實驗室遠程溫濕度監測系統的設計與開發

趙鑫

泰山醫學院信息工程學院 271016

實驗室遠程溫濕度監測系統的設計與開發

趙鑫

泰山醫學院信息工程學院 271016

介紹了基于nRF905無線射頻模塊和DHT11溫濕度數字傳感器的，以PC機位上位機的實驗室遠程溫濕度監測系統的設計與開發。該系統能對多個實驗室多個監測點的溫濕度進行實時顯示，并能進行報警及實時數據存儲。

無線通信；nRF905無線模塊；DHT11溫濕度數字傳感器

實驗室溫濕度是反映其是否正常工作的重要參數指標。現有溫濕度參數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程監測所采用的方法，需要重新布線以進行信號的傳輸，施工勞動強度大，投資大。本論文介紹以PC機為上位機，采用nRF905無線射頻模塊、多個DHT11溫濕度數字傳感器無線信號傳輸方式的數字溫濕度自動監測系統，對監測區域內每個點中的溫、濕度的變化情況進行實時自動監測，數據傳輸采用無線傳輸方式，上位機實時顯示和監測各個監測點的溫濕度及變化情況，并能進行報警及實時數據存儲等功能。

1、系統硬件構成

1、1 系統硬件架構

系統硬件設計方案如圖1所示。

每一個監測點模塊由nRF905無線發送模塊和溫濕度數字傳感器DH T11構成。而上位機接收模塊由nRF905無線模塊和RS232串口模塊構成。

圖1 系統硬件架構方案

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器。芯片工作電壓DC1.9～3.6V，32引腳QFN封裝，內置硬件CRC檢錯和點對多點通信地址控制，工作在433/868/915MHz三個ISM頻段，頻段之間收發模式切換時間＜650 us。nRF905由頻率合成器、接收解調器、功率放大器、晶體振蕩器和調制器組成，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的輸出功率發射時電流只有11mA，工作于接收模式時的電流為12.5mA，內建空閑模式與關機模式，易于實現節能。nRF905適用于無線數據通信、無線報警及安全系統、無線開鎖、無線監測、家庭自動化和玩具等諸多領域。

n RF905片內集成了電源管理、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/解碼由片內硬件完成，無需用戶對數據進行曼徹斯特編碼，因此使用非常方便。具體器件描述可參照其器件數據手冊。

圖2 nRF905模塊及其接口

1、3 數字溫濕度傳感器DHT11

DHT11數字溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。它應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產品具有極高的可靠性與卓越的長期穩定性。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位單片機相連接。因此該產品具有品質卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等優點。每個DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進行校準。校準系數以程序的形式儲存在OTP內存中，傳感器內部在檢測信號的處理過程中要調用這些校準系數。單線制串行接口，使系統集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達20米以上，使其成為各類應用甚至最為苛刻的應用場合的最佳選擇。產品為4針單排引腳封裝。連接方便，特殊封裝形式可根據用戶需求而提供。

圖3 DHT11及其與MCU連接

2、系統軟件設計

nRF905模塊與MCU采用如圖2所示SPI總線進行通信，DHT11溫濕度數字傳感器與MCU采用如圖3所示單總線進行通信。無線接收模塊與上位機采用RS232進行通信。

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接口主要應用在EEPROM、FLASH、實時時鐘、AD轉換器，還有數字信號處理器和數字信號解碼器之間。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，節約了芯片的管腳，同時為PCB的布局上節省空間，提供方便。正是出于這種簡單易用的特性，現在越來越多的芯片集成了這種通信協議。

無線通信模塊主要由nRF905對數據進行無線傳送,包括無線發送與無線接收2個流程。

其發送流程具體操作如下：

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

其接收流程具體操作如下：

當TRX_CE為高、TX_EN為低時, nRF905進入Shock2Bu rstTM接收模式,650 μs后, nRF905 不斷監測,等待接收數據；當一個正確的數據包接收完畢, nRF905 自動移去字頭、地址和CRC校驗位,然后把數據準備好引腳D R置高, TRX_CE置低, nRF905進入空閑模式；微控制器通過SPI口以一定的速率把數據移到微控制器內；當所有的數據接收完畢, nRF905 把數據準備好引腳DR和地址匹配引腳AM置低，此時, nRF905可以進入Shock BurstTM 接收模式、ShockBurstTM發送模式或關機模式。

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，采用單總線數據格式，一次通訊時間4m s左右，數據分小數部分和整數部分。DHT11具體通信協議請參考相關開發文檔。

2、3 系統上位機設計

上位機的監控軟件采用了VisualB a s i c6.0 進行開發。主要應用MSCOMM控件及實時曲線繪制。其中MSCOMM控件初始化程序如下。

3、系統測試

系統上位機實時溫度曲線如圖4所示。

圖4 系統實時溫度曲線

4、結束語

本系統的創新之處在于：采用無線通信和PC機上位機以及數字傳感器的方案，完全擯棄了現有實驗室溫濕度監測的設計方案，目前該系統已經投入了試運行，取得了良好的效果，是今后實驗室溫濕度監測領域的發展方向。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2011.09.096