基于物聯(lián)網架構的倉庫溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的設計

引言

由大量的部署在監(jiān)測區(qū)域內的微型傳感器節(jié)點構成的無線傳感器網絡，具有信號采集、實時監(jiān)測、信息傳輸、協(xié)同處理、信息服務等功能，能感知、采集和處理網絡所覆蓋區(qū)域中感知對象的各種信息，并將處理后的信息傳遞給用戶。本文通過NRF24L01無線傳輸模塊和MC9S12XS128單片機組建成一個可以實時監(jiān)測各基點溫濕度的物聯(lián)網結構,并對非正常溫濕度數據報警于倉庫管理員。

1系統(tǒng)結構與功能

系統(tǒng)的總體結構框圖如圖1所示。為了滿足無線數據傳輸的要求，系統(tǒng)分為下位機子系統(tǒng)和上位機子系統(tǒng)兩部分。其中，下位機子系統(tǒng)放置在溫濕度的采集現(xiàn)場，由數字式溫濕度傳感器DHT11對現(xiàn)場的溫濕度信息實時采集，并在單片機控制下通過LED數碼管顯示檢測到的溫濕度數值，同時將溫濕度數據通過無線傳輸模塊的發(fā)射端傳送給上位機子系統(tǒng)，從而實現(xiàn)數據的無線傳輸功能。上位機子系統(tǒng)放置在控制機房,通過接收端獲取下位機采集的信息，上位機利用監(jiān)控軟件實現(xiàn)對數據的讀取，實時顯示在上位機的軟件界面上，同時可對溫濕度數據保存，并利用數據庫中的數據繪制曲線，當實際溫濕度超出設定范圍時自動報警。

圖1系統(tǒng)結構框圖

2系統(tǒng)硬件

2.1溫濕度傳感器DHT11

DHT11數字溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件。相對濕度分辨率為0.1%RH,精度為±5%RH,響應時間為6s。溫度分辨率為0.1%RH,響應時間為10s,精度為±2。。。傳輸時通過數據線向單片機發(fā)送40b的數據，其中16b的濕度數據,16b的溫度數據,8b的校驗位。DHT11能基本滿足設計所需，其價格便宜，體積較小，能適用于多種場合。

2.2無線傳輸模塊NRF24L01

NRF24L01工作在2.4GHz全球開放ISM頻段。由于空中傳輸時間很短，極大地降低了無線傳輸中的碰撞現(xiàn)象。當此模塊工作在應答模式通信時，由于快速的空中傳輸及啟動時間，極大地降低了電流消耗。NRF24L01的SPI接口可以利用單片機的硬件SPI口連接或利用單片機I/O口模擬SPI口進行連接。鏈路層完全集成在模塊上，方便了開發(fā)。此模塊同時還具有自動重發(fā)功能，自動檢測和重發(fā)丟失的數據包。

2.3單片機MC9S12XS128

設計中選擇了飛思卡爾公司的MC8S12X128單片機。該款單片機穩(wěn)定性好，低工作電壓，典型的S12總線頻率為25MHz，最高可超頻至80MHz。鎖相環(huán)(PLL)系統(tǒng)時鐘發(fā)生器利用較低的外部振蕩器頻率產生高速片內總線時鐘，從而降低了噪聲。該款單片機可以與溫濕度傳感器(DHT11)和無線傳輸模塊(NRF24L01)良好兼容，特別是對于I/O接口，可以直接相連，無需電平轉換。

3硬件設計

3.1溫濕度傳感器與單片機的連接

MC9S12XS128單片機的門控模塊可用于對DHT11傳感器的單線數據傳送進行數據采集。在單片機程序中，對TSCR1、TFLG2、TIE、TFLG1_C7F、PAFLG、TIOS、PACTL、PACNT、TCTL3_EDG7B和TCTL3_EDG7A寄存器進行配置,并在中斷服務子程序中對PAFLG_PAOVF、PAFLG_PAIF和TFLG1_C7F中斷標志置位，可以達到對數據線上傳送的數據值。單片機與DHT11的連接方式如圖2所示。

圖2DHT11與單片機連接方式

3.2無線模塊與單片機的連接

NRF24L01與單片機的連接可靠性是保障系統(tǒng)能夠正常、精確、高效運行的基礎。根據MC9S12XS128單片機的特點和NRF24L01的接口設計要求，將單片機的I/O端口分別與NRF24L01的片選線、芯片模式控制線和SPI接口相連接。其中,單片機PTP1口與無線模塊IRQ相連接，PTP0口與無線模塊CE相連接，其他接口正常連接。

在設計中使用的是主機模式。在主機模式中，SPI模塊的主機啟動邏輯可從CPU接收數據和命令，并根據選定的傳送速率產生串行時鐘用來控制移位寄存器。該時鐘同時通過SCK引腳傳送到從設備端，用于控制從設備的移位寄存器。當CPU把待發(fā)送的數據寫入到SPI數據寄存器時，根據所選擇的SPI數據位寬，這個并行數據立刻被裝入8位移位寄存器并移位輸出到MOSI引腳傳入設備。同時，從設備的移位數據通過MISO引腳輸入到MCU內部的移位寄存器。最后一位傳送結束后，數據并行傳送到SPI接收數據寄存器等待CPU讀取，同時SPI狀態(tài)寄存器的SPRF或SPTEF狀態(tài)標志置起。

3.3單片機與PC的通信連接

為方便單片機與PC機的連接，設計中使用的是RS232轉USB的轉換接口。

在單片機程序中配置SCI0CR1、SCI0CR2、SCI0BDL寄存器的值可以初始化單片機的串口,并可根據系統(tǒng)時鐘設置串口的數據傳輸率。在發(fā)射程序中根據SCI0SR1寄存器的值可以判斷單片機串口是否已經傳輸完畢，以便于下一數據的傳輸。

4軟件設計

4.1無線數據傳輸程序設計

NRF24L01發(fā)送和接收數據的工作流程如圖3所示，其通過SPI接口發(fā)送指令進行初始化，初始化的主要工作參數包括工作頻率、發(fā)射功率、有效數據寬度、校驗位等信息。

4.2上位機程序設計

上位機監(jiān)控軟件是由VisualC++6.0編寫的，根據設計要求我們設計了以下兩個窗體模塊。

主控窗體

此窗體是上位機操控的主界面。其通過VisualC++6.0MSComm控件即可建立起單片機與PC機之間的通信，實時顯示各個傳感器當前采集到的溫濕度數據。當采集到的數據值超過預定義的安全數據閾值時，界面彈出報警消息框。

數據曲線窗體

在此窗體中可以顯示每個傳感器的歷史數據曲線以及歷史平均數據曲線。

5結語

本研究的創(chuàng)新之處在于采用物聯(lián)網這一概念貫穿整個研究設計階段，且簡單的硬件電路設計，降低了研究成本。本研究成果可以應用到醫(yī)療、農業(yè)、物流等大型倉庫的溫濕度檢測，可以保證各類倉庫安全、節(jié)能的商品存儲。其監(jiān)控外設通過USB與PC機之間相連操作方便。另外，系統(tǒng)的上位機功能強大，能夠實現(xiàn)溫濕度的遠程測量與監(jiān)控，并將采集的溫濕度實時顯示和保存，還能夠記錄歷史數據，為分析提高倉庫存儲效率提供了便利。

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