基于nRF24L01和Cortex-M3的无线测控系统

引言

在许多工业或救灾现场，通常都会存在一些人工无法直接进入或者人工进入易出现危险的场合。此时就需要一个智能系统来实现无线遥控并采集前方的物理量，将其回传至手持测控端。为此，本文给出了一种基于nRF24L01和Cortex的无线测控系统的开发方法。

1测控系统功能说明

本测控系统由手持式遥控端、测控小车端和PC上位机三部分构成，图1所示是该测控系统的整体框架图。

遥测小车恁Z手持遥控端u=>PC上位机

图1测控系统整体框架图

本测控系统的主要功能：一是用手持式遥控端操作遥测小车全方位移动；二是用遥控端控制小车来采集前方的温度、气体、氧含量、湿度和是否有人体存在等信息，并回传至手持遥控端；三是智能小车带有超声波避障传感器，可以自动避开障碍物以防损坏小车；四是用手持遥控端通过串行接口向PC机回传小车的行驶路径。

2硬件模块

本测控系统的硬件部分由手持遥控端和测控小车端两大模块构成。其中手持遥控端可以操控遥测小车移动并采集数据，也能通过串口将实时信息发送至PC端，然后通过PC端软件间接操控遥测小车。

手持遥控端由CPU、LCD显示屏、用户操控按键和无线收发模块构成。测控小车端由CPU（本系统选用Cortex-M3）、nRF24L01无线收发模块、电机驱动模块、超声波避障模块和温湿度气味传感器等组成。图2所示是系统测控小车端的原理框图。

图2测控小车端原理框图

nRF24L01无线收发模块是一款真正的单片射频无线收发模块，其工作于2.4GHz开放频段。此收发模块由集

成频率同步器、放大器、晶振、调制解调器和一个增强型ShockBurst协议引擎组成。输出功率、频率和协议配置由简单易用的SPI接口来实现控制。nRF24L01无线收发模块的功率消耗非常低，只有9mA左右，而且其内置的待机模式控制器使得超低功耗的实现更加简单。此无线收发模块可以用于无线遥控、门禁、工业数据采集、无线标签、身份识别、机器人控制等领域。

电机驱动模块中的电动机正反转控制电路原理图如图3所示。该电路由四个三极管连接成电桥，直流电动机接在桥臂上。当IN1、IN2输入为00时，Q1、Q3截止，电动机两侧电压为零，电动机停转；当输入为01时，Q3、Q2导通，电动机内部电流方向为自右至左，电动机反转；输入为10时，Q1、Q4导通，电流方向为自左至右，电动机正转。小车行走控制由两块H桥组成，当两个电动机都正转时，小车直行，一正一反时小车转弯。

图3电机驱动单元电路

超声波避障模块的避障功能实现可以有很多种选择，可以选择超声波传感器或红外避障传感器。红外传感器结构简单，造价低廉，但是测距精度比较低，而且测距精度与被测物体的颜色有直接关系，导致当障碍物颜色比较深时，避障效果较差；超声波测距精度高，只是成本较高，微控制器程序复杂。超声波传感器有四个引脚，分别是电源、地、触发输入和回响输出。首先,微控制器需要向触发引脚输出触发脉冲(宽度在10〜20us),然后超声波传感器就开始向外发射40kHz的超声波。当接收探头收到被测物反射回来的超声波后，响应引脚输出一个高电平，持续时间和超声波从发射到接收的时间间隔相等。微控制器只需要统计回响引脚的高电平时间,再乘以超声波在空气中的传播速度就能得到被测物与超声波传感器之间的距离。在车架四周安装有多个超声波探头，微控制器可以周期性地查询距离四周障碍物的距离，然后再根据距离信息调整小车的行进方向，从而避免碰撞。

3软件功能

硬件模块只是搭建起一个基础平台，具体功能的实现还必须借助软件编程。本无线测控系统的软件模块分为硬件驱动、定时逻辑和上位机测控界面三部分。其中，硬件驱动主要包含nRF24L01的模块初始化、数据收发函数、AD转换器初始化和转换控制等。定时逻辑主要是控制CPU周期性地扫描手持端所发送的控制指令以及AD的转换结果等。

上位机测控软件的功能是接收来自手持操控端的反馈数据，根据测控小车的轮子周长计算出小车的行驶路径，并在PC机窗口绘出。图4所示是其测控系统上位机运行操控面板图。

图4测控系统上位机运行图

由图4可见，该面板分为行驶路径显示、前方数据采集结果显示和操控按键三部分。其中，行驶路径显示部分能将前方测控小车的行驶路径绘制到屏幕上，使操控者直观地看到测控小车的行驶路径信息。操控按键部分包含8个按键,分别是获取路径信息、前后左右移动、避障功能开启、采集前方物理量和停止按键。这些按键可以控制智能车的方向和采集实时物理参数。采集结果可以由测控小车通过无线模块传输至手持测控端，再由其通过串口回传至PC机。

4结语

本文所述的智能测控系统可以实现手持端远程控制被测小车的全方位移动，并采集前方温湿度和气体浓度等物理量。PC端软件也能通过串口控制手持端设备来实现相同功能，而且还能根据电机转动时间绘出小车的行驶路径。通过对本系统的实际调试，上述功能的实现完全正常。

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