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基于nRF24L01和STM32F407的无线传输系统设计
罗林锋
【期刊名称】《科技广场》
【年(卷),期】2014(000)005
【摘要】本文设计了一种可应用于老年人跌倒检测的多传感器数据无线传输系统，该系统由无线传感器节点、接收数据的基站和处理数据的上位机组成。
系统主要采用串口中断的方式进行数据的实时接收和处理，并且可应用于老年人跌倒过程中加速度、角速度及姿态角的无线采集。
经测试，该系统节点和上位机之间的可靠性高、实时性好，对老年人的安全保障具有很好的应用价值。
【总页数】4页(P122-125)
【作者】罗林锋
【作者单位】江西理工大学信息学院，江西赣州 341000
【正文语种】中文
【中图分类】TP274;TN92
【相关文献】
1.基于无线传输模块NRF24L01的简易智能家居系统设计 [J], 王玲;孙冬冬
2.基于nRF24L01芯片的图像无线传输系统设计 [J], 刘翔;周桢
3.基于STM32F407VGT6单片机和NRF24L01+无线图像传输智能侦查车系统[J], 刘凯华
4.基于PIC16F726和nRF24L01的短距离无线传输系统设计 [J], 张肖汉;陈以;李
明伟
5.基于nRF24L01模块无线传输的人体脉搏红外探测系统设计 [J], 罗箫;奚小东;吴晗平
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基于nRF24L01的智能家居网络的设计作者：谢曌东来源：《物联网技术》2013年第09期摘要：智能家居是当前物联网的主要应用之一，当前采用的技术主要有ZigBee和Z-Wave技术。
然而，ZigBee器件成本昂贵，Z-Wave技术是非开发式标准，存在系统的兼容性问题。
针对上述问题，文中提出了基于NRF24L01实现智能家居系统的解决方案。
同时详细地介绍了智能家居系统的框架和通信协议，并给出了可行的解决方法。
最终测试结果表明，使用nrf24L01是一套低成本的智能家居解决方案，可进一步推进智能家居的应用。
关键词：2.4 GHz；智能家居；nRF24L01；通信协议中图分类号：TP393；TN92 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2013）09-0042-030 引言随着计算机、通信、自动控制和微电子技术的发展，无线传感网络[1]成为当前研究热点，其主要应用领域涉及工业控制、环境监测和智能家居等。
其中，智能家居应用尤为瞩目[2]，旨在建立由家庭安全防护系统、网络服务系统和家庭自动化系统组成的家庭综合服务和管理集成系统，实现全面安全防护、便利通信网络以及舒适的居住环境。
目前，在智能家居领域开发应用中，2.4 GHz的ZigBee和900 MHz频段的Z-Wave两大技术应用最为广泛。
Z-Wave是一种基于射频的低成本、低功耗、高可靠性的短距离无线通信技术，数据传输速率达9.6 Kb/s，信号有效覆盖范围室内为30 m，室外可超过100 m；单一家庭网络最多可支持232个节点，足以满足一般家庭需求。
目前，美国市场上已有成品的Z-Wave家居产品销售，包括各种家电控制设备，如 Zensys公司推出的远程遥控器、插座等，然而 Z-Wave联盟并没有开放其标准，束缚了系统的开发和扩展。
基于IEEE 802.15.4 协议的ZigBee技术是一种短距离的通信标准，有着近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率的特点。
nRF24L01的工作原理nRF24L01是一种低功耗2.4GHz无线收发器，广泛应用于物联网、传感器网络和无线通信系统等领域。
它采用射频（RF）技术，能够在无线环境中实现高速数据传输和可靠的通信连接。
本文将详细介绍nRF24L01的工作原理，包括其硬件结构、通信协议和工作模式等。
一、硬件结构nRF24L01由射频前端、基带处理器和外围电路组成。
射频前端包括功率放大器、低噪声放大器和射频开关等，用于接收和发送无线信号。
基带处理器负责信号调制、解调和协议处理等功能。
外围电路包括晶振、电源管理和SPI接口等，用于提供稳定的时钟和电源，并与主控设备进行通信。
二、通信协议nRF24L01使用2.4GHz的ISM频段，采用射频通信协议来实现数据传输。
它支持多种通信模式，包括点对点模式、广播模式和多点模式等。
在点对点模式下，一个nRF24L01作为发送器，另一个nRF24L01作为接收器，它们之间通过射频信道进行数据交换。
在广播模式下，一个nRF24L01可以同时向多个接收器发送数据。
在多点模式下，多个nRF24L01可以互相通信，形成一个网络。
nRF24L01使用GFSK调制和解调技术，通过改变载波频率的相位和幅度来传输数字信号。
它还使用自适应频率跳频技术，可以在不同的射频信道上工作，以避免干扰和提高通信质量。
此外，nRF24L01还支持数据包重传、自动应答和信道切换等功能，以提高通信的可靠性和稳定性。
三、工作模式nRF24L01有两种工作模式：发送模式和接收模式。
在发送模式下，nRF24L01将待发送的数据加载到发送缓冲区，并通过射频信道发送给接收器。
在接收模式下，nRF24L01监听射频信道，接收来自发送器的数据，并将其存储在接收缓冲区中。
发送器和接收器之间通过射频信道进行双向通信，以实现数据的传输和交换。
nRF24L01还支持睡眠模式和待机模式，以降低功耗。
在睡眠模式下，nRF24L01关闭大部分电路，只保持少量的关键电路运行，以便快速唤醒和恢复正常工作。
基于nRF24L01的PC机无线数据传输设计摘要介绍以ATmega16单片机为控制核心,nRF24L01无线模块作为收发控制器的PC机无线通信,ATmega16单片机通过串口与PC机通信,通过spi串行通信方式与nRF24L01无线模块进行数据传送。
关键词nRF24L01;ATmega16;无线通信;PC机近年来,随着射频技术、集成电路、自动控制、无线数据通信技术的迅速发展,无线传输技术已经被广泛应用于实际中。
本文设计了一种基于nRF24L01 的无线数据传输系统, 该系统具有工作稳定可靠、传输速率高、体积小、成本低、功耗低、软硬件设计简单、通信稳定、使用灵活等特点。
对于短距离的无线数据传输很有应用价值。
1无线收发芯片nRF24L011.1nRF24L01 芯片的特点及其应用nRF24L01 是NORD IC 公司的一款新型单片射频收发器件, 工作于2.4～2.5GHz ISM 频段。
内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块,并融合了增强型ShockBurst 技术,其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。
nRF24L01 功耗低,在以-6dBm 的功率发射时,工作电流只有9mA;接收时,工作电流只有12.3mA,多种低功率工作模式(掉电模式和空闲模式)使节能设计更方便。
nRF24L01 的主要特性如下:1) GFSK 调制;2) 具有自动应答和自动再发射功能;3) 片内自动生成报头和CRC 校验码;4) 数据传输率为lMbps 或2Mbps;5) SPI 速率为0～10Mbps;6) 与其他nRF24 系列射频器件相兼容;7) 供电电压为1.9～3.6V。
nRF24L01 芯片具有两种通信模式: 直接模式(DirectMode)和突发模式(ShockBurs Mode)。
直接模式的使用与其他传统射频收发器的原理一样,需要通过软件在发送端添加校验码和地址码,在接收端判断是否为本机地址,并检查数据是否传输正确。
基于NRF24L01+的多点无线测温系统设计【摘要】利用NRF24L01+和AT89S51单片机构成无线测温模块，多点发送，一点接收，接收到的温度数据送到单片机，经过单片机处理后，再通过RS232串行通信发送至上位PC机接收程序加以显示。
【关键词】NRF2401+；无线测温；RS232串行通信NRF24L01+是一款功能完备的无线收发芯片，工作在2.4～2.5GHz世界通用ISM频段的单片无线收发器芯片。
无线收发器包括：频率发生器、增强型SchockBurstTM模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器、解调器。
输出功率、频道选择和协议的设置可以通过SPI接口进行设置。
nRF24L01+功耗低，在以-6dBm的功率发射时，工作电流也只有9mA；接收时，工作电流只有12.3mA，多种低功率工作模式（掉电模式和空闲模式）使节能设计更方便。
利用NRF24L01+、AT89S51单片机、DS18B20数字温度传感受器可以构成性能稳定、使用方便的无线测温模块，再编写相应的模块控制程序和上位机接收程序，就可以构成多用途的无线测温系统。
本设计的实物已经在某公司电子节能灯测试线投入实际使用，效果较好，能方便直观地监测各点温度。
也可以对硬件和软件加以适当改动，应用于其他如仓库管理、气象监测等场合。
1.硬件构成1.1 NRF24L01+简介NRF24L01是一款工作在2.4-2.5GHz世界通用ISM频段的单片无线收发器芯片。
无线收发器包括：频率发生器、增强型SchockBurstTM模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器、解调器。
输出功率、频道选择和协议的设置可以通过SPI接口进行设置。
NRF24L01功耗低，在以-6dBm的功率发射时，工作电流也只有9mA；接收时，工作电流只有12.3mA，多种低功率工作模式（掉电模式和空闲模式）使节能设计更方便。
NRF24L01+芯片共计20个引脚，各引脚排列及功能标注如图1所示。
A Dissertation Submitted toNanjing Institute of TechnologyFor the Academic Degree of Bachelor of ScienceBysupervised byCollege of Communication EngineeringNanjing Institute of TechnologyJune 2010NRF24l01无线温度传感摘要随着工农业生产对温度的要求越来越高，准确测量温度变得至关重要。
本系统的设计主要是针对恶劣环境下的工业现场以及高科技大范围的农业现场，布线困难，浪费资源，占用空间，可操作性差等问题做出的一个解决方案。
本文对上述问题提出一种无线解决方案，即基于SoC无线温度采集系统的设计。
该系统采用低功耗、高性能单片机及单总线数字式测温器件DS18B20构成测温系统，并且通过无线收发，最后在PC机上完成配置、显示和报警的功能。
在这次的设计中采用的单片机STC89C52RC的内核和MCS-51系列单片机一样，引脚也相同。
但是STC89C52RC可以通过STC_ISP软件下载进行烧录。
无线数据通信收发芯片NRF24L01是一款工业级内置硬件链路层协议的低成本无线收发器，工作于2.4 GHz全球开放ISM频段。
此外，温度传感器DS18B20以"一线总线"的数字方式传输，可大大提高系统的抗干扰性。
关键词：SoC；STC89C52RC；NRF24L01；温度传感器DS18B20；无线AbstractWith the industrial and agricultural production the temperature, accurate temperature measurement becomes critical.This system is a solution designed for wiring difficulties, wasting resources,taking up the space and poor maneuverability of the above mentioned problems is proposed, which is based on wireless solutions of SoC design of wireless temperature gathering system. This system USES low power consumption, PC complete configuration, display and alarm function.Used in the design of the microcontroller STC89C52RC and MCS-51 MCU core . But STC_ISP through STC89C52RC can burn to download software.Wireless data communication transceiver chip is an industrial grade NRF24L01 the 2.4 GHz band global open ISM. In addition, the temperature sensor DS18B20 to "bus line" digital mode transmission, greatly improves the power system.Key words：SoC，STC89C52RC，NRF24L01，Temperature sensor DS18B20，Wireless目录第一章绪论 (1)1.1概述 (1)1.2系统设计任务分析 (2)第二章总体方案设计与选择的论证 (2)2.1单片机最小系统 (2)2.1.1单片机的说明 (2)2.1.2单片机的应用 (2)2.1.3单片机的结构特点 (4)2.1.4单片机引脚配置 (4)2.2无线收发模块介绍 (6)2.2.1nRF24L01概述 (6)2.2.2 引脚功能及描述 (7)2.2.3工作模式 (7)2.2.4工作原理 (8)2.2.5配置字 (9)2.2.6nRF24L01应用原理框图 (10)2.3数码管温度显示和运行指示灯电路 (10)2.3.1LED数码管的基本结构 (10)2.3.2数码管动态显示的工作原理 (11)2.3.3运行指示灯说明 (12)2.4温度采集电路 (12)2.4.1 DS18B20概述 (12)2.4.2 DS18B20的管脚配置和内部结构 (13)2.4.3单总线介绍 (14)2.4.4DS18B20的工作原理 (14)2.5声报警电路设计 (20)2.6无线温度采集软件界面（MFC） (20)第三章软件设计报告 (24)3.1单片机软件设计 (24)3.1.1发送部分软件设计 (24)3.1.1.1温度传感DS18B20 (24)3.1.1.2 LED数码管显示 (29)3.1.1.3无线模块NRF24L01（发送） (29)3.1.2接收部分软件设计 (30)3.1.2.1无线模块NRF24L01（接收） (30)3.1.2.2 LED数码管显示 (30)3.1.2.3串口通信 (30)3.1.3无线温度采集软件设计 (32)3.1.3.1串口设置 (32)3.1.3.2温度上下限设置 (33)3.1.3.3曲线显示 (34)3.2流程图设计 (34)3.2.1发送部分流程图 (34)3.2.2接收部分流程图 (34)3.2.3 MFC程序流程图 (34)3.3操作说明（附图） (34)第四章总结与展望 (36)致谢 (38)参考文献 (39)附录 (40)第一章绪论1.1概述随着社会的进步和生产的需要，利用无线通信进行温度数据采集的方式应用已经渗透到生活各个方面。
nRF24L01的工作原理nRF24L01是一种低功耗、高性能的无线收发模块，广泛应用于物联网、智能家居、远程控制等领域。
它采用2.4GHz频段，支持多通道和自动重发机制，具有快速响应、稳定可靠的特点。
本文将详细介绍nRF24L01的工作原理，包括无线通信原理、硬件连接和通信协议。
1. 无线通信原理：nRF24L01采用射频通信技术，通过无线电波在发送端和接收端之间传输数据。
发送端将要发送的数据编码成数字信号，并通过射频发射天线发送出去。
接收端的射频接收天线接收到信号后，经过解码还原成原始数据。
这种无线通信方式可以实现远距离传输和双向通信。
2. 硬件连接：nRF24L01模块需要与主控芯片或者单片机进行连接。
普通情况下，连接需要以下几个引脚：- VCC：供电正极- GND：供电负极- CE：片选使能- CSN：SPI片选- SCK：SPI时钟- MOSI：SPI主机输出、从机输入- MISO：SPI主机输入、从机输出- IRQ：中断请求3. 通信协议：nRF24L01采用SPI接口进行数据传输，通信过程中需要使用一定的通信协议。
常用的协议包括：- 初始化配置：在使用nRF24L01之前，需要对其进行初始化配置，包括频道选择、地址设置、发射功率设置等。
- 发送数据：发送端将要发送的数据通过SPI接口发送给nRF24L01，nRF24L01将数据编码成射频信号并发送出去。
- 接收数据：接收端通过SPI接口接收到射频信号，并将其解码还原为原始数据。
4. 示例应用：nRF24L01广泛应用于各种物联网和远程控制场景。
例如，可以将nRF24L01模块连接到Arduino单片机上，实现无线传感器网络。
传感器节点通过nRF24L01与基站通信，将采集到的数据发送给基站进行处理和分析。
同时，基站也可以通过nRF24L01向传感器节点发送控制指令，实现远程控制。
5. 总结：nRF24L01是一种低功耗、高性能的无线收发模块，具有快速响应、稳定可靠的特点。
基于nRF24L01的无线传感器网络节点设计作者：胡中玉岳强冯维杰佘东来源：《现代电子技术》2014年第07期摘要：根据无线传感器网络节点的硬件体系结构，设计出了节点，极大地降低了功耗。
系统以AT89C2051单片机为核心，采用数字式温度传感器DS18B20、无线收发芯片nRF24L01实现了温度的采集、无线收发等，给出了系统硬件及软件的具体设计思想与实现方法，最后进行了实际测试。
关键词：无线传感器网络； AT89C2051单片机；温度检测；传感器节点中图分类号： TN911⁃34； TP273 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2014）07⁃0012⁃03Design of wireless sensor network node based on nRF24L01HU Zhong⁃yu1， YUE Qiang1， FENG Wei⁃jie1， SHE Dong2（1. Kunming University， Kunming 650214， China； 2. Sichuan Electromechanical Institute of Vocation and Technology， Panzhihua 617000， China）Abstract： According to the hardware architecture of wireless sensor network node， the nodes were designed， which can greatly reduce the power consumption. The system uses AT89C2051 single⁃chip microcomputer as the core. The temperature collection and wireless transceiver are realized by using the digital temperature sensor DS18B20 and wireless transceiver chip nRF24L01. The specific design thought and realization method of the hardware and software of the system are also provided. Finally， the practical test was conducted.Keywords： wireless sensor network； AT89C2051 MCU； temperature measurement；sensor node无线传感网络是当前的新兴的前沿热点研究领域。
它综合了传感技术、嵌入式技术、无线通信和网络技术[1]。
无线传感器网络在军事、地震预测、农业、医疗等领域都得到了广泛的应用[2]。
无线传感器网络系统能实时监测、感知和采集各种检测对象的信息，通过嵌入式系统对信息进行加工和处理，然后利用无线通信技术，通过多跳中继方式传输信息到远处的终端和用户[3]。
所以无线传感器网络的设计可以建立在普通的无线温度采集电路之上，结合无线通信技术来实现。
本文将利用无线传感器网络的这一特点，采用低功耗的器件，设计一个简易的无线传感器网络节点。
1 无线传感器网络节点的构成传感器网络节点一般由数据采集模块、数据处理和存储模块、数据传输模块和电源四部分组成[4]。
如图1所示。
在节点设计的过程中，功耗是一个主要考虑的问题，因为大量的节点都是放置在野外的，只能靠电池供电，功耗太大的话，需要频繁的更换电池，维护成本会提高[5]。
所以在本系统中采用的器件都是相对低功耗的。
传感器模块采用DS18B20数字式温度传感器来实现环境温度的检测；处理器模块采用AT89C2051；无线通信模块采用2.4 GHz无线收发芯片nRF24L01。
图1 传感器网络节点的体系结构2 硬件设计2.1 数据采集模块[6]DS18B20为美国Dallas半导体公司生产的单线总线型温度传感器，测温范围为-55～125 ℃，最高分辨率可达0.062 5 ℃，可以满足一般的测量需要。
信息经过单线接口送入DS18B20或从DS18B20送出。
读、写和完成温度变换所需的电源由数据线本身提供，不需要额外供电，这样功耗低且可以简化电源电路。
DS18B20的接线电路如图2所示，控制命令和温度信息通过单片机的P1.7口来控制。
图2 DS18B20的外围接线2.2 数据传输模块该模块选用NORDIC公司推出的2.4 GHz无线收发芯片nRF24L01，它具有增频率发生器、增强型的ShockBursTM模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器和解调器。
它功耗低，发射时的工作电流只有9 mA，接收时的工作电流只有12.3 mA，空闲模式使节能更方便。
nRF24L01的部分接线电路如图3所示。
图3 nRF24L01的外围部分接线2.3 处理器模块[7]对于网络节点的处理器来说，要实现将自己所检测到的温度信息发射出去；作为中继节点，先接收然后再转发其他节点的温度数据两个功能。
而在其他时间，进入睡眠状态，节约能量。
AT89C2051单片机具备用软件设置的睡眠省电功能，所以能够实现以上功能。
为了指示数据的接收和发送情况，又额外接入2只发光二极管。
AT89C2051的接线如图4所示。
3 软件设计在软件设计的时候，主要考虑的问题仍然是节能，所以需要采用一些可以降低功耗的设计方法，比如：精简冗余指令、优化系统的时钟和优化工作时序等。
3.1 主程序设计主程序开始后首先进行初始化，包括给相应的字符名称赋值，设置串口通信参数等，然后进行通信链路的确定，这一步需要根据每个节点所在的位置和相邻节点的位置来确定，所以需要先发送本身的序列号，再接收其他节点的信息，通过确认其他节点的序列号来得知相邻的，可互相通信的节点，再将其他节点的序列号加在本身序列号之后进行发送，这样，监控中心可根据接收的序列号的顺序得到该条通信线路上所包含的所有节点。
在序列号发完以后进入睡眠模式，直到被温度测试指令唤醒以后，给DS18B20发初始化脉冲，发送skipROM命令，进行温度的检测，将测得的数据发送，复位中断返回，再次进入睡眠模式[8]，流程图如图5所示。
图4 AT89C2051的外围部分接线图5 主程序流程图3.2 温度采集程序设计[9]由于DS18B20由一根单线实现数据的读和写，所以使用的关键是总线时序设置。
先初始化，接着主机释放总线进入接收状态。
流程图如图6所示。
3.3 无线传输程序设计[10]nRF24L01的设置包括：频道设置、本地地址设置和发射速率设置等。
本设计中，使用Enhanced ShockBurstTM 收发模式。
设置完成后，可以由单片机进行查询模式的数据发送，流程图如图7，图8所示。
图6 DS18B20温度检测部分流程图图7 nRF24L01发送流程图图8 nRF24L01接收流程图4 性能测试4.1 节点功耗测试检测状态时功率=DS18B20的典型功率+AT89C2051在工作状态时的功率+nRF24L01工作在RX和TX模式下的功率=3 V×1 mA+3 V×2.5 mA+3 V×（11.3+12.3） mA=3 V×27.1 mA=81.3 mW数据转发时功率=AT89C2051在工作状态时的功率+nRF24L01工作在RX和TX模式下的功率=3 V×2.5 mA+3 V×（11.3+12.3） mA=80.3 mW休眠时功率=AT89C2051在休眠时的功率+ nRF24L01工作在休眠模式下的功率 =3 V×2.5 μA+3 V×900 nA=3 V×3.4 μA=10.2 μW4.2 通信质量测试在室外无障碍的环境下进行测试，分别选取5个测试距离，接收到的正确率见表1。
表1 通信距离和正确率的关系[通信距离 /m＼&正确率 /%＼&5＼&100＼&10＼&100＼&20＼&99＼&50＼&10＼&80＼&0＼&]5 结语该无线传感器网络节点电路简单，功耗低，性能稳定，可靠性高，可以应用于检测环境、粮库及展厅等封闭空间或其他需要多点温度检测的场合。
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