單總線分布式溫濕度監測系統設計

劉海成

（黑龍江工程學院，哈爾濱 150050）

引 言

對環境條件要求高的場合，需要精密地測量相對濕度與溫度，尤其是實驗室中很多實驗數據需要與溫濕度一一對應。然而，監測環境一般是幾十到上百平方米的范圍，僅監測一點的溫濕度是不夠的，需要分布多個傳感器節點，將各個節點的傳感結果平均值作為環境參數。通常的方法是構建RS485分布式現場總線，每個傳感器節點都需要單片機和通信器件，成本較高。

DHT22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[1]。每個DHT22傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進行校準。濕度測量范圍為0～100%RH，精度為±2%RH；溫度測量范圍為－40～125℃，精度為±0.5℃。單線制串行接口，使系統集成變得簡易快捷。DHT22具有體積小、功耗低、超快響應、抗干擾能力強、性價比高等特點，信號傳輸距離可達20m以上，適合于分布式應用。

但是，DHT22的單總線不支持尋址，也就是說單總線僅能掛接單個DHT22傳感器。若每個傳感器都單獨布線，勢必造成浪費。因此，合理的傳感器接口方式是設計的關鍵。本文采用4個DHT22單總線智能溫濕度傳感器實現分布式溫濕度監測系統的設計。

1 監測系統結構及接口設計

系統結構及接口如圖1所示。4個DHT22傳感器需要4根數據線，加上電源和地線共6根線。系統采用雙絞線作為分布式連接線路，RJ45作為接口器件。核心板設計了4個RJ45接口，4個傳感器可分別接入4個接口。核心板的4個RJ45接口內部連接一致，當布線不超過20m時，傳感器可采用咬尾式接口方式（即僅接入核心板的1個接口），當超過20m時單獨布線，大幅節約了布線成本，降低了布線難度。

也就是說，每個傳感器節點的內部結構需要具備兩個功能：

① 每個傳感器節點具有兩個直通連接的RJ45接口，以實現咬尾式連接；

圖1 系統結構及接口

② 每個傳感器節點能夠設定通信線路，因為每個傳感器獨享1根線路。

傳感器節點內部結構框圖如圖2所示。4個傳感器DHT22的DATA引腳通過4位撥碼開關分別連接至4根數據線即可。

圖2 傳感器節點內部結構框圖

2 DHT22的總線接口協議

DHT22采用OC門單總線通信協議，因此單總線必須接上拉電阻，建議為5.1kΩ。

對DHT22進行一次40bit數據的通信，時間為5ms左右，采用MSB方式，但采樣周期間隔不得低于2s。40 bit數據的數據格式為：

40bit數據＝16bit濕度數據＋16bit溫度數據＋8bit校驗和（前4個字節的和）

16bit濕度數據為無符號數，16bit溫度數據為有符號數原碼表示，兩數據都為放大10倍后的真實物理量值。例如：0000 0010＋1000 1100＋0000 0001＋0101 1111＝1110 1110，對應濕度＝65.2%RH，溫度＝35.1℃。

用戶主機（MCU）發送一次開始信號后，DHT22從低功耗模式轉換到高速模式；主機開始信號結束后，DHT22發送響應信號，送出40bit的數據，并觸發一次信號采集。

DHT22的單總線握手信號時序如圖3所示。空閑時總線為高電平，通信開始時主機（MCU）拉低總線1～10 ms后釋放總線，延時20～40μs后主機開始檢測從機DHT22的響應信號（一個80μs左右的低電平），隨后從機拉高總線80μs左右準備進行數據傳送。每bit數據都是由一個低電平時隙和一個高電平組成。低電平時隙固定為一個50μs左右的低電平，它代表數據位的起始；其后的高電平的長度決定數據位所代表的數值，較長的（70 μs）高電平代表1，較短（26～28μs）的高電平代表0。40 bit數據序列傳送完畢后，從機將再次拉低總線50μs左右，隨后釋放總線，由上拉電阻拉高[1]。

AVR單片機讀取單個DHT22的子程序如下：

圖3 DHT22的單總線握手信號時序

3 核心板軟件設計

核心板軟件包括3個部分：4個傳感器信息采集及處理、液晶顯示和PC溫濕度信息上傳。這里僅討論4個傳感器信息的采集及處理。

單片機每隔2s就分別讀取4個傳感器的溫度與濕度信息，并分別作平均得到溫度值和濕度值。為進一步實現準確測量，建立兩個8成員的數組，系統引入8階FIR濾波器。根據采樣頻率fs＝1／（2s）＝0.5Hz，截止頻率fc＝0.1Hz，利用Matlab環境的fir1函數獲取濾波器系數：

可得：

軟件流程如圖4所示。

結 語

圖4 軟件流程圖

本文采用4個DHT22單總線智能溫濕度傳感器實現了分布式溫濕度監測系統的設計。系統結構簡單，安裝調試方便，在同類儀表的開發中具有廣闊的應用前景，特別適合于在工業加工的精密測試中心、實驗室以及對加工材料的存放有較高要求的環境中使用，還可以應用于居住環境的監測。本系統已經成功應用，性能穩定可靠，測量精度高，智能化程度高，使用簡便，性能價格比高，受到了用戶的普遍歡迎。

[1] 廣州奧松電子有限公司.數字溫濕度傳感器AM2302，2009.