随着电子技术的发展，电梯在生活中已经有了很广泛的使用[1-2]。当人们在使用电梯的时候，难免遇到电梯故障，这时就需要呼叫系统来求救。常用的电梯呼叫系统是有线电话呼叫系统，但是由于其布线复杂和维修不便等问题，在实际应用中受到很大的限制[3-5]。

本文设计了一种低功耗电梯呼叫系统的设计方案，其采用MSP430为控制核心，nRF24L01为无线收发模块核心芯片，并配以相应的输入模块和报警显示模块。该系统具有高稳定性、低功耗和高抗干扰性等优点。
1 系统设计方案
本系统由若干个发送端和一个接收端组成，发送端和接收端都是由超低功耗MSP430单片机为主控模块，控制Nordic公司的无线收发芯片nRF24L01实现无线收发功能，在发送端配以按钮作为信号输入模块，在接收端配以报警显示模块实现信号的直观显示。系统结构框图如图1所示。

图1中，每一部电梯中都安装一个发送模块，其中，电梯内部安装一个按钮作为信号的输入。无线接收模块安装在值班室，并配以报警显示模块以便信号的直观显示，供值班人员及时处理，配以复位电路对报警显示模块进行复位。
2 硬件电路设计
本系统设计为一个“多对一”系统，即由若干个系统发送端和一个系统接收端组成。每一部电梯内安装一个发送端，而接收端只需要在值班室安装一个。系统硬件由供电电路、输入模块、MSP430主控模块、无线收发模块、报警显示模块和复位模块这几个部分组成。其中输入模块是由安装在电梯内部的按钮构成，复位模块的功能由对应的按钮完成。本文重点介绍如下几个部分。
2.1 供电电路
MSP430单片机是一款超低功耗单片机，其工作电压范围为1.8 V~3.6 V，nRF24L01的供电电压为1.9 V~3.6 V，故本系统中采用两节5号干电池提供3.4 V电压并配以稳压芯片LM1117即可正常工作。供电电路如图2所示。

2.2 MSP430主控模块
系统主控模块主要是由MSP430F149低功耗单片机来实现。这款单片机拥有丰富的外围功能模块：包括采样/保持功能ADC内核的12位A/D转换器ADC12、转换存储逻辑、内部参考电平发生器、多种时钟源、采样及转换时序电路。有8个外通道，4个内通道,高达200 kb/s的采样速率，多种采样方式。两路USART通信串口，可用于UART和SPI模式；片内有精密硬件乘法器、两个16位定时器，6个并行口P1～P6，48条I/O口线，其具有64 KB的闪存，用于存储采集数据。
2.3无线收发模块
本设计中无线收发功能主要依靠nRF24L01来实现，nRF24L01是一款2.4 GHz的无线单片收发芯片。主要特性：GFSK调制；硬件集成OSI链路层；具有自动应答和自动再发射功能;片内自动生成报头和CRC校验码;数据传输率为1 Mb/s或2 Mb/s;SPI速率为0 Mb/s～10 Mb/s；125个频道；与其他nRF24系列射频器件相兼容；QFN20引脚4 mm×4 mm封装；供电电压为1.9 V～3.6 V。
无线传输单元的电路设计主要是MSP430单片机与nRF24L01模块的连接电路。本设计中，IRQ中断与P2.6脚相连，CE使能与P2.7脚相连，CSN片选与P2.4脚相连，SOMI与P3.2相连，SIMO与P3.1脚相连，UCLK与P3.3脚相连。连接电路如图3所示。

2.4报警显示模块
在本系统中,电梯内系统发送端发出的求救信号由值班室系统接收端接收后，需要将信号显示，以便值班人员及时处理。在此处，设计一个蜂鸣器和LED指示灯，当系统接收端接收到相应的信号时，控制蜂鸣器发出蜂鸣，LED指示灯闪烁。为了更直观地显示接收到的信号，系统还设计了将接收端接收到的信号传给屏幕进行显示。
由于串行输入输出口是TTL电平信号，TTL电平在0～5 V之间，其逻辑1的电平在2 V以上，逻辑0的电平在0.8 V以下。而只有RS-232电平才能与PC机连接。RS232为全双工通信，通信距离为15 m。RS-232电平:逻辑1的电平在-3 V～-25 V之间，通常为-12 V；逻辑0的电压在+3 V～+23 V之间，通常为+12 V。所以要用到MAX3232转换电平。转换电路如图4所示。

3 系统软件设计
系统的发送端和接收端的主控模块均采用MSP430单片机，为了使单片机正常工作，需要先对单片机进行初始化，停止看门狗，设置时钟频率，电源上电复位。单片机MSP430与PC通过串口连接,要根据UART协议来编程。对串口的初始化：首先USART1控制寄存器UCTL中SWRST和CHAR位置位,即USART的状态机构和运行标志初始化成复位状态，选择字符以8位发送。
主控单片机控制nRF24L01是通过配置其寄存器来实现的，这些配置寄存器可通过SPI口访问。nRF24L01的配置寄存器共有25个，其常用的寄存器如表1所示。

　当按钮按下时，启动配置PTX，数据进行预设格式编码后，开启发送。编码后的一帧数据共占9 B，帧格式如图6所示。

其中，帧头采用0x14、0x6F，占用2 B，标志着一帧数据的开始，也即接收端识别到0x14、0x6F时，将识别接收的数据为有效数据，这样可以一定程度地去除乱码的干扰。
设备号，占1 B，用来区分对传感器的哪个电桥进行操作。
电梯号，占1 B，用来存放发送端的号码，以供接收端识别接收的数据具体是哪个号码的发送端发送的数据，这样能识别发出呼叫求救信息的具体是哪部电梯。
楼层号，占1 B，用来存放按钮按下输入信号时发送端所处的楼层，也即发出呼叫求救信息的电梯所处的楼层，这样接收端能够准确地定位发送端的具体位置。
校验值字，占用两个字节，为了提高无线通信的准确度和抗干扰性。
帧尾，占用2 B，标志一帧数据的结束，固定为0xeb,0x90。
发送端将nRF24L01配置为增强型的ShockBurstTM发送模式，在该模式下，只要MCU有数据要发送，nRF24L01就会启动ShockBurstTM模式来发送数据。在发送完数据后nRF24L01转到接收模式并等待终端的应答信号。如果没有收到应答信号，nRF24L01将重发相同的数据包，直到收到应答信号或重发次数超过SETUP_RETR_ ARC寄存器中设置的值为止，如果重发次数超过了设定值，则产生MAX_RT中断。
3.2 系统接收端
系统接收端安装在值班室，本系统只需要一个系统接收端。接收端的MSP430主控模块通过配置无线收发芯片nRF24L01的寄存器，使其总是处于接收模式，以便随时接收发送端发送的信息。接收端在接收到发送端有效的信息后，主控单片机对信息进行解码，并将解码后的信息显示在屏幕上，同时控制蜂鸣器发出蜂鸣和LED灯闪烁，以便提醒值班人员有呼叫信息传入。其具体流程如下。
(1)nRF24L01的ShockBurstTM接收模式是通过设置寄存器中PRIM_RX位为高来选择的。EN_RXADDR寄存器必须被使能，所有工作在增强型ShockBurstTM模式下的数据通道的自动应答功能是由EN_AA寄存器来使能的，有效数据宽度是由RX_PW_Px寄存器来设置的。
(2)接收模式由设置CE为高来启动。
(3)130 μs后nRF24L01开始检测空中信息。
(4)接收到有效的数据包后(地址匹配、CRC检验正确)，数据存储在RX_FIFO中，同时RX_DR位置高，并产生中断。状态寄存器中RX_P_NO位显示数据是由哪个通道接收到的。
(5)如果使能自动确认信号，则发送确认信号。
　(6)MCU设置CE脚为低，进入待机模式I（低功耗模式）。
(7)MCU将数据以合适的速率通过SPI口将数据读出。
接收端工作流程图如图7所示。接收端还加入了3个复位开关，以便值班人员在识别到报警信息后，按下开关，输入信号，使MSP430单片机控制对LED灯、蜂鸣器和屏幕的复位。

本文采用MSP430F149低功耗单片机为主控芯片，nRF24L01实现无线收发功能，并搭配报警显示电路设计了多对一的低功耗电梯呼叫系统。经过实测，本系统性能稳定，抗干扰性好。在电梯呼叫端个数控制在一定范围内时，误码率为零，能够有效地满足实际应用要求。
参考文献
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