宋勇迪,張素嫻（湖州師范學(xué)院信息工程學(xué)院,浙江　湖州　313000）

遠(yuǎn)程多點(diǎn)環(huán)境參數(shù)無線監(jiān)控系統(tǒng)

宋勇迪,張素嫻
（湖州師范學(xué)院信息工程學(xué)院,浙江湖州313000）

摘要：本文設(shè)計(jì)了基于無線傳輸模塊XL105-232AP2和數(shù)字溫濕度傳感器DHT21/AM2301的遠(yuǎn)程多點(diǎn)環(huán)境參數(shù)無線監(jiān)控系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)是以AT89S52單片機(jī)為核心來進(jìn)行各終端節(jié)點(diǎn)溫濕度數(shù)據(jù)采集，并通過無線收發(fā)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，在接收端也通過AT89S52單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并且傳輸給液晶屏，從而實(shí)現(xiàn)無線的溫濕度監(jiān)控。文中給出了各硬件模塊的功能和特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的說明，軟件部分給出了數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理的具體操作過程。

關(guān)鍵詞：無線傳輸；單片機(jī)；溫濕度傳感器；數(shù)據(jù)采集

1　引言

隨著當(dāng)今電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字式溫度傳感器出現(xiàn)了，這使溫度測(cè)量技術(shù)發(fā)生巨變，從模擬測(cè)量方法過渡到數(shù)字式測(cè)量方法。然而溫度測(cè)量和濕度測(cè)量相結(jié)合又是一大技術(shù)突破，數(shù)字式溫濕度測(cè)量方法無論在測(cè)量精度還是實(shí)時(shí)性方面都有了很大的提高[3]。隨著網(wǎng)絡(luò)及通信技術(shù)的飛速發(fā)展，短距離無線通信以其特有的抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、安全性好、受地理?xiàng)l件限制少、安裝施工簡(jiǎn)便靈活等特點(diǎn)，在許多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程多點(diǎn)環(huán)境參數(shù)無線監(jiān)控系統(tǒng)是一種基于射頻技術(shù)的無線溫濕度檢測(cè)裝置，其中包括一個(gè)數(shù)據(jù)接收顯示模塊和若干個(gè)數(shù)據(jù)采集發(fā)送模塊，其中數(shù)據(jù)接收端主要負(fù)責(zé)N路環(huán)境參數(shù)即溫濕度數(shù)據(jù)的匯總接收處理顯示，是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，是負(fù)責(zé)與各采集端通信并完成顯示任務(wù)和控制功能的，數(shù)據(jù)采集發(fā)送端也就是溫濕度采集端負(fù)責(zé)對(duì)測(cè)量點(diǎn)的溫濕度測(cè)量，并根據(jù)接收端的控制要求把測(cè)量點(diǎn)的信息返回給控制系統(tǒng)，他們之間是通過無線方式進(jìn)行有效的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，也就是說采集端之間是不可以直接通信的[4]。數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)采集端由一片數(shù)字溫濕度傳感器DHT21/AM 2301采集環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)，通過XL105-232AP2微功率無線透明傳輸模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇邮漳K，完成對(duì)環(huán)境多點(diǎn)溫度、濕度數(shù)據(jù)的采集和無線發(fā)送；接收顯示模塊同樣有一塊XL105-232AP2微功率無線透明傳輸模塊接收數(shù)據(jù)，經(jīng)過單片機(jī)處理傳輸?shù)揭壕э@示屏LCD1604分別顯示出每個(gè)采集端的溫度以及濕度數(shù)據(jù)，并且可通過擴(kuò)展顯示、鍵盤、RS-232等接口模塊，完成溫度、濕度數(shù)據(jù)的接收、顯示和上傳功能。

傳感器SHT11是比較好的選擇。該傳感器將CMOS芯片技術(shù)與傳感器技術(shù)結(jié)合在一起構(gòu)成高集成度、體積極小的數(shù)字式溫濕度傳感器，使得傳感器的耐久性、元件尺寸、數(shù)字化、簡(jiǎn)單和快速的系統(tǒng)應(yīng)用等性能均有較大的提高。而且使用SHT11傳感器無需外加任何轉(zhuǎn)換電路，可與微處理器直接連接實(shí)現(xiàn)濕度以及溫度的測(cè)量。SHT11傳感器分別默認(rèn)為14位、12位的測(cè)量溫度和相對(duì)濕度的分辨率，通過狀態(tài)寄存器則降至12位、8位，濕度測(cè)量范圍是0～100%RH，對(duì)于12位的分辨率為0.03%RH，測(cè)溫范圍為-40°C～+123.8°C，對(duì)于14位的分辨率為0.01°C。每個(gè)傳感器芯片進(jìn)行標(biāo)定都在極為精確的濕度室中，校準(zhǔn)系數(shù)在OTP內(nèi)存中以程序形式儲(chǔ)存，在測(cè)量過程中可自動(dòng)校準(zhǔn)相對(duì)濕度，使SHT11具有100%的互換性[5]。

數(shù)據(jù)接收顯示模塊部分接收數(shù)據(jù)采集發(fā)射模塊發(fā)送過來的溫度濕度數(shù)據(jù)之后，然后在本地LCD上顯示遠(yuǎn)端的溫度和濕度，所以該模塊的主要功能即以中斷方式從射頻接收模塊獲取得到遠(yuǎn)端發(fā)送的數(shù)據(jù)，每獲得一個(gè)字節(jié)中斷一次，此方法適用于本系統(tǒng)需要發(fā)送的數(shù)據(jù)量較小的情況，當(dāng)接收到一次完整的數(shù)據(jù)之后，通知應(yīng)用將獲取的數(shù)據(jù)顯示至本地LCD屏幕，從而完成整個(gè)無線溫度濕度監(jiān)控過程。

3　軟件設(shè)計(jì)

我們可以進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，先對(duì)型號(hào)為L(zhǎng)CD 1602和AT 89S52的進(jìn)行初始化，然后查詢N路數(shù)據(jù)溫濕度采集端，接收并顯示出N路溫濕度采集端的溫濕度數(shù)據(jù)。查詢過程的具體步驟應(yīng)該是該模塊首先給某一路溫濕度采集端發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令，同時(shí)監(jiān)控定時(shí)器啟動(dòng)并等待接收應(yīng)答，如果在規(guī)定的時(shí)問內(nèi)相應(yīng)的數(shù)據(jù)應(yīng)答沒有收到，將重新發(fā)送查詢命令，并進(jìn)行錯(cuò)誤計(jì)數(shù)，避免數(shù)據(jù)丟失，如果錯(cuò)誤計(jì)數(shù)達(dá)到一定程度，發(fā)送方就停止發(fā)送查詢命令，進(jìn)入錯(cuò)誤處程序理，收到數(shù)據(jù)應(yīng)答后，首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)合格后再把數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[2]。

數(shù)據(jù)接收顯示模塊部分接收數(shù)據(jù)采集發(fā)射模塊發(fā)送過來的溫度濕度數(shù)據(jù)之后，然后在本地LCD上顯示遠(yuǎn)端的溫度和濕度，所以該模塊的主要功能即以中斷方式從射頻接收模塊獲取得到遠(yuǎn)端發(fā)送的數(shù)據(jù)，每獲得一個(gè)字節(jié)中斷一次，此方法適用于本系統(tǒng)需要發(fā)送的數(shù)據(jù)量較小的情況，當(dāng)接收到一次完整的數(shù)據(jù)之后，通知應(yīng)用將獲取的數(shù)據(jù)顯示至本地LCD屏幕，從而完成整個(gè)無線溫度濕度監(jiān)控過程。

3.1顯示模塊軟件設(shè)計(jì)

顯示模塊初始化程序流程圖顯示模塊實(shí)現(xiàn)的功能是將傳感器獲取的數(shù)據(jù)整理成符合顯示格式的字符串，并送顯到本地的LCD，流程較為簡(jiǎn)單，初始化串口的工作，也和采集發(fā)射模塊的串口初始化類似，完成對(duì)定時(shí)器設(shè)置，對(duì)串行工作方式和波特率的設(shè)置，并打開串行中斷和系統(tǒng)的全局中斷。本系統(tǒng)中，在獲取射頻接收模塊接收到的數(shù)據(jù)時(shí)，采用的是中斷串行接收的方式，每獲取一個(gè)字節(jié)，則產(chǎn)生一個(gè)中斷，進(jìn)入中斷服務(wù)程序，完成將接收緩沖數(shù)據(jù)賦值至全局變量，直到完成6個(gè)字節(jié)的接收后，設(shè)置接收完成標(biāo)志，在主程序中，當(dāng)接收完成標(biāo)志為1時(shí)，即已經(jīng)完成一次完整的數(shù)據(jù)接收，則可以送至LCD顯示屏，將獲取的數(shù)據(jù)顯示給用戶，完成整個(gè)系統(tǒng)的功能，也就是說在接收顯示模塊中，除了主程序周期性的執(zhí)行之外，還有一個(gè)中斷一直處于活動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)接收到數(shù)據(jù)時(shí)，則觸發(fā)中斷，進(jìn)入中斷服務(wù)子程序，完成獲取遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)的任務(wù)。

當(dāng)接收模塊接收到正確的溫濕度數(shù)據(jù)后就會(huì)把下位機(jī)編號(hào)和溫濕度數(shù)據(jù)值顯示出來，比如當(dāng)LCD 1602顯示“T0：11.8°C、R0：61.5%RH”表示數(shù)據(jù)采集端T0環(huán)境的溫度值為11.8攝氏度，濕度值為61.5%，當(dāng)顯示“T0D isconnected”表示接收端與采集端T0失去聯(lián)接。

3.2數(shù)據(jù)采集發(fā)送模塊程序設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集發(fā)送模塊部分程序流程圖該模塊在系統(tǒng)開啟之初處于查詢狀態(tài)，當(dāng)接收到接收控制端發(fā)送來的數(shù)據(jù)采集命令后進(jìn)行溫濕度采集，然后把數(shù)據(jù)打包發(fā)送給數(shù)據(jù)接收端，之后連續(xù)采集溫濕度數(shù)據(jù)，一直送采集控制端，這樣就可以實(shí)現(xiàn)溫濕度的動(dòng)態(tài)采集與顯示。

該模塊程序設(shè)計(jì)中主程序負(fù)責(zé)初始化系統(tǒng)，包括初始化LCD，初始化串口等，并形成周期循環(huán)，讀取由傳感器獲取的溫度濕度數(shù)據(jù)，在本地LCD上顯示（本系統(tǒng)采集模塊中未設(shè)置LCD液晶顯示器），并通過無線發(fā)送模塊發(fā)送至遠(yuǎn)端接收端，完成數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送過程。

開始即程序的入口地址，從main開始執(zhí)行，因?yàn)樾枰诒镜仫@示溫度濕度傳感器采集的數(shù)據(jù)，所以包括了初始化LCD模塊和本地顯示模塊，其中初始化LCD模塊完成初始化LCD顯示屏工作，設(shè)置顯示屏的點(diǎn)陣顯示方式，屏幕清口，并在屏幕的左邊上下兩行，分別顯示溫度濕度標(biāo)號(hào)。初始化模塊負(fù)責(zé)單片機(jī)的定時(shí)器1工作方式，串口波特率，串口工作方式為允許接收，最后打先開串行中斷，然后打開系統(tǒng)的中斷允許，完成初始化工作。在系統(tǒng)順利完成整個(gè)初始化工作之后，系統(tǒng)進(jìn)入周期執(zhí)行階段，首先讀取傳感器采集的溫度濕度數(shù)據(jù)，在本地LCD上顯示結(jié)果并發(fā)送數(shù)據(jù)至遠(yuǎn)端接收端，在完成一個(gè)周期之后，保證系統(tǒng)繼續(xù)周期運(yùn)行，進(jìn)入下一個(gè)周期的采集讀取和發(fā)送，保證接收端獲取的數(shù)據(jù)有較高的實(shí)時(shí)性。下面介紹讀取數(shù)據(jù)，本地顯示和數(shù)據(jù)發(fā)送模塊程序設(shè)計(jì)。

3.2.1讀取數(shù)據(jù)模塊程序設(shè)計(jì)

讀取數(shù)據(jù)模塊，即從傳感器獲得采集到的溫度和濕度數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)采集功能。

3.2.2發(fā)射模塊軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)發(fā)送模塊完成模塊功能，即將采集端在本地獲取的溫濕度數(shù)據(jù)，通過無線射頻模塊，發(fā)送至遠(yuǎn)端采集端，本系統(tǒng)中，只需要將數(shù)據(jù)通過串行方式，存入無線射頻模塊發(fā)送緩存區(qū)，無線射頻模塊完成將數(shù)據(jù)以無線模式發(fā)送出去，所以上面所述的發(fā)送模塊，其實(shí)是以串行方式，將數(shù)據(jù)放入發(fā)送緩存中，并在每存入一個(gè)字節(jié)時(shí)進(jìn)行適當(dāng)?shù)难舆t，保證射頻模塊能成功的發(fā)送出去。

4　結(jié)束語

本文針對(duì)農(nóng)業(yè)和溫室環(huán)境的特點(diǎn)，在綜合考慮性能與價(jià)格等因素后，提出了一種基于數(shù)字溫濕度傳感器DHT21/AM 2301和XL105-232AP2微功率無線透明傳輸模塊的遠(yuǎn)程多點(diǎn)環(huán)境參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并探討軟硬件實(shí)現(xiàn)的可行性。使用該技術(shù)主要有以下的優(yōu)點(diǎn)：一是可以實(shí)現(xiàn)地理上分散的溫室集群管理與監(jiān)控，節(jié)省人力資源；二是可以充分利用免維護(hù)的網(wǎng)絡(luò)資源，實(shí)現(xiàn)分布式遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集；三是可以通過建立網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的共享功能。

參考文獻(xiàn)：

[1]曹柏榮,馮運(yùn)達(dá).無線溫濕度測(cè)量系統(tǒng)及其應(yīng)用[J].自動(dòng)化儀表,2005,26(07):30-34.

[2]高廓,田小建.基于nRF24E1的多點(diǎn)無線溫濕度測(cè)量系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2005(22):115-118.

[3]何希才.傳感器及其應(yīng)用電路[M].北京:電子工業(yè)出版社.2001 [4]李春茂.傳感技術(shù)[M].北京:科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社.2006.

[5]樊建明,陳淵睿.基于SHT11的溫室多點(diǎn)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].2006,25(11):4-8.