朱思清，錢國明南京郵電大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院

基于NRF24L01的空氣粉塵濃度檢測(cè)器設(shè)計(jì)

朱思清，錢國明
南京郵電大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院

摘要：隨著環(huán)境污染的加重，空氣粉塵顆粒的濃度不斷增加，人們的健康也隨之受到危害，因此文中介紹了一種基于nRF24L01的空氣粉塵濃度檢測(cè)器的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)利用光電傳感器中光通過空氣粉塵折射產(chǎn)生的電壓信號(hào)，經(jīng)過放大整形后，通過AD轉(zhuǎn)換后由單片機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的處理，并在LCD上進(jìn)行顯示，同時(shí)由單片機(jī)通過nRF24L01進(jìn)行無線傳輸。接收端由nRF24L01接收信號(hào)至單片機(jī)，然后通過串口線將數(shù)據(jù)傳入PC上位機(jī)進(jìn)行顯示。

關(guān)鍵詞：nRF24L01；無線傳輸；粉塵濃度檢測(cè)

項(xiàng)目來源：南京郵電大學(xué)STITP重點(diǎn)項(xiàng)目。

1　引言

隨著工業(yè)和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及城市化的迅速推進(jìn)，空氣質(zhì)量不斷惡化，霧霾天氣逐漸增多?？諝庵械姆蹓m多為細(xì)小的固體顆粒物，其中PM0.1、PM2.5、PM10及其吸附的重金屬（如Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn等）粒子為霧霾的重要組成部分[1]。目前無線數(shù)據(jù)通信在工業(yè)、家居智能化、農(nóng)業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。因此本系統(tǒng)的目的是設(shè)計(jì)一個(gè)基于nRF24L01無線傳輸模塊的以ATmega328p作為主控的空氣粉塵濃度檢測(cè)器，以適用家居生活中的環(huán)境監(jiān)測(cè)，提醒大家關(guān)注空氣質(zhì)量問題。

2　系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

圖1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

空氣粉塵濃度檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。本系統(tǒng)主要由單片機(jī)ATmega328p主控模塊、空氣粉塵傳感器GP2Y1010AU0F、1.3寸OLED顯示屏、獨(dú)立按鍵預(yù)警模塊以及nRF24L01無線數(shù)據(jù)傳輸和接收模塊組成。GP2Y1010AU0F光學(xué)傳感器根據(jù)空氣中粉塵濃度值輸出模擬電壓信號(hào)，通過ATmega328p內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換為模擬值，再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后轉(zhuǎn)換為粉塵濃度值，在OLED液晶屏上進(jìn)行顯示。當(dāng)檢測(cè)計(jì)算得出的濃度值超過獨(dú)立按鍵自行設(shè)定的閾值時(shí)蜂鳴器進(jìn)行預(yù)警。同時(shí)將濃度值通過NRF24L01無線數(shù)據(jù)傳輸模塊發(fā)送。接收端通過nRF24L01進(jìn)行數(shù)據(jù)接收后通過串口傳輸至PC上位機(jī)并顯示粉塵濃度值。

3　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1信號(hào)采集模塊

本設(shè)計(jì)采用的傳感器為GP2Y1010AU0F光學(xué)濃度檢測(cè)傳感器。此傳感器利用內(nèi)部紅外發(fā)光管與接收管檢測(cè)粉塵，并依靠輸出脈沖的電壓值來計(jì)算濃度值。由于GP2Y1010AU0F對(duì)驅(qū)動(dòng)其LED的脈沖要求較高，輸入信號(hào)采樣周期為10ms±1ms；輸入高脈沖的寬度為0.32ms±0.02ms。所以對(duì)于采樣信號(hào)，需要等待輸入信號(hào)出現(xiàn)高脈沖以后再計(jì)時(shí)0.28ms進(jìn)行采樣。其中一個(gè)信號(hào)周期為10ms。

圖2.輸出電壓與粉塵濃度關(guān)系曲線

上圖為GP2Y1010AU0F的輸出電壓與空氣粉塵顆粒濃度值的關(guān)系曲線。由于傳感器的電源供壓為3.3V，所以可以基本認(rèn)為在輸出電壓范圍內(nèi)輸出電壓與粉塵濃度關(guān)系近似為一條直線。經(jīng)計(jì)算得出輸出電壓與空氣粉塵顆粒濃度的關(guān)系式為：Dust density= 0.17*Output voltage–0.1。

3.2單片機(jī)處理模塊

單片機(jī)核心選用的是ATmega328p微處理器。這是一款高性能、低功耗的RISC結(jié)構(gòu)的8位AVR微處理器，支持IIC以及SPI通信。同時(shí)其內(nèi)部的10位六通道ADC用于本系統(tǒng)對(duì)傳感器所得濃度值進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

3.3無線傳輸模塊

nRF24L01是Nordic公司研發(fā)的一款工業(yè)級(jí)集成鏈路層的射頻通信芯片。它采用全球普遍使用的2.4G~2.5GHzISM通信頻段，最高工作速率2Mbps，具有125個(gè)頻點(diǎn)，滿足多點(diǎn)通信和跳頻通信的需要，內(nèi)置硬件CRC檢錯(cuò)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信地址控制，支持SPI通信協(xié)議。nRF24L01的SPI接口可以與單片機(jī)的硬件SPI口進(jìn)行直接連接或者與單片機(jī)I/O口模擬的SPI口進(jìn)行通信。

nRF24L01繼承了所有與RF協(xié)議相關(guān)的高速信號(hào)處理部分，如自動(dòng)重發(fā)丟失信號(hào)數(shù)據(jù)包和自動(dòng)產(chǎn)生應(yīng)答信號(hào)等，采用Shock?Burst和Enhanced ShockBurst兩種協(xié)議引擎[2]。在Enhanced Shock?Burst模式下，數(shù)據(jù)包的裝配以及時(shí)序處理將自動(dòng)完成。nRF24L01功耗低，在-6dBm功率的工作模式下，發(fā)射端工作電流僅為9mA，接收端工作電流僅為12.3mA。

4　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1nRF24L01射頻收發(fā)芯片

4.1.1無線射頻發(fā)送模式

ATmega328p單片機(jī)和nRF24L01初始化后，設(shè)置接收標(biāo)識(shí)符，設(shè)置一次收發(fā)的字節(jié)數(shù)并將發(fā)送數(shù)據(jù)拆分為單字節(jié)數(shù)組形式，設(shè)置發(fā)送通道并確認(rèn)接收端通道與之一致，然后將接收機(jī)地址和即將發(fā)送數(shù)據(jù)按時(shí)序送入nRF24L01。將CE置高，等待10μs，數(shù)據(jù)包完成并完成CRC校驗(yàn)計(jì)算，并確認(rèn)接收機(jī)的地址位，延遲130μs左右后發(fā)射數(shù)據(jù)。

4.1.2無線射頻接收模式

接收端nRF24L01初始化后，定義兩個(gè)變量用于存儲(chǔ)舊結(jié)果和新結(jié)果防止相同結(jié)果一直輸出，設(shè)置接收標(biāo)識(shí)符，設(shè)置接收通道并保持與發(fā)送通道一致，等待接收數(shù)據(jù)并配置CONFIG寄存器使之進(jìn)入接收模式，把CE置高。等待約130μs后，nRF24L01進(jìn)入監(jiān)視狀態(tài)等待數(shù)據(jù)包。當(dāng)接收到正確的地址位和CRC校驗(yàn)碼后把字頭、地址位和CRC校驗(yàn)碼移去并把數(shù)據(jù)接收到數(shù)組中。nRF24L01把STATUS寄存器的DR1拉高并通知MCU，然后單片機(jī)將數(shù)據(jù)讀出。當(dāng)接收數(shù)據(jù)完畢時(shí)，nRF24L01將DR1置低。若CE在數(shù)據(jù)下載期間仍然保持為高，nRF24L01會(huì)重新進(jìn)入數(shù)據(jù)的接收準(zhǔn)備狀態(tài)；若CE被置低，則nRF24L01進(jìn)入空閑模式[3]。

4.2主程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由兩片ATmega328p共同組成控制系統(tǒng)。發(fā)送端：各模塊初始化，鍵盤輸入濃度閾值，傳感器采集當(dāng)前濃度值，當(dāng)濃度值大于閾值時(shí)蜂鳴器報(bào)警，然后在OLED上顯示當(dāng)前濃度值與閾值，無線模塊傳送數(shù)據(jù)；接收端：無線模塊收到數(shù)據(jù)，然后通過串口傳送至PC上位機(jī)。

5　總結(jié)

本文主要設(shè)計(jì)了一款空氣粉塵濃度檢測(cè)器，此系統(tǒng)以AT?mega328p為核心，采集的粉塵信號(hào)通過nRF24L01傳輸并由串口傳送至PC上位機(jī)。由于本設(shè)計(jì)使用的無線通信系統(tǒng)在日常生活中有著廣泛的應(yīng)用，隨著生活水平的提高，無線通信技術(shù)預(yù)計(jì)將在更多領(lǐng)域有著這更加廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

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[2]陸欣云，陳巍，張娟.基于FPGA的LED點(diǎn)陣系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)與分析[J].南京工程學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版.2011,9(3):40-44

[3]李閃，黃小莉，胡兵，等.基于nRF24L01的無線智能溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2011(12):52-54

導(dǎo)師簡(jiǎn)介：錢國明（1964-），男，浙江紹興人，南京郵電大學(xué)教授，研究方向?yàn)闊o線通信技術(shù)與信號(hào)處理。

作者簡(jiǎn)介：朱思清（1995-），男，江蘇南京人。