基于STM32单片机的实时无线通信信号放大装置的研制

基于STM32单片机的实时无线通信信号放大装置的研制

冯,标  ,关东德  ,陈晓春

广东省湛江市质量计量监督检测所   524000

摘要：根据《医疗器械监督管理条例》冷库、冷藏车、冷藏箱、保温箱以及温测系统应进行使用前验证、定期验证及停用时间超过规定时限情况下的验证，无线实时温湿度记录仪就是用于这类验证的仪器，目前市场上的无线实时温湿度记录仪普遍存在通信距离不够远，或者货物堆放多时影响通信距离，本文介绍了以RFX2401CPA接收2.4G信号，STM32单片机为主控芯片，实现2.4G信号转换为433M信号，使得无线实时温湿度记录仪的通信距离可达500米以上，满足大型冷库的温湿度验证需求。

关键词: 单片机； STM32；无线实时；信号放大；温湿度验证

0引言 

用于验证冷库、冷藏车、冷藏箱、保温箱的无线实时温湿度记录仪普遍采用2.4G信号通信，存在通信距离不够远，或者货物堆放多时影响通信距离，本文采用了两片STM32单片机，为了使接收的数据不丢失，采用了一片STM32单片机专门接受处理2.4G信号，另一片STM32单片机负责按键、声光控制和发送。接收端采用RFX2401CPA接收2.4G信号，发送端采用SX1278模块转换为433M信号，实现无线通信信号放大，使得无线实时温湿度记录仪的通信距离可达500米以上，满足大型冷库的温湿度验证需求。

1系统组成原理

采用高灵敏度的2.4G信号接收器接收2.4G信号，通过SPI通信发送到从控制器，从控制器通过RS232将数据发给主控制器，主控制器通过SPI通信发给433M模块，433M模块将数据发送出去，如图1。

433M信号                                                            2.4G信号

                 SPI               RS232               SPI

（图1）

2. 系统硬件组成

实时无线通信信号放大装置原理如图1，RFX2401CPA是高灵敏度接收器，接收2.4G信号，把信号传送到NRF24L01, NRF24L01把2.4G信号转化为数据，从控制器（即STM32单片机）通过SPI通信读取NRF24L01的数据，主控制器（即STM32单片机）通过RS232读取从控制器的数据，再发送到SX1278模块，SX1278模块把数据转换为433M信号发送出去，433M信号通信距离可达500米以上，如图2。

（图2）

3系统设计与实现

信号接收端采用高灵敏度模块RFX2401CPA接收2.4G信号，NRF24L01把2.4G信号发送到从STM32单片机，从STM32单片机处理数据后发送到主STM32单片机，主STM32单片机发送数据到SX1278模块，SX1278模块把数据通过433M信号发送出去。

3.1信号接收模块硬件设计

信号接收模块采用stm32单片机作为从控制器负责控制信号的接收，信号接收模块前端采用RFX2401C芯片，该芯片包含了无线传感器网络以及2.4GHz ISM波段中的任何其他无线系统所需的所有RF功能，同时有功率放大作用，可放大信号。NRF24L01［1］模块接收RFX2401C放大后的信号，从STM32单片机通过SPI通信［3］接收并处理2.4G信号。图3为RFX2401C与NRF24L01的连接图。

（图3）

3.2信号接收模块软件设计

从STM32单片机与NRF24L01通信的程序如下：

void SPI_GPIO_Init(void)

{

SPI_InitTypeDefSPI_InitStructure;

GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure;

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE);

RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_SPI2,ENABLE);

//配置SPI的SCK，MISO和MOSI引脚为复用推挽模式

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin  = GPIO_Pin_13|GPIO_Pin_14|GPIO_Pin_15;

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;

GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure);

SPI_InitStructure.SPI_Mode=SPI_Mode_Master;//配置为主机模式

SPI_InitStructure.SPI_NSS=SPI_NSS_Soft;//NSS软件管理

SPI_InitStructure.SPI_CPHA=SPI_CPHA_1Edge;//第一个时钟沿捕获

SPI_InitStructure.SPI_CPOL=SPI_CPOL_Low;//空闲状态为低电平

SPI_InitStructure.SPI_DataSize=SPI_DataSize_8b;//8位数据帧

SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler=SPI_BaudRatePrescaler_8; //SPI波特率8分频               72/8=9M

SPI_InitStructure.SPI_Direction=SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;//全双工模式

SPI_InitStructure.SPI_FirstBit=SPI_FirstBit_MSB;//数据高位先行

SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial=7;//CRC计算多项式

SPI_Init(SPI2,&SPI_InitStructure);

SPI_Cmd(SPI2,ENABLE);//SPI2使能

}

uint8_t SPI2_WriteReadByte(uint8_t data)

{

while(!SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI2, SPI_I2S_FLAG_TXE));

SPI_I2S_SendData(SPI2, data);

while(!SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI2, SPI_I2S_FLAG_RXNE));

return SPI_I2S_ReceiveData(SPI2);

}

//SPIx 读写一个字节

//TxData:要写入的字节

//返回值:读取到的字节

uint8_t SPI2_ReadWriteByte(uint8_t TxData)

{

u8 retry=0;

while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI2, SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET) //检查指定的SPI标志位设置与否:发送缓存空标志位

{

retry++;

if(retry>200)return 0;

}

SPI_I2S_SendData(SPI2, TxData); //通过外设SPIx发送一个数据

retry=0;

while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI2, SPI_I2S_FLAG_RXNE) == RESET)//检查指定的SPI标志位设置与否:接受缓存非空标志位

{

retry++;

if(retry>200)return 0;

}

return SPI_I2S_ReceiveData(SPI2); //返回通过SPIx最近接收的数据                           

}

3.3主控模块硬件设计

主控模块采用stm32单片机作为主控制器，主控制器与从控制器通过RS232串口交换数据，主控制器把接收到的数据通过SPI通信发送到SX1278模块，SX1278模块把数据通过433M信号发送出去。SX1278模块［2］采用 LoRaTM 远程调制解调器，用于超长距离扩频通信，抗干扰性强，能够最大限度降低电流消耗。 借 助 升 特 的 LoRaTM 专 利 调 制 技 术 ，SX1278 采用低成本的晶体和物料即可获得超过148dBm 的高灵敏度。此外，高灵敏度与+20dBm 功率放大器的集成使这些器件的链路预算达到了行业领先水平，成为远距离传输和对可靠性要求极高的应用的最佳选择。相较传统调制技术，LoRaTM调制技术在抗阻塞和选择性方面也具有明显优势，解决了传统设计方案无法同时兼顾距离、抗干扰和功耗的问题。SX1278模块电路图如图4。

（图4）

3.4主控模块软件设计

主控模块与SX1278的通信程序如下：

#include "stm32f10x.h"

#include "SPI.h"

#include "SysTick.h"

#include "SX1278.h"

#define CLI()      __set_PRIMASK(1)  //关闭总中断

#define SEI()      __set_PRIMASK(0)  //开放总中断

unsigned char point;

unsigned char channel;

unsigned char  str[40] = {'T', 'h', 'e', ' ', 'r', 'a', 'w',' ', 's', 't', 'r', 'e', 'a', 'm',' ', 'H', 'S', 'D', '1', '1', 'L'};

uint8_t i=0;

uint8_t vali_1=0;

/**

  * @brief  主函数

  * @param  无 

  * @retval 无

  */

int main(void)

{

channel=0;

CLI();       //关闭总中断

SEI();        //开总中断

SysTick_Init();     //系统滴答定时器10us中断一次，Delay_us(1)定时10us

SPI_Config();

LowReset();

i=SPI_Read_Value(RegOpMode);

Enter_Lora_Mode();

LORA_TxInit();//只需要把这里改成rxinit 就变成了接受模式

while (1)

{

for(i=0;i<21;i++)

         str[i]+=1;

SendMessage(str,21);//只需要把这里改成GET_message 就可以变成接收模式

Delay_ms(2000);//延时2s

}

}

void Delay(__IO uint32_t nCount) //简单的延时函数

{

for(; nCount != 0; nCount--);

}

4结束语

本装置采用双STM32单片机，把2.4G无线信号转换成433M信号，通过增加大功率的无线中继器和设计特殊的电路设计及无线传输技术，使433M无线信号增强、衰减小、传输距离长、穿透、绕射能力强。空旷环境下可保证500米不丢数据，由于信号在传输过程中衰减较小，即使在障碍物阻挡的情况下，也能绕过障碍物，信号可以正常稳定地传输，实现无线通信距离的扩大，经过大型冷库的测试，通信良好，不存在信号不好和数据丢失的情况。

参考文献

［1］张勇强 阳泳 余建坤.基于NRF24L01的无线温度监控系统设计与实现［J.数字技术 与应用2016，( 02),73.

［2］张可 . 基于STM32的水面漂浮物清理系统［J］. 智能计算机与应用，2020，( 05) : 243～247.

［3］郭勇STM32单片机多串口通信仿真测试技术研究［J］.单片机与嵌入式系统应用,2015，( 07)，78～81.