趙鑫

泰山醫(yī)學(xué)院信息工程學(xué)院 271016

實(shí)驗室遠(yuǎn)程溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)

趙鑫

泰山醫(yī)學(xué)院信息工程學(xué)院 271016

介紹了基于nRF905無線射頻模塊和DHT11溫濕度數(shù)字傳感器的，以PC機(jī)位上位機(jī)的實(shí)驗室遠(yuǎn)程溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)。該系統(tǒng)能對多個實(shí)驗室多個監(jiān)測點(diǎn)的溫濕度進(jìn)行實(shí)時顯示，并能進(jìn)行報警及實(shí)時數(shù)據(jù)存儲。

無線通信；nRF905無線模塊；DHT11溫濕度數(shù)字傳感器

實(shí)驗室溫濕度是反映其是否正常工作的重要參數(shù)指標(biāo)?，F(xiàn)有溫濕度參數(shù)的檢測均采用人工測量，方法老化且效率低下。如果采用目前一般遠(yuǎn)程監(jiān)測所采用的方法，需要重新布線以進(jìn)行信號的傳輸，施工勞動強(qiáng)度大，投資大。本論文介紹以PC機(jī)為上位機(jī)，采用nRF905無線射頻模塊、多個DHT11溫濕度數(shù)字傳感器無線信號傳輸方式的數(shù)字溫濕度自動監(jiān)測系統(tǒng)，對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)每個點(diǎn)中的溫、濕度的變化情況進(jìn)行實(shí)時自動監(jiān)測，數(shù)據(jù)傳輸采用無線傳輸方式，上位機(jī)實(shí)時顯示和監(jiān)測各個監(jiān)測點(diǎn)的溫濕度及變化情況，并能進(jìn)行報警及實(shí)時數(shù)據(jù)存儲等功能。

1、系統(tǒng)硬件構(gòu)成

1、1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

系統(tǒng)硬件設(shè)計方案如圖1所示。

每一個監(jiān)測點(diǎn)模塊由nRF905無線發(fā)送模塊和溫濕度數(shù)字傳感器DH T11構(gòu)成。而上位機(jī)接收模塊由nRF905無線模塊和RS232串口模塊構(gòu)成。

圖1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)方案

1、2 n RF905無線射頻模塊

nRF905芯片是挪威Nordic公司推出的單片射頻收發(fā)器。芯片工作電壓DC1.9～3.6V，32引腳QFN封裝，內(nèi)置硬件CRC檢錯和點(diǎn)對多點(diǎn)通信地址控制，工作在433/868/915MHz三個ISM頻段，頻段之間收發(fā)模式切換時間＜650 us。nRF905由頻率合成器、接收解調(diào)器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器組成，不需外加聲表濾波器，采用ShockBurstTM工作模式，自動處理字頭和CRC(循環(huán)冗余碼校驗)，使用SPI接口與微控制器通信，配置非常方便。此外，其功耗非常低，以-10 d Bm的輸出功率發(fā)射時電流只有11mA，工作于接收模式時的電流為12.5mA，內(nèi)建空閑模式與關(guān)機(jī)模式，易于實(shí)現(xiàn)節(jié)能。nRF905適用于無線數(shù)據(jù)通信、無線報警及安全系統(tǒng)、無線開鎖、無線監(jiān)測、家庭自動化和玩具等諸多領(lǐng)域。

n RF905片內(nèi)集成了電源管理、晶體振蕩器、低噪聲放大器、頻率合成器功率放大器等模塊，曼徹斯特編碼/解碼由片內(nèi)硬件完成，無需用戶對數(shù)據(jù)進(jìn)行曼徹斯特編碼，因此使用非常方便。具體器件描述可參照其器件數(shù)據(jù)手冊。

圖2 nRF905模塊及其接口

1、3 數(shù)字溫濕度傳感器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。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機(jī)相連接。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價比極高等優(yōu)點(diǎn)。每個DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測信號的處理過程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達(dá)20米以上，使其成為各類應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場合的最佳選擇。產(chǎn)品為4針單排引腳封裝。連接方便，特殊封裝形式可根據(jù)用戶需求而提供。

圖3 DHT11及其與MCU連接

2、系統(tǒng)軟件設(shè)計

nRF905模塊與MCU采用如圖2所示SPI總線進(jìn)行通信，DHT11溫濕度數(shù)字傳感器與MCU采用如圖3所示單總線進(jìn)行通信。無線接收模塊與上位機(jī)采用RS232進(jìn)行通信。

2、1 SPI總線

SPI是英語Serial Peripheral interface的縮寫，就是串行外圍設(shè)備接口。是Motorola首先在其MC68HCXX系列處理器上定義的。SPI接口主要應(yīng)用在EEPROM、FLASH、實(shí)時時鐘、AD轉(zhuǎn)換器，還有數(shù)字信號處理器和數(shù)字信號解碼器之間。SPI是一種高速的，全雙工，同步的通信總線，并且在芯片的管腳上只占用四根線，節(jié)約了芯片的管腳，同時為PCB的布局上節(jié)省空間，提供方便。正是出于這種簡單易用的特性，現(xiàn)在越來越多的芯片集成了這種通信協(xié)議。

無線通信模塊主要由nRF905對數(shù)據(jù)進(jìn)行無線傳送,包括無線發(fā)送與無線接收2個流程。

其發(fā)送流程具體操作如下：

當(dāng)微控制器(單片機(jī))有數(shù)據(jù)要發(fā)送時,通過SPI接口,按時序把接收機(jī)的地址和要發(fā)送的數(shù)據(jù)送傳給nRF905；微控制器置高TRX_CE和TX_EN,激發(fā)nRF905 的ShockBurstTM發(fā)送模式并發(fā)送數(shù)據(jù)；如果AUTO_RETRAN 被置高, nRF905將不斷重發(fā),直到TRX_CE被置低,否則只發(fā)送次；當(dāng)TRX_CE被置低, nRF905發(fā)送過程完成,自動進(jìn)入空閑模式。

其接收流程具體操作如下：

當(dāng)TRX_CE為高、TX_EN為低時, nRF905進(jìn)入Shock2Bu rstTM接收模式,650 μs后, nRF905 不斷監(jiān)測,等待接收數(shù)據(jù)；當(dāng)一個正確的數(shù)據(jù)包接收完畢, nRF905 自動移去字頭、地址和CRC校驗位,然后把數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好引腳D R置高, TRX_CE置低, nRF905進(jìn)入空閑模式；微控制器通過SPI口以一定的速率把數(shù)據(jù)移到微控制器內(nèi)；當(dāng)所有的數(shù)據(jù)接收完畢, nRF905 把數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好引腳DR和地址匹配引腳AM置低，此時, nRF905可以進(jìn)入Shock BurstTM 接收模式、ShockBurstTM發(fā)送模式或關(guān)機(jī)模式。

2、2 DHT11串行接口

如圖3所示，DATA用于微處理器與DHT11之間的通訊和同步，采用單總線數(shù)據(jù)格式，一次通訊時間4m s左右，數(shù)據(jù)分小數(shù)部分和整數(shù)部分。DHT11具體通信協(xié)議請參考相關(guān)開發(fā)文檔。

2、3 系統(tǒng)上位機(jī)設(shè)計

上位機(jī)的監(jiān)控軟件采用了VisualB a s i c6.0 進(jìn)行開發(fā)。主要應(yīng)用MSCOMM控件及實(shí)時曲線繪制。其中MSCOMM控件初始化程序如下。

3、系統(tǒng)測試

系統(tǒng)上位機(jī)實(shí)時溫度曲線如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)實(shí)時溫度曲線

4、結(jié)束語

本系統(tǒng)的創(chuàng)新之處在于：采用無線通信和PC機(jī)上位機(jī)以及數(shù)字傳感器的方案，完全擯棄了現(xiàn)有實(shí)驗室溫濕度監(jiān)測的設(shè)計方案，目前該系統(tǒng)已經(jīng)投入了試運(yùn)行，取得了良好的效果，是今后實(shí)驗室溫濕度監(jiān)測領(lǐng)域的發(fā)展方向。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2011.09.096