便攜式溫濕度無線監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

利用新一代單片全校準、高集成度、小體積的數(shù)字式溫濕度傳感器SHT71,通過單片機的控制實現(xiàn)對溫濕度的采集與顯示，再經(jīng)由無線收發(fā)傳輸采集到的數(shù)據(jù)與遙控各溫濕度調節(jié)設備，并結合了便攜式與PC機操作。使得此系統(tǒng)具有體積小、適用面廣、使用方便等特點。

1 引 言

溫濕度的監(jiān)控廣泛應用于農業(yè)大棚生產(chǎn)、倉儲管理、氣象預測、生活起居及科學研究中。傳統(tǒng)溫濕度傳感器需為其設計復雜的信號調理電路并需要經(jīng)過煩瑣的校準與標定，往往在精度、線性度、重復性、互換性、一致性以及對環(huán)境的適用等方面不盡人意。瑞士Sensirion 公司推出的新一代基于CMOSensTM技術的SHT系列數(shù)字式溫濕度傳感器則很好地解決了上述問題，在無需外圍電路、免除了調試與標定過程的基礎上，實現(xiàn)了溫濕度的數(shù)字式輸出。隨著無線通信專用集成芯片的不斷問世，各類無線通信設備的性能也更加優(yōu)越可靠，功能更加完善。在眾多采集監(jiān)控系統(tǒng)中，通常采用有線傳輸數(shù)據(jù)，這樣不得不通過鋪設大量的導線來維持整個系統(tǒng)的正常運行，有些甚至需要鋪設專用電纜。這使得布線非常復雜和困難，同時使整個系統(tǒng)造價升高，導線長時間裸露會縮短它的使用壽命，若埋在地下則給線路的自檢、維護等帶來很大麻煩。

在現(xiàn)有的溫濕度無線監(jiān)控系統(tǒng)中，通常采用專用的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊來實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的無線傳輸，但是這樣需要配置多個采集模塊，并且大大增加了分離數(shù)據(jù)的負擔，降低了采集效率。另一方面，這樣僅僅只實現(xiàn)了對溫濕度的采集，并沒有實現(xiàn)對溫濕度的實時控制。為了解決上述問題，我們研究了這樣一種便攜式溫濕度無線監(jiān)控系統(tǒng)：利用單片機控制數(shù)字溫濕度傳感器SHT71來實現(xiàn)對溫濕度的采集與顯示，運用編解碼芯片PT2262 /PT2272來實現(xiàn)對數(shù)據(jù)與控制信號的無線傳輸，通過PC機來控制選擇接收需要的采集量并遠程無線遙控排氣扇、加濕器、加溫與制冷等設備的工作狀態(tài)。

2 系統(tǒng)構成和工作原理

系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，主要由溫濕度的采集與顯示、無線傳輸與遙控、單片機控制與處理以及PC機四部分組成。溫濕度采集與顯示模塊主要實現(xiàn)了對溫濕度的選擇采集，并顯示相應的數(shù)據(jù)，工作人員可以很方便地握在手里對不同地點的溫濕度進行測量。此系統(tǒng)中無線傳輸與遙控是一個單向過程，在軟件設計中解決了數(shù)據(jù)同步與校驗錯誤等問題。采集到的數(shù)據(jù)再經(jīng)由編解碼芯片PT2262 /PT2272所組成的無線收發(fā)模塊進行無線傳輸，接收端受單片機AT89C52控制，這樣可以改變PT2272的地址碼從而控制接收溫度或者濕度數(shù)據(jù)。同樣無線收發(fā)模塊與驅動以及固態(tài)繼電器等構成的無線遙控模塊實現(xiàn)了對電器設備的控制，這樣就能很方便地得到所需要的合適的溫濕度環(huán)境。PC機里運行VB 編寫的控制面板，進行采集量、采集次數(shù)與各電器設備工作狀態(tài)的設置，然后將設置好的參數(shù)通過MAX232串口通信送給單片機AT89C52,進而控制相應電器與接收相應采集量的數(shù)據(jù)并完成相應采集次數(shù)的數(shù)據(jù)。單片機AT89C52 將采集到的數(shù)據(jù)通過MAX232串口通信傳送給PC機，進而實現(xiàn)對采集到的數(shù)據(jù)進行顯示和存儲。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

3 系統(tǒng)軟、硬件設計

3. 1 溫濕度的采集與顯示模塊設計

3. 1. 1 數(shù)字溫濕度傳感器SHT71

SHT71是一種通過I2 C總線直接輸出數(shù)字量值，可以同時測量濕度、溫度和露點的傳感器。

SHT71的外形如圖2所示，封裝形式為小體積四腳單線封裝，其引腳說明如下： ①SCK:串行時鐘輸入；②VDD: 2. 4~5. 5V電源端； ③GND:接地端； ④DA2TA:雙向串行數(shù)據(jù)線。

圖2 STH71外形圖

3. 1. 2 硬件接口電路與程序設計

溫濕度的采集與顯示硬件接口電路如圖3 所示，主要由單片機AT89C2051、顯示電路、選擇開關與數(shù)字溫濕度傳感器SHT71 這四部分組成。當選擇開關接通溫度采集中斷INT0口時，則采集溫度；當選擇開關接通濕度采集中斷INT1口時，則采集濕度；若兩個都不接通，則為循環(huán)采集溫度與濕度。三個數(shù)碼顯示管可以顯示采集到的數(shù)據(jù)，其軟件設計如圖4所示。

圖3 采集顯示模塊接口電路圖

圖4 INT0 / INT1中斷響應程序流程圖

3. 2 無線傳輸與遙控模塊設計

3. 2. 1 無線傳輸

無線傳輸包括無線發(fā)送與無線接收，無線發(fā)送電路如圖5 所示，其中PT2262 的A0 ~A7 為地址碼，可以設成置1、置0和懸空三種狀態(tài)，地址編碼不重復度為6561組。D0~D4為數(shù)據(jù)碼，與四個I/O口相連，用來每次無線發(fā)送四位數(shù)據(jù)，在編碼輸出端（17腳）輸出編碼信號，再經(jīng)過放大和315MHz的高頻調制輸出。選擇開關可選擇設置地址碼，當需要只發(fā)送溫度數(shù)據(jù)時，設置A0接地， A1~A7全部懸空；當只發(fā)送濕度數(shù)據(jù)時，設置A7接地，其余地址碼懸空；當需要循環(huán)發(fā)送溫度與濕度數(shù)據(jù)時，設置將A0與A7接地，其余地址碼懸空。此系統(tǒng)必須在編碼芯片PT2262 與解碼芯片PT2272 的地址碼一一對應相同的條件下，才能實現(xiàn)對應的發(fā)送與接收。

圖5 無線發(fā)送電路圖

SHT71的濕度測量范圍為0 ~100% RH,溫度測量范圍為- 40 ~ + 123. 8℃， 對數(shù)據(jù)處理后以BCD碼形式顯示并無線發(fā)送出去，這樣每一組完整的數(shù)據(jù)包含有個位、十位與百位（或者為負號） .無線發(fā)送接收是一個單向的過程，這樣就引入了一組數(shù)據(jù)的同步和出錯檢測等問題。為了避免傳輸錯誤并保證一組數(shù)據(jù)的完整性，設置了一個起始同步碼1111,由于發(fā)送的數(shù)據(jù)都是BCD碼，這樣就能和數(shù)據(jù)區(qū)分開來。在發(fā)送一組數(shù)據(jù)之前先發(fā)送同步碼，然后分別發(fā)送百位、十位和個位。在發(fā)送完個位數(shù)據(jù)以后，還發(fā)送一次包含有個位、十位、百位這三位數(shù)據(jù)的累加和，以便于接收端判斷這一組數(shù)據(jù)是否傳輸正確。

無線接收從工作方式分，可以分成超外差接收和超再生接收。超再生式接收具有電路簡單、性能適中、成本低廉的優(yōu)點所以在實際應用中被廣泛采用。在這里所采用的接收模塊為超再生型接收方式，它內含放大整形及解碼電路，使用極為方便。超再生接收模塊電路中，其中PT2272 的外圍接收電路可參考文獻[ 6 ] , PT2272的VT端（17腳）為解碼有效輸出端，天線是一根長度為23cm 的軟導線，PT2272外接的振蕩電阻是200kΩ，可以和發(fā)射端PT2262外接的1. 2MΩ 電阻配合，使得中心頻率在315MHz.通過單片機AT89C52的P2. 0與P2. 1口分別控制PT2272 的地址碼A0 與A7, A1 ~A6 懸空，這樣改變這兩個I/O口的輸出即可實現(xiàn)對溫度與濕度的選擇或者同時接收。PT2272的數(shù)據(jù)解碼端D0~D3腳與單片機的P1口（0~3）連接，在此系統(tǒng)中設計了如圖6所示的電路來判斷數(shù)據(jù)是否解碼完畢， 如果解碼完畢則產(chǎn)生中斷， 單片機開始讀數(shù)據(jù)。

圖6 中斷信號產(chǎn)生電路圖

其軟件設計如圖7所示，先判斷出一組數(shù)據(jù)的開端，然后按順序接收本組數(shù)據(jù)的每一位數(shù)據(jù)，最后還有一次累加和判斷前面接收的這組數(shù)據(jù)是否正確，這樣就大大保證了所采集的數(shù)據(jù)的正確性。

圖7接收子程序流程圖

3.2.2無線遙控

無線遙控的原理與無線傳輸相同，具體電路可以參考文獻[7].本系統(tǒng)中的無線遙控具備兩種方式：一方面可以無線自動控制排氣扇、加濕器、加溫與制冷等電器設備，PC機將參數(shù)設置好以后由AT89C52控制發(fā)送模塊，發(fā)送控制信號去對應控制相關的電器設備；另一方面，工作人員可以利用一個遙控器直接控制各個電器設備的工作狀態(tài)。遙控中的無線收發(fā)模塊中的地址碼必須設置相同，且與前面的無線傳輸模塊的地址碼不能沖突。單片機相連的一個遙控發(fā)送模塊，最多可以配置四個無線接收控制模塊，這樣就可以對應遙控四個電器設備。遙控接收模塊將其解碼信號通過驅動電路來控制固態(tài)繼電器的狀態(tài)，進而由固態(tài)繼電器來控制電器設備的工作狀態(tài)。

3.3單片機與PC機通信設計

單片機與PC間的通信通過RS-232電平轉換芯片MAX232來實現(xiàn)，其硬件接口電路設計和軟件設計可參考文獻[8].PC機上運行的界面如圖8所示，在采集中，可以選擇只采集溫度、濕度，或者循環(huán)采集溫度與濕度，還可以設置采集次數(shù)；在遙控中，可以預設要達到的理想的溫濕度值，通過控制四個電器設備的工作對應使得溫濕度達到預設值。設置好采集量、采集次數(shù)與溫濕度控制參數(shù)以后，從而通過串口通信將這些參數(shù)傳送給接收模塊的單片機進行識別和處理，對應去控制接收模塊PT2272的地址碼進而可以選擇接收，還可以選擇遙控不同的電器設備。當采集到的溫濕度值與預設的溫濕度值相等后，則系統(tǒng)自動使電器設備停止工作。在接收到一次采集到的數(shù)據(jù)后，將這個數(shù)據(jù)和對應的溫度與濕度的數(shù)字代碼傳送給PC機，PC機對數(shù)據(jù)進行分類后在數(shù)據(jù)顯示列表中顯示出來，數(shù)據(jù)顯示區(qū)的數(shù)據(jù)達到這個列表的最大容量或者在點擊結束這個按鈕時，自動以記事本格式的文本將這些數(shù)據(jù)保存起來。當采集次數(shù)等于預設采集次數(shù)后，則停止采集，否則一直循環(huán)進行到完成所有的任務為止。在手動遙控過程中，操作人員可以查看采集顯示模塊上的溫濕度數(shù)據(jù)，進而利用遙控器去控制相關電器設備的工作狀態(tài)，使溫濕度達到一個合適的理想值。

4結論

經(jīng)測試與實驗，此系統(tǒng)操作方便、工作穩(wěn)定、性能優(yōu)良。采集顯示端可以手持攜帶操作，傳輸與遙控采用無線收發(fā)，避免了布局布線復雜麻煩的困難。

此系統(tǒng)結構簡單、準確率高、調試方便、配置靈活、擴展性強，而且成本低，能夠廣泛用于各種溫度、濕度采集領域，具有廣闊的應用前景。

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