关键词: 24L01+；单片机；物联网透传技术
1 背景
随着科技飞速发展，生产过程中对各种环境要素把控越来越严格，工程技术人员需要更加及时准确的掌握各种要素以达到工艺要求，实现对产品质量的把控。现场无线传输技术和物联网技术使得这些需求得到满足，技术人员完全可以通过远程监测技术控制生产过程。另外一些无人值守或者工况恶劣的生产现场，无线远程控制技术可以达到提高生产效率和降低生产成本的效果。
2技术概括
NRF24L01+是NORDIC公司生产的一款2.4GHz无线通信通信芯片，采用FSK调制，内部集成Enhanced Short Burst协议。可以实现点对点或是1对6的无线通信。无线通信速度可以达到2M（bps）。通过单片机进行控制时只需要为单片机系统预留5个GPIO，1个中断输入引脚，即可实现无线通信的功能，非常适合用来为MCU系统构建无线通信功能。本设计通过单片机、传感器和24L01+组合成最小监测系统，最小系统每组最多设置6个。单片机和24L01+可以组合成现场控制总机，与下属的6个最小系统进行通讯。以此实现对生产现场各类要素的采集汇总。
3 具体方案
3.1 24L01+无线通信的实现
将总机设置成发送模式，分机设置成接收模式，总机和分机开启带载荷自动应答功能。总机向分机发送数据包（其中可以包含控制信息），分机将总机所需的数据包（例如环境要素等）装载到应答数据中，当分机接收到主机的数据后，将包含环境要素的数据包以应答数据的形式发送给主机。通过上述方式将分机数据汇总到主机上。通过对24L01+内部寄存器的设置实现各系统收发模式及收发地址，读取内部寄存器得到系统是否已发送或已接收，如已发生数据交换的从相应寄存器中读取数据。
3.2分机配置
分机需要配备设计所需的传感器，如温湿度传感器、电流传感器、电压传感器、压力传感器等。单片机将采集的数据打包处理，待24L01+使用。同时如果需要实现远程控制可以设置输出电路以实现对外控制，如实现继电器动作。分机设置为RX模式即接收模式。要进入这个模式，需要PWR_UP=1、PRIM_RX=1、CE=1。基带协议引擎会搜索有效的包。如果找到了有效的包(匹配地址和有效的CRC)，数据包的载荷就会先发送到一个RX_FIFO的空槽。如果RX_FIFO已经满了，接受到的包会被丢弃。nRF24L01+在MCU配置进入待机I模式或掉电模式之前会一直保持在RX模式。在RX模式，RPD信号有效。当接收到的信号大于-64dBm则RPD=1。内部的RPD信号会在进入RPD寄存器之前进行滤波。RF信号必须持续超过40uS才会影响RPD信号。
3.3 总机设置
将总机设置为TX模式用以发送命令数据。需要PWR_UP=1，PRIM_RX=0，TX_FIFO中有载荷，CE的一个超过10uS的高电平脉冲。在发送完成数据包以后，会停留在TX模式。如果CE=0则回到待机I模式。如果CE=1则TX_FIFO的状态决定了下一步动作。如果TX_FIFO不为空则会继续在TX模式发送数据。如果TX_FIFO为空则进入待机II模式。带载荷的自动应答ACK自动应答是接收端收到有效数据包后，自动发送一个ACK包给PTX。自动应答功能降低了MCU的系统负载，自动应答功能通过EN_AA寄存器启用。
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3.4 单片机和物联网透传模块间工作机制
数据透传模块一般都能支持modbus协议的数据，如有人物联网旗下的多款GPRS DTU模块支持该协议。并且有人物联网有自己的云平台，通过简单的设置即可实现在线监测生产现场的各项环境要素，并可以远程实现控制，如控制风机、水泵等启动。工作原理为：透传模块给出请求，总机依据modbus协议做出相应的应答。通过上述模式实现将采集数据传输至云平台，逆向可实现通过云平台发出控制指令到现场终端。
单片机结构简单，实现modbus协议的通信需通过编制单片机程序实现。Modbus协议的核心就是请求数据的数据结构，单片机读取请求数据后解析该数据。将请求数据中的地址、功能码、寄存器地址、寄存器数量及校验码等信息进行分析，用程序实现对应响应。根据现场实际需求总机和透传模块可以通过RS232或RS485进行通信。或者直接通过TTL串口进行通信，注意需要进行电平匹配。
4 应用前景
4.1 家庭设备控制
在科技发达的今天，人们对生活品质的追求越来越高，家用电器日益趋于智能化。如远程控制照明电器开关。通过物联网控制小型单片机输入输出，实现对电器设备开关状态检查和发出开关命令。而24L01+可以实现局部空间无线通信，具有减少布线，配置简单的优势。同时该设计具有使用成本低廉、性能可靠、开发难度低等特点，可以根据个人需求进行私人订制。
4.2 厂房设备监控
在现有厂房内，生产调度往往无法实时全面准确地掌握各个设备运行状况或生产要素的实际状态（车间内风水电等）。通过这类小型简单的系统可以将上述数据实时直观地展现在调度室显示屏中。由于该系统设备简单无需大规模布线，所有比较适合对老旧厂房的改造。
4.3 无人值守的应用场景
对于类似野外泵站这样的应用，无线远程控制系统就极大的体现出其简单便捷的优势。例如对比较偏远的泵站而言，如果本身泵站不是长时间高负荷运行，派人进行运转操作的话会造成人力物力的浪费。使用无线远程监控技术可以实现 泵站各项数据采集（如供电电压、电机运行电流、电机温度、泵站内外环境数据等），数据透传技术实现远程监控。由于地理位置较偏远，专门设置通信线路可行性不大。随着电信运营商的网络覆盖面积不断加大和信号质量不断提升，数据透传模块对数据传输的实时性越来越好。因此该无线远程控制系统可以可靠的应用于无人值守的生产环境中。
4.4 轨道交通方面应用
在轨道交通车辆运营过程中，经常会发生一些偶发故障。该类故障发生偶然，有时很难复原故障发生时的场景，需要在运营过程中长时间监控才有可能捕捉到故障时刻的各种变量数据。然而由于车辆运营速度高，同时由于安全原因，不允许在车体外和设备舱内大量接线用于安装监控设备。无线远程监控设备就可以承担起该项任务，通过总分机模块可以采集各种电流和电压数据以及设备中各种继电器和接触器通断状态。技术人员可以通过电脑终端实时监控车辆运行过程中故障相关变量，在故障发生时即可查询到异常变量，从而锁定故障原因。
5总结
基于24L01+模块和数据透传物联网模块的无线监控系统可以应用于各种特殊场景内，无需配置专用网络及线路，即可实现定制化功能。充分体现出其简单便捷可靠的优势。24L01+模块可以实现分机间距数百米甚至上千米的通信，可应用于较大生产现场。云平台可以查询动态及历史数据，同时在终端可以以组态的形式直观明了地反馈给用户。同时该系统技术门槛低、设备成本不高、施工简单等特点，可以应用于生产生活中。以上仅是我在工作中的一些经验，供大家参考。
参考文献
[1]丁飞.物联网开放平台--平台构架、关键技术与典型应用[M].北京：电子工业出版社，2018
[2]张毅刚.单片机原理及接口技术（第2版）[M].北京：人民邮电出版社，2016
[3]NORDIC.nRF24L01+Single Chip 2.4GHz Transceiver Product Specification v1.0[EB/OL].2008
作者简介：商宁，（1990-）男，汉族，工学学士学位，助理工程师，主要从事轨道车辆生产运维工作。曾参与多种车型运用考核工作。现担任中车唐山机车车辆有限公司工艺技术。
论文作者:商宁
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第19期
论文发表时间:2020/3/16
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