基于個域網(wǎng)的無線溫濕度傳感器設(shè)計及醫(yī)學(xué)實驗室應(yīng)用

0 引言

　　醫(yī)學(xué)實驗大多都要在確定的溫度與濕度下展開，尤其是微生物實驗，對于恒溫、恒濕的要求更高，實驗室的溫度與濕度的控制對于醫(yī)學(xué)實驗?zāi)芊癯晒?、實驗結(jié)論是否可信有著重大的影響。在實驗室建設(shè)實時反饋溫濕指標(biāo)的溫濕監(jiān)測系統(tǒng)成為了一流醫(yī)學(xué)實驗室的必選項。人工記錄是大部分實驗室溫濕管理的主要方式，效率低下，耗費(fèi)大量的人力成本，而固定的有線溫濕度監(jiān)測儀則只能放置在特定的區(qū)域，一方面是布線復(fù)雜、建設(shè)成本高，另一方面約束了測樣品、工況和試驗區(qū)域的范圍，不利于生物實驗的大范圍開展。

　　隨著無線個域網(wǎng)技術(shù)的興起，實驗室的無線溫濕監(jiān)控成為必然的趨勢。無線個域網(wǎng)（Wireless Personal Ar-ea Network,WPAN）是為了實現(xiàn)活動半徑小、業(yè)務(wù)類型豐富、面向特定群體、無線無縫的連接而提出的新興無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。本文結(jié)合無線傳感器的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，建立基于個域網(wǎng)的溫濕度傳感器，實現(xiàn)實驗室的實時監(jiān)測、多點無線測量、自動記錄等功能，通過無線-有線-網(wǎng)絡(luò)的傳輸架構(gòu)使實驗人員無需輪值守也能實時了解實驗室的溫濕指標(biāo)，達(dá)到了生物體實驗室溫濕控制穩(wěn)定性好、精度高、操作方便的預(yù)期效果。

　　1 系統(tǒng)概述

　　本系統(tǒng)主要由一個協(xié)調(diào)器和三個終端設(shè)備組成。

　　協(xié)調(diào)器的功能主要是啟動整個網(wǎng)絡(luò)和接收三個終端設(shè)備發(fā)送的溫濕度數(shù)據(jù)，然后ATmega16L 把數(shù)據(jù)通過異步串行口與PC機(jī)的上位機(jī)進(jìn)行通信。三個終端設(shè)備的硬件系統(tǒng)是一樣的，主要的功能都是ATmega16L 先控制AM2302 模塊采集本地的溫濕度數(shù)據(jù)，然后顯示在12864 液晶屏上，最后通過CC2530 把溫濕度數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器。

　　協(xié)調(diào)器的電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

　　2 硬件電路設(shè)計

　　2.1 5 V電源電路設(shè)計

　　5 V電源電路如圖2所示，DC是9 V適配器的輸入接口，適配器把市電220 V的交流電壓轉(zhuǎn)變成9 V的直流電壓。BT1是9 V電池的輸入接口。S3是電源選擇端，分別可以選擇電池供電和AC?DC供電。D2是整流二極管，在這里是起到防反接的作用。CP4和C17分別是穩(wěn)壓芯片輸入端的高頻濾波和低頻濾波。LM1086?5.0 V是穩(wěn)壓芯片，把9 V的DC輸入轉(zhuǎn)變成5 V的DC輸出，驅(qū)動電流可達(dá)1.5 A.CP3和C32分別是穩(wěn)壓芯片輸出端的高頻濾波和低頻濾波。P11是排針，方便5 V擴(kuò)展輸出。

　　2.2 3 V電源電路設(shè)計

　　CP1 和C34 分別是穩(wěn)壓芯片輸入端的高頻濾波和低頻濾波。RT9161 是3 V 穩(wěn)壓芯片，芯片的輸入電壓由LM1086的5 V輸出，所以RT9161實現(xiàn)的是5~3 V的DC?

　　DC.CP2和C33分別是穩(wěn)壓芯片輸出端的高頻濾波和低頻濾波。L4 是1 μH 的電感，在這里的作用是把模擬地和數(shù)字地分開。P12是排針，方便3 V擴(kuò)展輸出。P10是排針，方便GND擴(kuò)展輸出。

　　2.3 ATmega16L最小系統(tǒng)設(shè)計

　　D1、R5 、S2、C13 組成的是ATmega16L 的復(fù)位電路，在單片機(jī)正常工作的情況下，復(fù)位腳上拉了10 kΩ的R5 ,經(jīng)過C13 的電容充電，單片機(jī)的復(fù)位腳保持高電平，當(dāng)S2按鈕按下，單片機(jī)的復(fù)位腳被拉成低電平，單片機(jī)就進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，ATmega16L是低電平復(fù)位。Y1、C14 、C15組成的是ATmega16L的起振電路，Y1是選擇了8 MHz的無源晶振，C14 和C15 是起振電容，取值范圍在20~30 pF之間。ISP接口是給單片機(jī)燒寫程序時使用的。S10,S11,S12 , S13, R13, R14 , R15, R16 是外部輸入設(shè)備，供擴(kuò)展使用。

C16 是單片機(jī)ADC 模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的基準(zhǔn)電壓濾波使用的。L5, C11, C31 組成的是π型濾波，把LM1086?5.0 V 的5 V模擬電源進(jìn)行濾波，再提供給單片機(jī)使用。P5和P6是單片機(jī)所有引腳的擴(kuò)展輸出。

　　2.4 AM2302溫濕度采集模塊設(shè)計

　　AM2302溫濕度模塊的SDA數(shù)據(jù)口上拉一個5.1 kΩ的R17 與單片機(jī)的PC0腳相連，傳輸?shù)耐ㄐ艆f(xié)議是單總線協(xié)議。典型應(yīng)用電路中建議連接線長度短于30 m時用5.1 kΩ上拉電阻，大于30 m 時根據(jù)實際情況降低上拉電阻的阻值。電路圖如圖3所示。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　軟件部分主要分為ATmega16L 單片機(jī)模塊、AM2302溫濕度采集模塊、12864液晶顯示模塊、DB9異步串行口收發(fā)模塊、CC2530F256無線收發(fā)模塊。

　　4 設(shè)計過程的問題及解決

　　在設(shè)計的初期，RT9161?3.0 V 穩(wěn)壓芯片的輸入是直接9 V 輸入的，這樣高的輸出與輸入壓差比，會讓芯片發(fā)熱嚴(yán)重，功耗增大，后來就改接到LM1086?

　　5.0 V的輸出端。ATmega16L單片機(jī)模塊是5 V供電的，而CC2530F256 射頻系統(tǒng)是3 V 供電的，所以兩個模塊通信就需要電平轉(zhuǎn)換，經(jīng)測試后，外接了一個萬能板搭了一個5 V 電平與3 V 電平之間的電平轉(zhuǎn)換。程序的設(shè)計初期，用ATmega16L 和CC2530F256 的SPI 接口進(jìn)行通信，因為SPI 是同步串行接口，通信速度相對較快，但是在程序調(diào)試時，發(fā)現(xiàn)當(dāng)ATmega16L充當(dāng)主機(jī)接收CC2530F256 的數(shù)據(jù)時，不能正常接收，所以后來改用了異步串行口進(jìn)行通信，雙機(jī)系統(tǒng)的傳輸速率就相對慢了。因此，推薦使用現(xiàn)在性價比較高的ST公司推出的基于ARM cortex?M3 內(nèi)核的STM32 微處理器作系統(tǒng)控制核心。另外，如果需要遠(yuǎn)距離傳輸數(shù)據(jù)，可以加上一個功率放大的發(fā)射前端CC2591,這樣傳輸距離可達(dá)2 000 m左右。

　　5 結(jié)語

　　本文主要介紹基于個域網(wǎng)溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的硬件及軟件設(shè)計的部分功能，其架構(gòu)是下位機(jī)以單片機(jī)為控制中心，通過傳感器采集溫濕度數(shù)據(jù)，借助通信模塊的傳輸功能，將數(shù)據(jù)傳至上位機(jī)，并使用數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)，再通過網(wǎng)絡(luò)建立計算機(jī)、手機(jī)等便攜計算設(shè)備的共享與發(fā)布平臺，真正地幫助實驗工作人員實現(xiàn)3A（Anytime,Anywhere,Anyway）監(jiān)控實驗室溫濕度指標(biāo)，更高效、及時地滿足醫(yī)學(xué)實驗的控制穩(wěn)定、調(diào)控及時的工作要求。