基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的倉庫溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

引言

由大量的部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的微型傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，具有信號采集、實(shí)時(shí)監(jiān)測、信息傳輸、協(xié)同處理、信息服務(wù)等功能，能感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)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(jī)組建成一個(gè)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測各基點(diǎn)溫濕度的物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu),并對非正常溫濕度數(shù)據(jù)報(bào)警于倉庫管理員。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。為了滿足無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊螅到y(tǒng)分為下位機(jī)子系統(tǒng)和上位機(jī)子系統(tǒng)兩部分。其中，下位機(jī)子系統(tǒng)放置在溫濕度的采集現(xiàn)場，由數(shù)字式溫濕度傳感器DHT11對現(xiàn)場的溫濕度信息實(shí)時(shí)采集，并在單片機(jī)控制下通過LED數(shù)碼管顯示檢測到的溫濕度數(shù)值，同時(shí)將溫濕度數(shù)據(jù)通過無線傳輸模塊的發(fā)射端傳送給上位機(jī)子系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸功能。上位機(jī)子系統(tǒng)放置在控制機(jī)房,通過接收端獲取下位機(jī)采集的信息，上位機(jī)利用監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的讀取，實(shí)時(shí)顯示在上位機(jī)的軟件界面上，同時(shí)可對溫濕度數(shù)據(jù)保存，并利用數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)繪制曲線，當(dāng)實(shí)際溫濕度超出設(shè)定范圍時(shí)自動報(bào)警。

圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2系統(tǒng)硬件

2.1溫濕度傳感器DHT11

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測溫元件。相對濕度分辨率為0.1%RH,精度為±5%RH,響應(yīng)時(shí)間為6s。溫度分辨率為0.1%RH,響應(yīng)時(shí)間為10s,精度為±2。。。傳輸時(shí)通過數(shù)據(jù)線向單片機(jī)發(fā)送40b的數(shù)據(jù)，其中16b的濕度數(shù)據(jù),16b的溫度數(shù)據(jù),8b的校驗(yàn)位。DHT11能基本滿足設(shè)計(jì)所需，其價(jià)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(shí)間很短，極大地降低了無線傳輸中的碰撞現(xiàn)象。當(dāng)此模塊工作在應(yīng)答模式通信時(shí)，由于快速的空中傳輸及啟動時(shí)間，極大地降低了電流消耗。NRF24L01的SPI接口可以利用單片機(jī)的硬件SPI口連接或利用單片機(jī)I/O口模擬SPI口進(jìn)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(shí)還具有自動重發(fā)功能，自動檢測和重發(fā)丟失的數(shù)據(jù)包。

2.3單片機(jī)MC9S12XS128

設(shè)計(jì)中選擇了飛思卡爾公司的MC8S12X128單片機(jī)。該款單片機(jī)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(shí)鐘發(fā)生器利用較低的外部振蕩器頻率產(chǎn)生高速片內(nèi)總線時(shí)鐘，從而降低了噪聲。該款單片機(jī)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(zhuǎn)換。

3硬件設(shè)計(jì)

3.1溫濕度傳感器與單片機(jī)的連接

MC9S12XS128單片機(jī)的門控模塊可用于對DHT11傳感器的單線數(shù)據(jù)傳送進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。在單片機(jī)程序中，對TSCR1、TFLG2、TIE、TFLG1_C7F、PAFLG、TIOS、PACTL、PACNT、TCTL3_EDG7B和TCTL3_EDG7A寄存器進(jìn)行配置,并在中斷服務(wù)子程序中對PAFLG_PAOVF、PAFLG_PAIF和TFLG1_C7F中斷標(biāo)志置位，可以達(dá)到對數(shù)據(jù)線上傳送的數(shù)據(jù)值。單片機(jī)與DHT11的連接方式如圖2所示。

圖2DHT11與單片機(jī)連接方式

3.2無線模塊與單片機(jī)的連接

NRF24L01與單片機(jī)的連接可靠性是保障系統(tǒng)能夠正常、精確、高效運(yùn)行的基礎(chǔ)。根據(jù)MC9S12XS128單片機(jī)的特點(diǎn)和NRF24L01的接口設(shè)計(jì)要求，將單片機(jī)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(jī)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(shè)計(jì)中使用的是主機(jī)模式。在主機(jī)模式中，SPI模塊的主機(jī)啟動邏輯可從CPU接收數(shù)據(jù)和命令，并根據(jù)選定的傳送速率產(chǎn)生串行時(shí)鐘用來控制移位寄存器。該時(shí)鐘同時(shí)通過SCK引腳傳送到從設(shè)備端，用于控制從設(shè)備的移位寄存器。當(dāng)CPU把待發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入到SPI數(shù)據(jù)寄存器時(shí)，根據(jù)所選擇的SPI數(shù)據(jù)位寬，這個(gè)并行數(shù)據(jù)立刻被裝入8位移位寄存器并移位輸出到MOSI引腳傳入設(shè)備。同時(shí)，從設(shè)備的移位數(shù)據(jù)通過MISO引腳輸入到MCU內(nèi)部的移位寄存器。最后一位傳送結(jié)束后，數(shù)據(jù)并行傳送到SPI接收數(shù)據(jù)寄存器等待CPU讀取，同時(shí)SPI狀態(tài)寄存器的SPRF或SPTEF狀態(tài)標(biāo)志置起。

3.3單片機(jī)與PC的通信連接

為方便單片機(jī)與PC機(jī)的連接，設(shè)計(jì)中使用的是RS232轉(zhuǎn)USB的轉(zhuǎn)換接口。

在單片機(jī)程序中配置SCI0CR1、SCI0CR2、SCI0BDL寄存器的值可以初始化單片機(jī)的串口,并可根據(jù)系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置串口的數(shù)據(jù)傳輸率。在發(fā)射程序中根據(jù)SCI0SR1寄存器的值可以判斷單片機(jī)串口是否已經(jīng)傳輸完畢，以便于下一數(shù)據(jù)的傳輸。

4軟件設(shè)計(jì)

4.1無線數(shù)據(jù)傳輸程序設(shè)計(jì)

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

4.2上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)監(jiān)控軟件是由VisualC++6.0編寫的，根據(jù)設(shè)計(jì)要求我們設(shè)計(jì)了以下兩個(gè)窗體模塊。

主控窗體

此窗體是上位機(jī)操控的主界面。其通過VisualC++6.0MSComm控件即可建立起單片機(jī)與PC機(jī)之間的通信，實(shí)時(shí)顯示各個(gè)傳感器當(dāng)前采集到的溫濕度數(shù)據(jù)。當(dāng)采集到的數(shù)據(jù)值超過預(yù)定義的安全數(shù)據(jù)閾值時(shí)，界面彈出報(bào)警消息框。

數(shù)據(jù)曲線窗體

在此窗體中可以顯示每個(gè)傳感器的歷史數(shù)據(jù)曲線以及歷史平均數(shù)據(jù)曲線。

5結(jié)語

本研究的創(chuàng)新之處在于采用物聯(lián)網(wǎng)這一概念貫穿整個(gè)研究設(shè)計(jì)階段，且簡單的硬件電路設(shè)計(jì)，降低了研究成本。本研究成果可以應(yīng)用到醫(yī)療、農(nóng)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(shè)通過USB與PC機(jī)之間相連操作方便。另外，系統(tǒng)的上位機(jī)功能強(qiáng)大，能夠?qū)崿F(xiàn)溫濕度的遠(yuǎn)程測量與監(jiān)控，并將采集的溫濕度實(shí)時(shí)顯示和保存，還能夠記錄歷史數(shù)據(jù)，為分析提高倉庫存儲效率提供了便利。

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