摘要： 为开展基于无线传感器网络的检测实验，解决现有《测试技术》、《传感器原理与应用》通用实验平台的不足，设计并实现了一种采用单片射频收发芯片nRF905和单片机STC89C52为数据处理收发模块，PIC16F877为数据采集模块的无线检测实验平台。该平台能够实现各种电流、电压传感器的搭建，并可以用组态软件进行管理。
Abstract: To develop detection experiments based on wireless sensor network, solve the existing insufficient general experiment platform on Principles and Applications of Transducer and Detection Technology. Designed and realized a wireless detection experiment platform using nRF905 and STC89C52. The platform can link a variety of current and voltage sensor, and be managed through the configuration software.
关键词： 无线传感器网络；nRF905；STC89C52；组态软件
Key words: wireless sensor networks；nRF905；STC89C52；configuration software
中图分类号：TH117.2文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）16-0175-02
基金项目：嘉兴市科技计划项目（2009AY2016与2010BY6016）浙江省大学生科研创新团队资助项目（851909119与851909110）。
作者简介：缪聪聪（1987-），女，浙江瑞安人，学生，主要从事无线传感器网络研究；沈焱鑫（1989-），男，浙江嵊州人，学生，研究方向为无线传感器网络；张伟（1980-），男，山东沂南人，讲师，浙江大学在读博士研
究生，主要从事无线传感器网络研究；陈玥玮（1989-），女，浙江杭州人，学生，主要从事无线传感器网络研究；朱程峰（1987-），男，浙江余姚人，主要从事无线传感器网络研究。
0 引言
设计了一个无线检测实验平台，包括数据采集模块、数据处理收发模块。用PIC16F877数据采集模块对各种电流、电压模拟传感器信息进行采集或者通过串口连接数字传感器（如DB171），采用单片机STC89C52和nRF905作为无线数据收发模块单片射频收发器nRF905，它可实现自动处理字头、CRC循环冗余码校验和曼彻斯特编码，解码等功能，传输距离远、速率快、数据收发性能稳定。平台能对将要采集信息进行处理后进行无线发送或接收。
1 平台框架及硬件电路
无线检测实验平台由测量从板和主控板两部分组成。基本结构包括数据采集模块、数据处理模块和数据无线收发模块等三个模块。测量从板主要完成对现场信号数据的采集和发送。主控板的主要工作是接收数据信息，通过组态软件进行数据处理和数据管理等。
1.1 数据采集模块 通过单片机PIC16F877实现了A/D转换，使得不管是4~20mA的电流信号还是0~5V的电压信号都能转换成数字信号。然后通过485口与数据处理收发模块进行通信。
1.2 数据处理收发模块
1.2.1 nRF905芯片 无线收发模块采用单片射频收发器nRF905，nRF905是挪威Nordic VLSI公司的产品，工作电压为1.9~3.6V，工作于433/868/915MHz三个ISM（工业、科学、医学）频道[1]。nRF905适用于无线数据通信、无线报警及安全系统、无线开锁、无线监测、家庭自动化和玩具等诸多领域。
nRF905是一块集成度较高的无线数据收发芯片，含电源管理、晶体振荡器、低噪声放大器、频率合成器等模块，可实现自动处理字头、CRC循环冗余码校验和曼彻斯特编码解码等功能，使用非常方便。作为从机工作时，nRF905与主机进行数据传递主要通过SPI接口进行的。SPI（Serial Peripheral Interface）是一种串行同步通信协议，由一个主设备和一个或多个从设备组成，主设备启动一个与从设备的同步通讯，从而完成数据的交换[2]。
nRF905单片无线收发器采用GFSK调制方式，偏移值为±50kHz，通过GFSK调制后的有效传输带宽比FSK调制后的带宽更宽。nRF905由一个完全集成的频率调制器，一个带解调器的接收器，一个功率放大器，一个晶体振荡器和一个调节器组成。nRF905的数据发送速率为100kbps，数据在内部进行曼切斯特编码（TX）和曼切斯特解码（RX），即数据传输有效的连接速率是50kbps。传输数据时为非实时方式，即接收端收到数据后先暂存于存储器内，MCU 可以在需要时到芯片中去取，一次最多传输32字节数据[3]。nRF905的特点如下：①载波检测（CD）。工作在接收模式时，若有与器件被编程通道相同的载波出现，CD引脚置高，这一特征对于避免工作在相同频率的不同发射机的数据碰撞非常有效。当器件准备发射数据时，应先进入接收模式，判断通道是否可以传送数据。②地址匹配（AM）。工作在接收模式时，接收的数据包地址与器件自身地址相同，AM引脚置高。这一特征对MCU非常有用。若AM引脚置高，MCU可以选择等待DR信号置高，或是放弃一个可能已经接收的有效数据包并改变工作模式。③数据准备就绪（DR）。发送模式时，一个完整的数据包发射结束时DR置高，MCU可通过DR知道nRF905已经准备好下一轮的动作。DR信号在数据包传输开始或转换到接收模式或Standby模式时复位置低。自动重发模式时，DR在前导码的开始时置高，在前导码的结束时置低。DR信号在每次数据包传输开始时产生脉冲。接收模式时，DR在接收到有效数据包（有效地址、有效的数据长度、正确的CRC）时置高，之后MCU可通过SPI接口读取数据。当数据缓冲区中数据被读空或转换为发送模式时，DR置低[4]。
nRF905有两种活动模式（TX/RX）和两种节电模式。模式由TRX_CE，TX_EN，PWR_UP设置。
1.2.2 收发模块硬件设计 nRF905一个非常突出的优点就是收发模块电路设计简单，所需外围电路少。设计中采用的是差分环行天线。这种天线可以直接蚀刻在PCB板上，不会带来其他的成本增长。典型的环形天线由电路板上的铜走线组成的电回路构成，也可能是一段制作成环形的导线。其等效电路相当于两个串联电阻与一个电感的串联。
2 系统软件设计
系统软件包括数据采集程序，数据处理收发程序和上位机软件三个部分。
2.1 数据采集设计 该程序主要实现的是接受到的4~20mA或者0~5V的模拟信号扩大1000倍后转化成十六进制的数字信号，并有CRC校验。最终通过485芯片发送数据。系统流程图如图1所示。
2.2 数据处理收发模块 设计中用到两个nRF905无线收发模块，一块作为发送模块，另外一块作为接收模块[5]。nRF905程序流程图，如图2、图3所示。主控芯片采用的是STC89C52单片机，在使用无线收发模块的时候，首先要通过STC89C52单片机通过SPI通信对nRF905模块进行配置，这个配置是通过对其配置寄存器的设置来完成的。nRF905有一个144bit的配置字，该配置字规定了无线收发器的接收地址，收发频率，发射功率，无线传输速率，无线收发模式以及CRC校验和有效数据的长度。在同一时刻，无线收发器只能处于接收或者发送模式中的一种。
对于不带SPI串行总线接口的MCS-51系列单片机来说，可以使用软件来模拟SPI的操作，包括串行时钟、数据输入和数据输出。对于不同的串行接口外围芯片，它们的时钟时序是不同的。对于在SCK的上升沿输入（接收）数据和在下降沿输出（发送）数据的器件，一般应将其串行时钟输出口P2.1的初始状态设置为l，而在允许接收后再置P2.1为0。这样，MCU在输出1位SCK时钟的同时，将使接口芯片串行左移，从而输出1位数据至MCS.51单片机的P2.3口（模拟MCU的MISO线），此后再置P2.1为1，使MCS.51系列单片机从P2.2（模拟MCU的MOSI线）输出1位数据（先为高位）至串行接口芯片。至此，模拟1位数据输入输出便宣告完成。此后再置P2.1为0，模拟下1位数据的输入输出口，依此循环8次，即可完成1次通过SPI总线传输8位数据的操作。对于在SCK的下降沿输入数据和上升沿输出数据的器件，则应取串行时钟输出的初始状态为0，即在接口芯片允许时，先置P2.1为1，以便外围接口芯片输出1位数据（MCU接收1位数据），之后再置时钟为0，使外围接口芯片接收1位数据（MCU发送1位数据），从而完成1位数据的传送。
2.3 上位机软件设计 组态软件选用MCGS通用版，实现一个人机交互界面。根据传感器输入的信息数据，进行选择、查询，数据的计算，报警灯的显示，数据曲线的显示，历史数据的查询、计算、报表的打印等[6]。
3 结论
本文的创新点在于利用nRF905作为无线收发模块，实现低功耗的无线通信，利用PIC16F877作为数据采集模块，实现各种数模传感器的连接。以上电路设计的平台，构成的无线传感网络为各种传感器的检测演示实验提供了很大的方便。
参考文献：
[1]徐成，曾祺，魏峰.无线传感网络中通用传感器节点硬件结构设计.计算机工程与应用，2007，43（08）：103-105.
[2]周桦，张凤登.无线传感器网络硬件平台的选型与搭建.微计算机信息，2007，（04）：163-164.
[3]侯海岭，姚年春.无线收发芯片nRF905的原理及其在单片机系统中的应用.仪器仪表用户，2006，13（03）：70-71.
[4]黄涛，白创，徐靖.嵌入式无线互连系统开发从实践到提高[M]．北京：中国电力出版社，2007，68-72.
[5]Loren Schwiebert，Sandeep K.S.Gupta，Jennifer Weinmann.Research challenges in wireless networks of biomedical sensors.In Mobile Computing and Networking，2001，151-165.
[6]Wan C Y，Campbell A T，Krishnamurthy L.PSFQ：A Reliable Transport Protocol for Wireless Sensor Network，IEEE Journal on Selected Areas in Communications，2003，23（4），862-872.
