基于NRF24LE1 无线猪体温测量系统的研究与设计

王 龙，张思豪

猪体温是猪的一个重要生理健康指标，生物学研究表明，猪的体温在38 ℃～39.5 ℃之间为正常，猪仔正常体温为38 ℃，如果猪生理机能发生扰乱时一般会伴有猪体温反常的症状［1］.因此，对养殖场所有生猪体温进行实时动态的监控，能够实现对生猪疫情的预警.而传统人工猪体温采集存在耗时长、耗费人力资源多等问题.

基于此，本文采用NRF24LE1芯片和DS18B20测温模块，设计出一款无线温度采集系统.该系统可以分为两个部分：第一部分是发送端，由无线模块与温度传感器组成；第二部分是接收端，接收端与PC 机通信，将检测到的温度值上传并显示出来.

整个系统以无线收发模块NRF24LE1 为核心，实现多点温度测量和多点发送，解决了传统人工采集耗时长、耗费人力资源多等问题.系统的设计突破了传统的传输方式，通过远程检测就可得到相应温度数据.具有通用性强、封装小、便于安装、耗能低等特点，市场推广价值较高.

1 硬件电路设计

1.1 系统总体框图设计

本系统以NRF24LE1 为核心，外接温度检测模块，通过串口模块与PC 机连接，实现温度值的显示.系统的总体框图如图1 所示.

图1 系统总体框图

系统采用模块化的设计方法，主要由两大部分构成：一部分是由温度传感器和NRF24LE1模块组成的温度采集端，完成温度的采集；另一部分是由NRF24LE1 芯片组成的接收端，使用串行口与PC 端进行互通，完成数值的上传与显示.

1.2 NRF24LE1 无线模块

（1）NRF24LE1 芯片.NRF24LE1 是一款成本低廉、内部集成了高性能微处理器的芯片，工作频段在2.4 Ghz～2.4853 Ghz 标准ISM 频段内［2］.该芯片内部还集合了Flash 暂存器、低功耗振荡器、AES 硬件加密器等多个元件，内部融合了增强型ShockBurst 技术，并且提供了理想的无线协议，保证数据传输的安全性.NRF24LE1 芯片在0 dB 的功率状态下发射数据时，仅需要电流大小为11.1 mA 即可，接收状态下所需的电流大小只需13.3 mA.这种低功耗的工作方式，对供电方式的设计要求简单，可延长系统的待机时间.

NRF24LE1 的基本特性：

①内置有高性能的微控制器并且还兼容8051 芯片的指令；

②16 KB 的片内Flash 存储代码空间；

③AES 硬件加密解密加速器；

④I/O 口使用方便：提供多个I/O 口；

⑤多种低功耗电源模式设计；

⑥NRF24LE1 有多种不同的封装形式；

⑦支持硬件调试器.

（2）NRF24LE1 芯片引脚功能.NRF24LE1的引脚封装图如图2 所示.

图2 NRF24LE1 引脚封装图

引脚功能：

①VSS：芯片接地端；

②VDD：芯片电源正极接口；

③P0.0～P1.6：外设连接端口；

④PROG：程序下载使能端口；

⑤RESET：低电平实现复位；

⑥VDD_PA：RF 功放电源供电，输出电压为+1.8 V；

⑦ANT1、ANT2：发射、接收天线的引脚接口；

⑧XC1、XC2：连接一个晶体振荡器；

⑨IREF：参考电流输出.

（3）工作模式.NRF24LE1 的工作方式有很多，可以通过设置CONFIG 寄存器在多种模式间进行转变，能够有效地降低功耗［3］.NEF24LE1芯片能够在四种不同的工作状态下运行，四种工作状态分别为：掉电状态、待机状态、接收状态和发射状态，其中待机状态又包括待机状态1、待机状态2 两种状态.其工作状态由相关寄存器进行设置，状态设置如表1 所示.

掉电模式.在该模式中，NRF24LE1 芯片的收/发功能被禁止使用，目的是降低自身的功耗，减少对电源的使用.该模式下PRIM_RX、rfce、FIFO的状态不需要设置，只需要将PWR_UP置为低电平即可.

待机模式.使芯片在功耗比较低的状态下有短暂的响应时间.

接收模式.是接收数据时的工作模式.作用是将从信道里接收到的数据包送入微处理器中进行对比处理，如果地址与循环校验码符合，则将接收到的数据保留.

发射模式.将采集到的数值与发送机地址和循环校验码打包传送给另一方.

（4）配置寄存器.芯片的运行状态及工作模式的选择都需要进行相关参数的配置，这些参数需要在配置寄存器中进行设置，这些配置寄存器的设置是芯片工作关键所在.表2列出了NRF24LE1 基本的配置寄存器.

（5）NRF24LE1 原理图.图3 为NRF24LE1模块电路原理图.

1.3 DS18B20 测温模块

（1）DS18B20 传感器特性.DS18B20 测温模块能够支持使用“一线总线”端口的数字测温传感器，是DALLAS 公司生产的单线传感器［4］.

DS18B20 管脚定义：

①DQ：控制DS18B20 的信号是输入还是输出；

②GND：接地；

表1 射频收发工作模式

表2 常用配置寄存器

图3 NRF24LE1 原理图

③VDD：电源正极；

④NC：悬空.

（2）DS18B20 的硬件连接.DS18B20 的硬件连接较为简单，但是程序相对比较难写.首先需要读懂DS18B20 的读写时序图，才能更好地书写程序. 在本设计中DS18B20 的DQ 与NRF24LE1 芯片的P13 口连接，如图4 所示.

图4 DS18B20连接图

2 系统软件流程设计

2.1 总体设计

发射端程序设计.发射端需要采集数据，所以先将DS18B20 初始化，从中提取出数值，数值分为高八位和低八位，然后把数值和地址、ID 号和循环校验码一起打包，发射出去.整个发射端的工作步骤如图5 所示.

图5 发射端发射总体步骤

首先应对接收端进行初始化，将其设置为接收模式，然后判断状态寄存器是否有中断标志.如果有接收中断标志，表示已经接收到数据，从暂存器中读出数据并对数据进行校验.数据正确则将其中的温度值提取出来，转化成十进制，在PC 机上打印.整个运行流程如图6 所示.

图6 接收端接收总体步骤

2.2 无线接收模块

接收端工作时，需要把NRF24LE1 芯片初始化，然后设置无线参数.首先设置CE 和RFCKEN 时钟使能端，关闭芯片中所有的数据通道，再开启接收数据通道0，只在通道0 中实现接收，之后还需要设置通道0 的自动应答.在CONFIG 寄 存 器 中，PRIM_RX 是RX/TX 模 式选择位，PRIM_RX 设置为高电平，芯片就为RX 模式［5］.再在RF_CH 中设置射频频道，只有接收端和发射端的射频频道处于同一信道内才能互相通信.之后设置无线传输的空中传输速率和工作时的输出功率，这两个参数的设置都在同一寄存器RF_SETUP 中设置，RF_DR_HIGH 掌管着空中无线速率的选择，有1 Mbps、2 Mbps 和250 kbps 三种选择，本设计选用的是250 kbps.RF_PWR 掌管着输出功率的选择，有0 dBm、-6 dBm、-12 dBm、-18 dBm四种选择，本设计选用0 dBm 的输出功率.然后在CONFIG 寄存器中设置CRC 校验，设置接受的数据长度，这两个都是用来判断接收到的数据格式是否正确.最后PWR_UP 设置为高电平，芯片才能正式作为接收端使用.接收端接收到数据后，检测数据包中的第一个数据、有效地址和循环校验码，当条件判断成立，才会把收到的数值保存.接收完成后接收端会自动生成一个应答信号，这个信号的作用是用来答复发射端，表示数据已经接收到位.接收端的工作运行步骤如图7 所示.

图7 无线接收流程图

2.3 无线发射模块

发射端首先要配置初始化寄存器.配置方法与接收端的无线配置流程一样，其中的数据通道、RF 信道、发射机地址、传输功率、空中无线速率，以及CRC 校验都需要设置为同样的参数，只需要将CONFIN 寄存器中的PRIM_RX 设置为低电平，让其在TX 状态下工作. 需要注意的是这些指令数据都需要在CSN 为低电平时才能够连续写入，否则无法写入指令和数据，在执行完后将CSN 的电平设置为高.发射完数据后，发射端会等待一个信号的传回，这个信号是由接收端发出的，只有接收到这个信号，发射端才会确保数据没有丢失，不会进行重发操作，否则会自动进行数据重发.最后整个发射完成后，就会进入寄存器低功耗状态，等待下一个发射命令的出现.以上发射端的工作步骤如图8 所示.

图8 无线发射流程图

3 系统测试

使用本系统与标准温度计同时测量猪的温度，对比两个温度值，观察误差.温度测量值对比如表3 所示.

表3 温度测量对比

通过表3 可以看出，温度计读出来的温度值与系统读取出来的温度值基本相近，误差非常小，达到了设计的要求.另外对收发距离进行测试，在30 m 以外进行数据传输、发射和接收的情况都非常好，能够正常地在电脑上显示数据.图9 为接收端将接收到的温度值在PC 机上打印出来的多点温度测量结果图.

图9 PC机显示

4 结语

本设计利用无线采集收发技术，对养殖场所有生猪的体温进行实时动态监控，相比于人工检测，该系统测量体温准确度高、省时、省力、方便、科学.系统可以实时采集温度数据，降低了生产成本和劳动强度，提高了养殖效率，有助于养殖技术自动化的实现.