基于arduino和enc28j60的溫濕度監控系統設計

范欽武

（中國民用航空汕頭空中交通管理站 氣象臺，廣東 汕頭 515041）

0 概述

20 世紀以來我國民用航空事業飛速發展，空管的保障壓力也與日俱增，越來越多的導航臺站和雷達臺站的投入使用。對于這類事關航空安全的重要外部臺站，對這類精密設備的運行環境有著更加嚴格的要求，實時準確的監控機房溫濕度，保證設備在一個穩定的空氣環境中運行對提高設備的可靠運行和延長設備的工作壽命有著重要的意義。本文主要是介紹如何利用開源硬件arduino 和enc28j60 來快速搭建一個溫濕度監控系統。

1 系統主要結構

系統主要分為硬件部分和軟件部分。硬件部分主要有arduino 控制板，以太網模塊enc28j60 和溫濕度傳感器sht15。通過arduino 控制板控制溫濕度傳感器實時測量周圍環境的溫濕度數據，通過以太網模塊將采集到的溫濕度分發到交換機中。軟件上主要是采用C/S 模式的結構，各個傳感器測量到的數據通過udp 傳輸到服務器端，在服務器端用html 和javascript 開發部署一個web 站點。值班人員過web 頁面就能實時監控到各個外臺站的機房環境。系統的整體框圖如下所示。

圖1

2 系統的硬件結構及工作原理

2.1 arduino 硬件結構及工作原理

本次系統中采用的arduino 控制板型號主要是arduino uno。UNO的處理器核心是ATmega328，包括了片上32KB Flash，其中0.5KB 用于Bootloader。同時還有2KB SRAM 和1KB EEPROM。同時具有14 路數字輸入/輸出口（其中6 路可作為PWM 輸出），6 路模擬輸入，一個16MHz 晶體振蕩器，一個USB 口，一個電源插座，一個ICSP header 和一個復位按鈕。同時還提供了一路串口信號RX（0號）、TX（1號）：與內部ATmega8U2 USB-to-TTL 芯片相連，提供TTL 電壓水平的串口接收信號。USB 口附近有一個可重置的保險絲，對電路起到保護作用。當電流超過500mA 是會斷開USB 連接。UNO 已經發布到第三版，與前兩版相比有以下新的特點：在AREF 處增加了兩個管腳SDA 和SCL，支持I2C 接口；增加IOREF 和一個預留管腳，將來擴展板將能兼容5V 和3.3V 核心板。改進了復位電路設計。USB 接口芯片由ATmega16U2 替代了ATmega8U2。控制器上還可以通過片上的DC-DC產生一個3.3V 和5V 的電壓。

2.2 enc28j60 硬件結構及工作原理

enc28j60 是帶有行業標準串行外設接口SPI 的獨立以太網控制器。它可作為任何配備有SPI 的控制器的以太網接口。

enc28j60 符合IEEE 802.3 的全部規范，采用了一系列包過濾機制以對傳入數據包進行限制。它還提供了一個內部DMA 模塊，以實現快速數據吞吐和硬件支持的IP 校驗和計算。與主控制器的通信通過兩個中斷引腳和SPI 實現，數據傳輸速率高達10Mb/s。

enc28j60 由七個主要功能模塊組成：

（1）SPI 接口—充當主控制器和enc28j60 之間通信通道。（2）控制寄存器—用于控制和監視enc28j60。

（3）雙端口RAM 緩沖器—用于接收和發送數據包。

（4）判優器—當DMA、發送和接收模塊發出請求時對RAM 緩沖器的訪問進行控制。

（5）總線接口—對通過SPI 接收的數據和命令進行解析。

（6）MAC 模塊——實現符合IEEE 802.3 標準的MAC 邏輯。

（7）PHY（物理層）模塊——對雙絞線上的模擬數據進行編碼和譯碼。

在本系統設計中，主要是用SPI 接口和arduino 進行通信，其對應管腳如下所示

表1

要能正常的使用enc28j60 還需要庫文件的支持，支持的第三方庫有非常多，其中以GitHub 上的EtherCard 庫和UIPEthernet 庫最為廣泛使用，但是筆者在使用EtherCard 庫的時候，發現如果接入交換機或者路由器的話，服務器端就沒有辦法正確的接收到客戶端發來的數據，所以本次系統設計中使用的是UIPEthernet 庫。將下載好的庫文件放入到對應的庫文件夾中就可以正常的調用了。本次實例中我們主要調用到的是庫里面的udp.beginPacket()和udp.write()函數。

udp.beginPacket()函數用以初始化服務器的ip 和udp 端口號。

success=udp.beginPacket(IPAddress(192，168，1，5)，5000);

udp.write () 函數將傳感器的數據通過udp 數據包發送到服務器端。

success=udp.write(senorsdata);

2.3 sht15 硬件結構及工作原理

sht15 屬于Sensirion 溫濕度傳感器家族中的貼片封裝系列。傳感器將傳感元件和信號處理電路集成在一塊微型電路板上，輸出完全標定的數字信號。傳感器采用專利的CMOSens○R技術，確保產品具有極高的可靠性與卓越的長期穩定性。傳感器包括一個電容性聚合體測濕敏感元件、一個用能隙材料制成的測溫元件，并在同一芯片上，與14位的A/D 轉換器以及串行接口電路實現無縫連接。因此，該產品具有品質卓越、響應迅速、抗干擾能力強、性價比高等優點。

各個引腳的定義如下圖所示：

表2 SHT1x 引腳分配，NC 保持懸空

其中sht15 的供電電壓范圍為2.4V-5.5V，建議工作電壓為3.3V。在電源引腳（VDD，GND）之間須加一個100nF 的電容，用以去耦濾波。串行時鐘輸入SCK 用于微處理器與SHT1x 之間的通訊同步。串行數據DATA 引腳為三態結構，用于讀取傳感器數據。當向傳感器發送命令時，DATA 在SCK 上升沿有效且在SCK 高電平時必須保持穩定。DATA 在SCK 下降沿之后改變。為確保通訊安全，DATA 的有效時間在SCK 上升沿之前和下降沿之后應該分別延長至TSU and THO。當從傳感器讀取數據時，DATA TV 在SCK 變低以后有效，且維持到下一個SCK 的下降沿。為避免信號沖突，微處理器應驅動DATA 在低電平。需要一個外部的上拉電阻（例如：10kΩ）將信號提拉至高電平。

典型的應用電路如下圖所示：

圖2

要使用sht15 同樣也是需要庫文件的支持，在GitHub 上下載好SHT1x 庫文件并放入庫文件夾就可以調用庫文件夾里已經寫好的函數。本實例中主要用到的是sht1x.readTemperatureC () 和sht1x.readHumidity()。具體的例子如下所示：

2.4 系統的硬件結構圖

系統整體的硬件結構圖如下所示：

圖3

3 系統服務器端的部署和應用

3.1 udp 監聽和數據存儲

各個外臺站的傳感器數據通過udp 的方式傳輸到服務器端，在服務器端，用Python 腳本編寫了2 個小模塊，一個是udpmonitor 模塊，用來監聽udp 數據包，另外一個是datacsv 模塊，用于將監聽到的傳感器數據存入到服務器上的csv 文件中。

3.2 webserver 站點部署和應用

在服務器端可以使用IIS 或者Apache 部署web 服務器，為了能夠讓數據更加直觀的以圖表的形式顯示出來，在監控頁面里調用了一個叫做Highcharts 的圖表庫，純javascript 編寫的。為了能夠引用highcharts 文件，需要將下載好的文件放入本地的js 目錄中，同時還需要有jQuery 的支持，所以還要引入jQuery 文件。將下載好的文件放入js 目錄中后，在自己編寫的監控主頁里添加如下的代碼：

打開瀏覽器輸入主頁的地址后顯示以下的界面（圖表中的數據為測試數據）

圖4

4 總結

Arduino 素來有電子積木的美稱，通過這個溫濕度監控系統的設計過程，我們也不難發現，只要通過引用正確的庫文件和對庫文件接口的簡單認知，就能夠將各個硬件簡單快速搭建運行起來。而且正是由于開源硬件的發展，本次設計方案里所花費的總的成本不超過過60 元，如果選用arduino mini 板的話，成本可以更低至30 元左右。當然，無論采用什么方案都好，都是為了更加準確和實時的監控各種導航設備的運行環境，為保障設備穩定運行，保障航空安全提供更有力的支持。