122h。通讯时,即按照这种上下级路径关系传输数据。采用上述方法,三级路径最大可以配置四千多个节点,能组成一个比较大的无线局域网络。

4 微处理器用户程序

该系统的处理器用户程序包括CMS用户程序和RTN用户程序,而它们又分别包括主程序和中断子程序两部分。

4.1 CMS用户程序

a.CMS主程序

(1)当Flagi=1时,CMS对接收到的数据进行存储和排序记录,并在气体深度超标时,使报菟输出端P0.3=1;最后将Flagi清0。

(2)当Sleep=1时,由CMS发送命令字(X=1)到指定节点,最后将Sleep清0。

此时,Mid为目的机识别码,Yid=0x000h,接收机识别码Jid可由CPU根据Mid高四位自动产生。

b.CMS中断子程序

(1)串行通信口接收计算机命令信号,置Sleep=1。中断优先级为最高。

(2)RD1=1时中断CPU,接收某节点RTNi信号,置标志字Flagi=1。中断优无级为次高。

(3)用定时器2监控各节点通讯记录:若在定时器2的一个定时周期T2内判断出某节点一直没有发送信号,则会记录相应警告信息,直至手动清除。其中,T2为系统中各节点和CMS通讯一次的最大迟滞时间,中断优先级为次低。

(4)定时器1定时中断CPU,将内存数据送上位计算机显示处理,中断优先级为最低。

4.2 RTN用户程序

a.RTN主程序

当Flagi=1时,CPU对Payload作如下处理后,最后将Flagi清0。

图2

(1)若接收的数据包中,Mid=0x000h,Yid为RTNj识别码,则数据来自下级节点RTNj,需净数据继续向CMS方向转发。

在转发数据包中,Jid内容由CPU对本机识别码的四位识别位清0获得,其它数据不变。

(2)若接收的数据包中,Mid为下级节点识别码,Yid=0x000h,则数据来自CMS,需将数据继续向下级路径转发。

在此转发数据包中,Jid内容由CPU将本机识别码和目的机识别码比较获得。

(3)若接收机的数据包中,Mid为本机识别码,判断X=1时执行命令字,作相应处理。

b.RTN中断子程序

(1)ADC转换结束标志EOC=1时产生中断,提醒CPU将Add、Jid、Mid、Yid、X=0和气体浓度Data依次送入nRF905模块,准备发射。最后将EOC清0,并重新启动ADC转换器。中断优先级为低。

(2)在RTNi中,RD1=1时产生中断,CPU读取nRF9E5的数据,若Payload中Jid为本节点识别码,存储数据并置Flagi=1;否则将Payload丢弃,Flagi不变。中断优先级为高。

此时,Add=0xFFh,Mid=0x000h,Yid为本机识别码。Jid内容由CPU对本机识别码的四位识别位置0获得。

5 总结

本文根据nRF9E5的工作特点,通过构建新的通讯协议,将其应用于多点气体浓度无线检测网络系统。此方案硬件电路连接简单,易于调试,各节点编程具有通用性,适用于较大范围内的数据测量。将系统信号采样部分稍加改造,可以应用于智能家庭、温度、湿度采集远程抄表等多种领域,因此,具有较高的实用推广价值。



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