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一種基于nRF9E5的無線監測局域網的系統
摘要：給出了用無線收發模塊nRF9E5設計的局域網系統，以實現對有毒氣體濃度進行無線監測的系統設計方案。闡述了該系統硬件和軟件的設計方法。文章通過構建合理的通訊協議，有效地解決；了節點間的通訊尋址問題，保證了通訊的可靠性。關鍵詞：nRF9E5；無線局域網絡；通訊協議；無線監測
當今，無線技術正快速應用于許多產品之中，與有線技術相比，無線技術主要具有成本低、攜帶方便、省去布線煩惱等優點。特別適用于工業數據采集系統、無線遙控系統、小型無線網絡、無線RS485/232數據通信系統等。本文給出了一種用于監測有毒氣體的無線局域網絡系統方案設計方案。
1系統的功能及組成
在石華工業中，為了有效監測空氣中H2S、CL2等有毒氣體的濃度，把隱患消滅于萌芽狀態，通常需要設計許多無線網絡檢測系統。圖1所示就是一種多任務無線通訊局域網示意圖。該系統是由一臺中央監控設備CMS（centermoniteringsystem）和多臺遠程終端節點RTN（remoteterminalnodes）組成的多任務無線通信網絡。其中的中央監控設備CMS主要由無線收發模塊Nrf9e5、報警裝置和上位機組成，能夠接收遠程各節點信息，監控節點運行情況，并能根據上位機要求發送命令字到指定節點。各節點RTN主要由有毒氣體傳感部分和無線接收模塊Nrf9e5組成，能夠采樣并發送數據到CMS，接收并執行CMS發送來的指令，并且可作為中轉站間接傳輸數據。
在CMS工作信號覆蓋范圍內，各節點和CMS直接通訊，如圖中RTN100、RTN200和CMS之間可以直接通訊。在CMS工作信號覆蓋范圍外，各遠程終端節點其上級相應節點和CMS間接通訊，如圖中RTN121、RTN122依次通過RTN120、RTN100和CMS來進行間接通訊。采用這種方法，可將系統擴展成一個非常大的無線居域網絡。
2硬件設計
2．1硬件電路連接
中央監控設備（CMS）電路主要包括監控計算機、接收模塊nRF9E5及報菟裝置，具體電路如圖2所示。圖中，把nRF9E5的P0.1、P0.2口配置成SCI模式，外接MAX232轉換電路，和上位機進行串行通訊；P0.3配置成普通端口，外接報警裝置。
該系統中的遠程終端節點（RTN）電路主要由射頻模塊nRF9E5和氣體變送器GT-130/H2S-1組成。ADC模塊選用內部參考電壓，氣體傳感裝置能夠輸出4~20mA電流，經75Ω電阻轉換為0.3~1.5V電壓信號，來作為ADC模擬量輸入信號。電路連接和圖2基本相似，區別是斷開圖2中的P0.1-P0.3端口，將變送器輸出端和nRF9E5的AIN0引腳相連接。
2．2無線收發模塊nRF9E5
nRF9E5是挪威Nordic公司的產品。該芯片采用+3VDC供電，面積為5mm×5mm，共有32個外部引腳，包括UART和SPI等功能。內部集成了nRF9E5射頻模塊、8051微控制器及A/D轉換模塊，具有433/868/915MHz三波段載波頻率。采用GFSK調制，抗擾能力強；支持多點通訊，數據傳輸速率高達0.1Mbps。具有特有的ShockBurst信號發射模式和發射信號載波監測功能，可有效降低功耗電流、避免數據沖突。內部寄存器為用戶提供了基礎的通訊協議，便于用戶擴展，縮短了開發周期。外圍電路連接極為簡單，只需要一個晶體管和一個電阻，nRF9E5輸出端ANT1、ANT2外接50Ω單天線終端裝置，信號有效發射距離無遮擋時可達800m以上，有建筑物等遮擋時可達350m左右。
3軟件設計
3．1通訊協議
CMS可與在其信號覆蓋范圍內的RINT進行直接通訊，在其工作信號覆蓋范圍之外的RIN通過其它節點轉載信號實現與CMS的間接通訊。同時，CMS能夠根據接收的數據內容判斷信號來自哪一個RTN節點。為此，需把系統通訊協議設置為下列格式：
Prea-mbleAddPayloadCRCJidMidYidXData
Preamble為引導字節；Add為接收機地址；Payload為有效加載數據（包括接收機識別碼Jid、目的機識別碼Mid、源信號機識別碼Yid及Data字：狀態字X=1時Data為命令字，X=0時Data為濃度數據）；CRC為校驗碼。
nRF9E5處于發射模式時，Add和Payload由微控制器按順序送入射頻模塊nRF9E5,Preamble和CRC由nRF9E5自動加載。接收模塊時，nRF9E5先接收一數據包，分別驗證Preamble、Add和CRC正確后，再將Payload數據送入微控制器處理；當接收機微處理器判斷Payload中的Payload中的Jid和本機識別碼號一致時，繼續處理后繼數據，否則放棄該數據包。
要實現上述數據通訊功能，需進行nRF9E5初始化配置和用戶程序設計。
3．2nRF9E5子系統初始化配置
在nRF9E5模塊中，特殊寄存器RF-Register包含10個字節，其配置字內容可決定射頻模塊nRF9E5的工作特性，表1列出本設計中特殊寄存器RF-Register需要配置的基本參數（文中未述及的參選用默認值）。
表1RF-Register寄存器部分字節配置說明
名稱設定值（二進制）說明CH-NO001110101載波頻率為868.2MHzHRFEQ-PLL1設定PLL工作模式PA-PWR11輸出功率為10dBmRX-PW001接收地址字長為1byteRX-PW00100000接收有效字節長度8bytesTX-PW00100000發射有效字節長度8bytesPX-ADDRESS11100111接收地址名0xE7hUP-CLK-EN0外部時鐘禁止XOF011晶體振蕩器16MHz頻率CRC-EN1使能CRC校驗功能CRC-MODE0使用8位CRC校驗碼
系統通訊時，各模塊處于正常接收狀態：收發使能位TRX-CE=1且方式選擇位TX-EN=0。在運行過程中，可由用戶編程修改TX-EN=1使各字節工作于發射狀態。
本系統設定CMS和所有RTN的地址ADD均為0xE7h，這樣，系統內CMS和所有RTN之間可以互相通訊，從而避免了其它系統的干擾。各節點識別碼長度根據網絡節點級數和容量配置，繼承關系分配地址；通訊時，通過對目的機代碼Mid和接收機代碼Jid的比較和識別，不斷修改接收機代碼Jid，直至Jid=Mid為止，實現節點間的自動雙向尋址。以圖1中系統3級路徑為例，所有模塊識別碼長度均配置為12位，CMS識別碼配置為0x000h。各節點識別碼按照上下級路徑。繼承關系分配地址：第一級節點識別碼以高四位區分，其余位均為0，如節點0x100h與0x200h；第二級節點識別碼高四位繼承其上一級節點高四位識別碼，以中間四位區分，如RTN100的下級節點0x110h與0x120h；第三級節點繼承其上一級節點的前八位識別碼，以低四位區分，如0x120h的下級節點0x121h與0x122h。通訊時，即按照這種上下級路徑關系傳輸數據。采用上述方法，三級路徑最大可以配置四千多個節點，能組成一個比較大的無線局域網絡。
4微處理器用戶程序
該系統的處理器用戶程序包括CMS用戶程序和RTN用戶程序，而它們又分別包括主程序和中斷子程序兩部分。
4.1CMS用戶程序
a.CMS主程序
（1）當Flagi=1時，CMS對接收到的數據進行存儲和排序記錄，并在氣體深度超標時，使報菟輸出端P0.3=1；最后將Flagi清0。
（2）當Sleep=1時，由CMS發送命令字(X=1)到指定節點，最后將Sleep清0。
此時，Mid為目的機識別碼，Yid=0x000h，接收機識別碼Jid可由CPU根據Mid高四位自動產生。
b.CMS中斷子程序
（1）串行通信口接收計算機命令信號，置Sleep=1。中斷優先級為最高。
（2）RD1=1時中斷CPU，接收某節點RTNi信號，置標志字Flagi=1。中斷優無級為次高。
（3）用定時器2監控各節點通訊記錄：若在定時器2的一個定時周期T2內判斷出某節點一直沒有發送信號，則會記錄相應警告信息，直至手動清除。其中，T2為系統中各節點和CMS通訊一次的最大遲滯時間，中斷優先級為次低。
（4）定時器1定時中斷CPU，將內存數據送上位計算機顯示處理，中斷優先級為最低。
4．2RTN用戶程序
a.RTN主程序
當Flagi=1時，CPU對Payload作如下處理后，最后將Flagi清0。
圖2
（1）若接收的數據包中，Mid=0x000h,Yid為RTNj識別碼，則數據來自下級節點RTNj，需凈數據繼續向CMS方向轉發。
在轉發數據包中，Jid內容由CPU對本機識別碼的四位識別位清0獲得，其它數據不變。
（2）若接收的數據包中，Mid為下級節點識別碼，Yid=0x000h，則數據來自CMS，需將數據繼續向下級路徑轉發。
在此轉發數據包中，Jid內容由CPU將本機識別碼和目的機識別碼比較獲得。
（3）若接收機的數據包中，Mid為本機識別碼，判斷X=1時執行命令字，作相應處理。
b.RTN中斷子程序
（1）ADC轉換結束標志EOC=1時產生中斷，提醒CPU將Add、Jid、Mid、Yid、X=0和氣體濃度Data依次送入nRF905模塊，準備發射。最后將EOC清0，并重新啟動ADC轉換器。中斷優先級為低。
（2）在RTNi中，RD1=1時產生中斷，CPU讀取nRF9E5的數據，若Payload中Jid為本節點識別碼，存儲數據并置Flagi=1;否則將Payload丟棄，Flagi不變。中斷優先級為高。
此時，Add=0xFFh,Mid=0x000h,Yid為本機識別碼。Jid內容由CPU對本機識別碼的四位識別位置0獲得。
5總結
本文根據nRF9E5的工作特點，通過構建新的通訊協議，將其應用于多點氣體濃度無線檢測網絡系統。此方案硬件電路連接簡單，易于調試，各節點編程具有通用性，適用于較大范圍內的數據測量。將系統信號采樣部分稍加改造，可以應用于智能家庭、溫度、濕度采集遠程抄表等多種領域，因此，具有較高的實用推廣價值。
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