基于無線通信技術的溫度、濕度及空氣質量監測集中控制系統

孫德富

（杭州奧普衛廚科技有限公司 浙江杭州310018）

1 引言

隨著社會的發展，環境空氣質量的改善變得越來越重要。為了實現環境空氣質量的改善，在車站候車室、地鐵站、影院、商場等局部公共環境中，多安裝有通風換氣設備。而通常此類通風換氣設備的控制是依靠相關工作人員的感覺判斷，采用手工進行相應設備的開、關控制。本文采用無線通信技術和計算機技術設計了采用溫、濕度實時測量及空氣質量監測的集中控制系統，能夠根據采集的溫、濕度數據來控制加熱、制冷設備或加濕、除濕設備的開啟和停止，從而把溫、濕度控制在設定的范圍之內。采用氣體傳感器自動地進行空氣質量檢測，能根據環境空氣的混濁污染程度，對通風換氣設備或空氣凈化設備進行控制和調節，改善環境中人們的舒適度和呼吸健康保障。所有溫、濕度及空氣質量數據均通過LCD顯示顯示出來。為了防止單片機掉電引起的數據丟失，溫度、濕度的設定值存儲在記憶電路中。

2 控制系統工作原理

本控制系統由無線發射主機和無線接收從機構成，主機負責溫度、濕度和空氣質量的數據采集以及顯示，數據通過主機設定對比，通機單片機內部處理，通過無線發射模塊將控制信號發給無線接收從機，從機通過無線接收模塊接收后，通過解碼、單片機處理后，控制相應設備啟動或停止工作。無線發射主機可選擇“自動”和“手動”兩種工作狀態。“手動”工作狀態由人工控制相應設備工作或停止。

3 系統組成

系統主要由無線發射主機和無線接收從機組成，無線發射主機由單片機，溫度、濕度傳感器、氣體傳感器、鍵盤輸入、LCD顯示器及無線發射模塊組成。無線接收從機由單片機、無線接收模塊、LED工作指示模塊（可選模塊）、驅動控制模塊組成。無線發射主機和無線接收從機框架如圖1所示。

4 硬件設計

無線發射主機單元和無線接收從機單元的各主要部分在后續敘述中會一一闡述，本文在此略去單元整體原理圖。

4.1 無線發射主機單元

無線發射主機單元組成：中央處理單元S3P9234，Q2、Q3及SM組成無線發射電路。K01-K12組成鍵盤輸入電路，SH10為溫、濕度傳感器，TGS2600為氣體傳感器，24C02為記憶電路。

4.2 無線接收從機單元

無線從機單元組成：中央處理單元M37544G2GP，T01、D01-D04、U02B及U03組成電源電路，Q04及R24組成蜂鳴器電路，U04組成驅動電路，24C02為記憶電路，RF接收模塊為LM358組成的通用型超再生接收模塊。

4.3 濕度、溫度檢測電路

（1）濕度、溫度傳感器選用的SH10型數字溫濕度傳感器，如圖2a，SH10傳感器由瑞士Sensirion 公司生產，該芯片通過CMOSens TM技術將溫濕度傳感器、放大和A/D電路、串行通信接口以及傳感器標定數據集成在一個芯片上，無需外圍元器件。具有溫濕度一體、測量精度高、響應時間快、可靠性高、穩定性好、接口簡單等優點。其測量原理是首先利用兩只傳感器分別產生相對濕度、溫度的信號，然后經過放大，分別送至 A/D 轉換器進行模數轉換、校準和糾錯，最后通過二線串行接口將相對濕度及溫度的數據送至微控制，再利用微控制器完成非線性補償和溫度補償。SHT10的相對濕度測量范圍為 0～100%，精度為±(4.5%)；溫度測量范圍為-40C～120, 精度為（±0.5℃ 在25℃）。

（2）SHT1X系列為貼片型溫濕度傳感器芯片特點：

－全量程標定，兩線數字輸出；

－濕度測量范圍：0～100%RH；

－溫度測量范圍：-40～+123.8℃；

－濕度測量精度： ±3.0%RH

－溫度測量精度：±0.4℃

－響應時間：8s(tau63%)；

－低功耗 80μW(12位測量，1次/s)；

－可完全浸沒。

（3）SH1X系列引腳定義和應用電路如圖2b所示。

4.4 氣體傳感檢測電路

（1）氣體傳感選用日本FIGARO氣體傳感器TGS2600。TGS系列傳感器屬n型半導體類氣體傳感器，其主要成分是二氧化錫燒結體。當吸附還原性氣體（例如液化氣、天然氣、氫氣、一氧化碳、有機溶劑蒸氣等）時，電導率上升。當恢復到清潔空氣中時，電導率恢復。TGS傳感器就是將這種電導率變化，以輸出電壓的方式取出，從而檢測出氣體的濃度。TGS2600能夠靈敏地感知空氣中的低濃度污染物的異味，如空氣中的低濃度香煙污染物和其它異味，對H2、CO等有較高的敏感度。該傳感器能檢測到幾個ppm級H2含量。TGS2600具有成本低、體積小、壽命長、選擇性和穩定性好等特性，可廣泛用于空氣質量監測、自動通風換氣系統、空氣清新機和氣流控制設備中。該器件比較適合于在室溫下長時間通電連續工作。由于采用小型化芯片，TGS2602的加熱器所需電流僅為42mA，并且安置于標準TO-5封裝中。與其它空氣傳感器相比，TGS2600在靈敏度和穩定性方面有很大的優越性。TGS2600外形和基本測量電路如圖3所示。此傳感器要求有兩個電壓輸入：加熱器電壓VH和電路電壓VC。加熱器電壓VH加于集成加熱器上以保持傳感器在一個特定的最佳感應溫度。電路電壓VC被加載以便于測量與氣敏元件串聯的負載電阻電壓Vout。此傳感器有極性所以電路電壓VC必須是直流。可以用一個公共的電源來同時供給VH和VC以滿足傳感器的電氣需求。合理選擇負載電阻RL使報警門限電壓最優化，并使半導體傳感器功耗小于15mw。當目標氣體存在時，傳感器功耗在RS與RL相等時最大。傳感器信號經微處理器處理后作出判斷，將空氣質量分成3個級別，差、中、好，在LCD中顯示。

（2）TGS2600傳感器靈敏度特性：TGS2600典型靈敏度特性如圖4所示，所有數據都采集于標準測試條件下，Y軸表示傳感器靈敏度，即電阻比RS/R0。其中RS為傳感器在不同氣體濃度下的阻值；R0為傳感器在清新空氣中的阻值。

（3）TGS2600傳感器典型溫度、濕度依賴特性曲線：TGS2600典型的溫度、濕度依賴特性如圖5所示。同樣，Y軸表示傳感器靈敏度（電阻比）RS/R0，其中RS為清新空氣中的傳感器在不同溫、濕度條件下的阻值;R0為清新空氣中的傳感器在20℃及65%相對濕度下的阻值。

4.5 掉電記憶電路

圖6的掉電記憶電路由24C02及Q01組成，24C02是2K位串行I2C總線EEPROM。

4.6 鍵盤輸入電路

鍵盤輸入電路由K01-K12組成，如圖7

4.7 LCD顯示電路

LCD顯示電路由LCD顯示器、U01及背光源組成，采用帶液晶驅動的單片機設計，顯示電路如圖8

4.8 無線發射、接收電路（LM358通用型超再生接收模塊）

無線發射電路由Q2、Q3、SM及發射天線組成，電路如圖9，發射模塊的工作頻率為315M，采用聲表諧振器SAW穩頻，頻率穩定度極高，當環境溫度在-25～+85℃之間變化時，頻飄僅為3ppm/℃。特別適合多發一收無線遙控及數據傳輸系統。聲表諧振器的頻率穩定度僅次于晶體，而一般的LC振蕩器頻率穩定度及一致性較差，即使采用高品質微調電容，溫差變化及振動也很難保證已調好的頻點不會發生偏移。無線接收電路由Q1、Q2、LM358及接收天線組成，這種電路的優點在于：（1）天線輸入端有選頻電路，而不依賴1/4波長天線的選頻作用，控制距離較近時可以剪短甚至去掉外接天線。（2）輸出端的波形在沒有信號比較干凈，干擾信號為短暫的針狀脈沖，而不象其它超再生接收電路會產生密集的噪聲波形，所以抗干擾能力較強。（3）模塊自身輻射極小，加上電路模塊背面網狀接地銅箔的屏蔽作用，可以減少自身振蕩的泄漏和外界干擾信號的侵入。（4）采用帶骨架的銅芯電感將頻率調整到315M后封固，這和采用可調電容調整接收頻率的電路相比，溫度、濕度穩定性及抗機械振動性能都有極大改善。可調電容調整精度較低，只有3/4圈的調整范圍，而可調電感可以做到多圈調整。可調電容調整完畢后無法封固，因為無論導體還是絕緣體，各種介質的靠近或侵入都會使電容的容量發生變化，進而影響接收頻率。另外未經封固的可調電容在受到振動時定片和動片之間發生位移；溫度變化時熱脹冷縮會使定片和動片間距離改變；濕度變化因介質變化改變容量；長期工作在潮濕環境中還會因定片和動片的氧化改變容量，這些都會嚴重影響接收頻率的穩定性，而采用可調電感就可解決這些問題，因為電感可以在調整完畢后進行封固，絕緣體封固劑不會使電感量發生變化。電路如圖10

4.9 驅動電路

驅動電路主要由U04(2003)及繼電器組成，電路如圖11

4.10 LCD顯示字符圖（圖12）

LCD顯示分成四個區，溫度顯示區、濕度顯示區、空氣質量顯示區和時鐘顯示區，字符如圖14

5 軟件設計

本控制系統的軟件主要實現數據的采集、控制等功能，軟件采用模塊化設計，以利于軟件的兼容性、可維護性及移植性。根據控制系統的功能要求，將軟件按分時處理進行模塊化設計，軟件設計主要分為主程序、自動控制子程序、手動控制子程序、溫、濕度讀取子程序、顯示子程序和輸出控制子程序。圖13為主機主程序流程圖，圖14為手動控制子程序流程圖，圖15為從機主程序流程圖。

6 結束語

本文研究的溫度、濕度及空氣質量監測集中控制系統，采用無線集中的控制方式，可實現對多個參數的實時監視與控制。采用溫濕度一體化的數字傳感器同時實現溫度和濕度的測量，系統具有可無人值守，節約資源，可靠性高，成本低的優點，試驗運行良好，具有廣闊的應用和推廣前景。本設計優點：（1）采用無線集中的控制方式，實現多個空氣參數的無線監控，無須布置通信電纜，管理方便，維護簡單；（2）系統可無人值守，節約人力、物力資源，（3）采用的SH10型數字溫濕度傳感器，具有硬件結構簡單、響應速度快、抗干擾能力強等特點。系統可靠性高，成本低。本設計缺點：無線發射主機和無線接收從機單向通信，無線接收從機為被動控制。

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