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摘 要:在智能化建筑控制系统、粮库测温系统、冷库测温系统等多种系统中都需要测量多点温度，传统的测温系统通信方式主要是采用固定的点对点之间的有线通信，施工麻烦且费用较高。如果能在每个采集数据的终端使用无线通信的方式进行数据传送，则可以省去通信设备之间的物理线路连接，不仅简化了施工难度和系统复杂度，还可以大大地降低系统成本。
关键词:数字温度传感器 通用无线测温系统，多点测温场合短距离无线通信的需要，性能可靠成本低廉，应用前景广阔。
一、系统硬件设计
（一）设计思路
系统由无线测温节点、基站和上位机三部分构成。无线测温节点分布在各温度采集点，它们与基站之间通过射频进行无线通信，由数字温度传感器DS18B20、无线收发模块nRF24E1、天线及电池组成。系统工作过程为：无线测温节点接收到基站发出的测温命令后，通过DS18B20 温度传感器获取相应位置的温度值，无线收发芯片nRF24E1 将数据打包后经无线传输到基站，随后进入待命状态，等待下一次测温命令。基站接收各点温度后利用RS232接口将各节点温度数据传到上位机供查询和显示。
（二）温度传感器选型
DS18B20 是美国DALLAS 半导体公司推出的应用单总线技术的数字温度传感器。主要技术特性如下：温度测量范围为-55℃~+125℃，9 位~12 位A/D 转换精度，测温分辨率可达0.0625℃；其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生；CPU 只需一根端口线就能与诸多DS18B20 通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路，以上特点使得DS18B20 非常适合用于精确测温场合[2]。DS18B20 采用16 位符号扩展的二进制补码读数形式提供测量的温度值，并按照0.0625℃/LSB 形式表达，其中S 为符号位。例如+25.0625℃的数字输出为0191H，－25.0625℃的数字输出为FF6FH。
（三）无线收发模块选型
在系统中，无线收发模块nRF24E1 是数据传输的核心。它在无线收发芯片nRF2401 的基础之上，将增强型8051MCU、9 输入10 位ADC、125 通道、UART 异步串口、SPI 接口、PWM 输出、RC 振荡器、看门狗和唤醒定时器全部集成到单芯片中，其室内传输距离可达30 至40 米，室外传输距离可达100 至200 米。nRF24E1 模块内集成了RADIO 模块，无线传输速度可达到1Mbit/s，在使用中，只需要一片nRF24E1 和少数的外围元件就能完成射频收发功能，大大减少了系统的体积[3]。该模块工作于2.4GHz 的ISM(工业、科学、医学)频段，有多达125 个频点，能够实现点对点、点对多点的无线通信，性能稳定，不易受外部环境影响。
二、软件实现
（一）软件系统结构
无线测温系统的软件包括：无线测温节点温度采集和数据无线传输程序，上位机的温度数据接收、筛选、显示和查询程序。系统软件结构(虚线框内为无线测温节点部分)。
（二）系统软件设计
系统软件设计主要包括基站、无线测温节点编程和上位机处理三部分，其中基站、无线测温节点都是对nFR24E1 芯片采用C 语言编程开发，上位机处理则采用VB.net 语言开发上位机程序。
1.基站主程序
首先进行初始化设置，内容包括设置串口通信参数、打开CPU 中断、打开串口中断、设置定时器T0 中断、设定中断优先级、判断调用各子程序等。没有中断时，基站处于等待状态，直到有中断需要响应时，基站进入相应的中断服务程序，向测温节点发送温度测试指令。当节点接收到命令后，基站转入接收状态，准备接收测得的温度数据。在基站接收完节点上传的温度数据后，根据中断指令上传给上位机，并保持待命状态，直到有新的中断需要响应为止。
2.无线测温节点主程序
系统初始化后，nRF24E1 向DS18B20 发初始化脉冲，接着发送Skip ROM 命令，将在线所有DS18B20 序列号存入nRF24E1 中，接着将nRF2401 置为接收待命状态，直至接收到基站测温命令即转入测温子程序，执行温度的检测。然后将测得的温度数据无线发送给基站，复位返回，等待下一次测温命令。nRF24E1 主程序。
nRF24E1 模块通过PWR_UP、CE 和CS 三个控制引脚设置nRF2401 的ShockBurst 收发方式。nRF24E1 的无线数据包格式如表1，其中前缀是由硬件自动添加；发送地址码为32~40位；CRC 校验和由内置CRC 纠检错硬件电路自动加上，可设为0、8 或16 位。无线数据包的总位数最多不能超过256 位。
（1）发送子程序。发送过程为：当测温节点有数据需要发送时，将CE 置高，接收节点地址和有效数据按时序被送到nRF2401 中；然后CPU 将CE 置低，激活ShockBurst 发送。ShockBurst 发送：RF 前端加电，完成RF 数据打包处理(加前缀，CRC 校验)，数据高速发送，发送完成返回等待。
（2） 接收子程序。接收过程为：校验接收到的RF 包的地址和包中有效数据的长度；把CE 置高，激活RX，经过200μs 延时处理，监视数据信号的到来；当收到一个有效的数据包(正确的地址和CRC)，自动移去前缀、地址和CRC 位。然后通过把DR1 置高来通知CPU，CPU 按时序以适当的速度把有效数据取出。在接收数据过程中，如果CE 保持高电平，当所有的有效数据都接收完，nRF2401 再次把DR1 置低，准备接收下一个数据包；如果CE 为低电平，则重新开始新的接收。
（3）测温子程序。nRF24E1 首先发出要查询的DS18B20 地址，所有的DS18B20 均响应中断，判断是否与主机查询的地址相符，地址符合的DS18B20 回送本机地址，并改变SM2，地址不符合的DS18B20 退出中断，SM2 保持1 不变。DS18B20 在与nRF24E1 建立联系后，以查询方式接收nRF24E1 接着发送的读DS18B20 序列号ROM 命令，读出在线的DS18B20 的序列号，一共八个字节并回送nRF24E1。读序列号时线上只能有一个DS18B20，否则会引起数据冲突。匹配指定DS18B20 命令先把接收到的相应测温点序列号放入单片机RAM 的指定地址中，然后向在线的多个DS18B20 发送匹配测温点的ROM 命令和已加载的序列号，只有序列号相同的DS18B20 响应匹配命令。最后单片机发送读寄存器命令，把相应DS18B20 寄存器内的数据放入单片机RAM 的指定地址中。
（三）上位机程序开发
采用 Visual Studio.net 平台下的Visual Basic.net 语言开发上位机程序实现对温度数据的处理和显示。
1.数据的接收和处理
本系统采用了时钟定时接收数据的方法，采用每1 秒触发一次的timer 控件的Tick 事件，每一秒取一次温度数据。
上位机串口经参数配置后即可通讯，每次接收到的数据包共10 个字节。
数据包处理过程如下：第一个字节代表测温点编号，第二、三个字节代表温度数据，先把这两个数据转化成16 进制的两位数，第二字节的第一个16 进制数代表温度值的正负，“0”为正，“F”为负。第二字节的第二个16 进制数和第三字节的第一个16 进制数合成为温度值的整数部分，第三字节的第二个16 进制数代表温度值的小数部分。同理，另外两个测温点的两组温度数据依次处理，最后一个16 进制数“AA”是结束标志。
2. 数据的查询和显示
上位机软件主要包括以下界面：实时温度显示界面可查询所有测温点的实时温度，直观明了；温度数据分析界面显示单个测温点的详细数据，如最大温度、最小温度、平均温度、变化速度、门限温度、超限时间等；温度曲线界面利用.NET 的GDI+方法绘制测温点的温度曲线图，动态显示温度变化；数据报表界面按照查询要求输出显示温度数据报表，并可实现打印功能。温度曲线界面如。
经实践证明，该无线测温系统不仅具有结构简单、价格低廉、精确度高等特点，而且性能稳定，适用范围广，因此特别适用于对测温精度要求较高且不宜进行有线传输的场合，应用前景十分广阔。
关键词:数字温度传感器 通用无线测温系统，多点测温场合短距离无线通信的需要，性能可靠成本低廉，应用前景广阔。
一、系统硬件设计
（一）设计思路
系统由无线测温节点、基站和上位机三部分构成。无线测温节点分布在各温度采集点，它们与基站之间通过射频进行无线通信，由数字温度传感器DS18B20、无线收发模块nRF24E1、天线及电池组成。系统工作过程为：无线测温节点接收到基站发出的测温命令后，通过DS18B20 温度传感器获取相应位置的温度值，无线收发芯片nRF24E1 将数据打包后经无线传输到基站，随后进入待命状态，等待下一次测温命令。基站接收各点温度后利用RS232接口将各节点温度数据传到上位机供查询和显示。
（二）温度传感器选型
DS18B20 是美国DALLAS 半导体公司推出的应用单总线技术的数字温度传感器。主要技术特性如下：温度测量范围为-55℃~+125℃，9 位~12 位A/D 转换精度，测温分辨率可达0.0625℃；其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生；CPU 只需一根端口线就能与诸多DS18B20 通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路，以上特点使得DS18B20 非常适合用于精确测温场合[2]。DS18B20 采用16 位符号扩展的二进制补码读数形式提供测量的温度值，并按照0.0625℃/LSB 形式表达，其中S 为符号位。例如+25.0625℃的数字输出为0191H，－25.0625℃的数字输出为FF6FH。
（三）无线收发模块选型
在系统中，无线收发模块nRF24E1 是数据传输的核心。它在无线收发芯片nRF2401 的基础之上，将增强型8051MCU、9 输入10 位ADC、125 通道、UART 异步串口、SPI 接口、PWM 输出、RC 振荡器、看门狗和唤醒定时器全部集成到单芯片中，其室内传输距离可达30 至40 米，室外传输距离可达100 至200 米。nRF24E1 模块内集成了RADIO 模块，无线传输速度可达到1Mbit/s，在使用中，只需要一片nRF24E1 和少数的外围元件就能完成射频收发功能，大大减少了系统的体积[3]。该模块工作于2.4GHz 的ISM(工业、科学、医学)频段，有多达125 个频点，能够实现点对点、点对多点的无线通信，性能稳定，不易受外部环境影响。
二、软件实现
（一）软件系统结构
无线测温系统的软件包括：无线测温节点温度采集和数据无线传输程序，上位机的温度数据接收、筛选、显示和查询程序。系统软件结构(虚线框内为无线测温节点部分)。
（二）系统软件设计
系统软件设计主要包括基站、无线测温节点编程和上位机处理三部分，其中基站、无线测温节点都是对nFR24E1 芯片采用C 语言编程开发，上位机处理则采用VB.net 语言开发上位机程序。
1.基站主程序
首先进行初始化设置，内容包括设置串口通信参数、打开CPU 中断、打开串口中断、设置定时器T0 中断、设定中断优先级、判断调用各子程序等。没有中断时，基站处于等待状态，直到有中断需要响应时，基站进入相应的中断服务程序，向测温节点发送温度测试指令。当节点接收到命令后，基站转入接收状态，准备接收测得的温度数据。在基站接收完节点上传的温度数据后，根据中断指令上传给上位机，并保持待命状态，直到有新的中断需要响应为止。
2.无线测温节点主程序
系统初始化后，nRF24E1 向DS18B20 发初始化脉冲，接着发送Skip ROM 命令，将在线所有DS18B20 序列号存入nRF24E1 中，接着将nRF2401 置为接收待命状态，直至接收到基站测温命令即转入测温子程序，执行温度的检测。然后将测得的温度数据无线发送给基站，复位返回，等待下一次测温命令。nRF24E1 主程序。
nRF24E1 模块通过PWR_UP、CE 和CS 三个控制引脚设置nRF2401 的ShockBurst 收发方式。nRF24E1 的无线数据包格式如表1，其中前缀是由硬件自动添加；发送地址码为32~40位；CRC 校验和由内置CRC 纠检错硬件电路自动加上，可设为0、8 或16 位。无线数据包的总位数最多不能超过256 位。
（1）发送子程序。发送过程为：当测温节点有数据需要发送时，将CE 置高，接收节点地址和有效数据按时序被送到nRF2401 中；然后CPU 将CE 置低，激活ShockBurst 发送。ShockBurst 发送：RF 前端加电，完成RF 数据打包处理(加前缀，CRC 校验)，数据高速发送，发送完成返回等待。
（2） 接收子程序。接收过程为：校验接收到的RF 包的地址和包中有效数据的长度；把CE 置高，激活RX，经过200μs 延时处理，监视数据信号的到来；当收到一个有效的数据包(正确的地址和CRC)，自动移去前缀、地址和CRC 位。然后通过把DR1 置高来通知CPU，CPU 按时序以适当的速度把有效数据取出。在接收数据过程中，如果CE 保持高电平，当所有的有效数据都接收完，nRF2401 再次把DR1 置低，准备接收下一个数据包；如果CE 为低电平，则重新开始新的接收。
（3）测温子程序。nRF24E1 首先发出要查询的DS18B20 地址，所有的DS18B20 均响应中断，判断是否与主机查询的地址相符，地址符合的DS18B20 回送本机地址，并改变SM2，地址不符合的DS18B20 退出中断，SM2 保持1 不变。DS18B20 在与nRF24E1 建立联系后，以查询方式接收nRF24E1 接着发送的读DS18B20 序列号ROM 命令，读出在线的DS18B20 的序列号，一共八个字节并回送nRF24E1。读序列号时线上只能有一个DS18B20，否则会引起数据冲突。匹配指定DS18B20 命令先把接收到的相应测温点序列号放入单片机RAM 的指定地址中，然后向在线的多个DS18B20 发送匹配测温点的ROM 命令和已加载的序列号，只有序列号相同的DS18B20 响应匹配命令。最后单片机发送读寄存器命令，把相应DS18B20 寄存器内的数据放入单片机RAM 的指定地址中。
（三）上位机程序开发
采用 Visual Studio.net 平台下的Visual Basic.net 语言开发上位机程序实现对温度数据的处理和显示。
1.数据的接收和处理
本系统采用了时钟定时接收数据的方法，采用每1 秒触发一次的timer 控件的Tick 事件，每一秒取一次温度数据。
上位机串口经参数配置后即可通讯，每次接收到的数据包共10 个字节。
数据包处理过程如下：第一个字节代表测温点编号，第二、三个字节代表温度数据，先把这两个数据转化成16 进制的两位数，第二字节的第一个16 进制数代表温度值的正负，“0”为正，“F”为负。第二字节的第二个16 进制数和第三字节的第一个16 进制数合成为温度值的整数部分，第三字节的第二个16 进制数代表温度值的小数部分。同理，另外两个测温点的两组温度数据依次处理，最后一个16 进制数“AA”是结束标志。
2. 数据的查询和显示
上位机软件主要包括以下界面：实时温度显示界面可查询所有测温点的实时温度，直观明了；温度数据分析界面显示单个测温点的详细数据，如最大温度、最小温度、平均温度、变化速度、门限温度、超限时间等；温度曲线界面利用.NET 的GDI+方法绘制测温点的温度曲线图，动态显示温度变化；数据报表界面按照查询要求输出显示温度数据报表，并可实现打印功能。温度曲线界面如。
经实践证明，该无线测温系统不仅具有结构简单、价格低廉、精确度高等特点，而且性能稳定，适用范围广，因此特别适用于对测温精度要求较高且不宜进行有线传输的场合，应用前景十分广阔。