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，再經由無線收發(fā)傳輸采集到的數據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、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據，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據傳輸模塊來實現(xiàn)對數據的無線傳輸，但是這樣需要配置多個采集模塊，并且大大增加了分離數據的負擔，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)對數據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，并顯示相應的數據，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據同步與校驗錯誤等問題。采集到的數據再經由編解碼芯片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據。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、采集次數與各電器設備工作狀態(tài)的設置，然后將設置好的參數通過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據并完成相應采集次數的數據。單片機AT89C52 將采集到的數據通過MAX232串口通信傳送給PC機，進而實現(xiàn)對采集到的數據進行顯示和存儲。

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 數字溫濕度傳感器SHT71

SHT71是一種通過I2 C總線直接輸出數字量值，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:雙向串行數據線。

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。三個數碼顯示管可以顯示采集到的數據，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為數據碼，與四個I/O口相連，用來每次無線發(fā)送四位數據，在編碼輸出端（17腳）輸出編碼信號，再經過放大和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)送溫度數據時，設置A0接地， A1~A7全部懸空；當只發(fā)送濕度數據時，設置A7接地，其余地址碼懸空；當需要循環(huán)發(fā)送溫度與濕度數據時，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℃， 對數據處理后以BCD碼形式顯示并無線發(fā)送出去，這樣每一組完整的數據包含有個位、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據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據的完整性，設置了一個起始同步碼1111,由于發(fā)送的數據都是BCD碼，這樣就能和數據區(qū)分開來。在發(fā)送一組數據之前先發(fā)送同步碼，然后分別發(fā)送百位、十位和個位。在發(fā)送完個位數據以后，還發(fā)送一次包含有個位、十位、百位這三位數據的累加和，以便于接收端判斷這一組數據是否傳輸正確。