基于RFID和LABVIEW的分布式溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

彭安娜，袁愿，馮金垣

（華南理工大學(xué) 廣東 廣州　510641）

基于RFID和LABVIEW的分布式溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

彭安娜，袁愿，馮金垣

（華南理工大學(xué) 廣東 廣州510641）

研究一種基于RFID和LABVIEW的分布式溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，采用單片機(jī)AT89C2051作為控制核心，用SHT10作為溫濕度采集傳感器，再通過無線芯片nRF24L01發(fā)送數(shù)據(jù)，同時(shí)單片機(jī)接收發(fā)送來的數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，接收端接收數(shù)據(jù)并通過串口與計(jì)算機(jī)相連，在計(jì)算機(jī)上顯示數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，溫度為26.76？C，與Lab-VIEW中顯示的結(jié)果相一致，可以準(zhǔn)確地顯示環(huán)境溫度，相對(duì)濕度為59.33%RH，與LabVIEW顯示的濕度58.52%RH稍有偏差，在誤差允許范圍內(nèi)，能滿足對(duì)實(shí)時(shí)性的需求，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控溫濕度變化的預(yù)期目標(biāo)。

RFID；LABVIEW；無線數(shù)據(jù)傳輸；溫濕度監(jiān)控

隨著科技的進(jìn)步和現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，溫度和濕度的測(cè)量和控制對(duì)人類生活、工業(yè)生產(chǎn)、氣象預(yù)報(bào)、物資倉儲(chǔ)等都將起著越來越重要的作用［1］。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人們生活水平的大幅提高，對(duì)生活環(huán)境提出了更高的要求，而且在其它特殊場合下對(duì)環(huán)境的要求更為嚴(yán)格，所以環(huán)境監(jiān)測(cè)日益被人們關(guān)注。

論文設(shè)計(jì)了基于射頻技術(shù)的無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏貪穸缺O(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，可靠，功耗較低，電路簡單。該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)控溫濕度的變化，當(dāng)溫濕度超過警戒值，系統(tǒng)會(huì)報(bào)警甚至停止工作。整個(gè)系統(tǒng)安裝方便布置容易，而且具有成本低、應(yīng)用廣、穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)，可以適用于很多場合。

1　系統(tǒng)工作原理及總體結(jié)構(gòu)

1.1系統(tǒng)工作原理

溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)主體是由單片機(jī)和無線通訊模塊，由采集溫濕度信號(hào)的采集電路、時(shí)鐘模塊、控制電路的電源電路、顯示模塊等組成。該監(jiān)控系統(tǒng)是通過溫濕度傳感器對(duì)環(huán)境中的溫濕度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換將數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中，單片機(jī)再對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行分析、處理，同時(shí)將得到的信號(hào)傳輸?shù)桨l(fā)射模塊，將數(shù)據(jù)發(fā)射至接收模塊，通過單片機(jī)控制顯示模塊對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。

1.2系統(tǒng)的組成

本次設(shè)計(jì)的基于RFID的分布式溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)有上位機(jī)子系統(tǒng)和下位機(jī)子系統(tǒng)兩個(gè)部分組成。上位機(jī)子系統(tǒng)由主控芯片AT89C2051單片機(jī)、無線射頻接收模塊、天線、電源模塊、時(shí)鐘模塊、串口通信模塊、終端設(shè)備等組成，原理框圖如圖1所示。

下位機(jī)子系統(tǒng)由主控芯片AT89C2051單片機(jī)、溫濕度傳感器、無線射頻發(fā)射模塊、天線、電源模塊以及時(shí)鐘模塊等組成。

在下位機(jī)子系統(tǒng)中，由溫濕度傳感器 SHT10分別對(duì)溫度和濕度信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，在主控芯片AT89C2051單片機(jī)的控制下通過無線發(fā)送模塊nRF24L01將溫濕度數(shù)字信號(hào)發(fā)送到上位機(jī)子系統(tǒng)；在上位機(jī)子系統(tǒng)中，在AT89C2051主控單元的作用下，通過無線射頻接收模塊接收下位機(jī)子系統(tǒng)發(fā)送過來的溫濕度數(shù)字信號(hào)，通過串口通信模塊與終端設(shè)備進(jìn)行通信，在終端設(shè)備中利用軟件讀取數(shù)據(jù)并繪制曲線。

圖1　上方圖為上位機(jī)子系統(tǒng)原理框圖，下方圖為下位子系統(tǒng)原理框圖

2　溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1溫濕度傳感器的電路設(shè)計(jì)

溫濕度傳感器SHT10需將采集到溫濕度信號(hào)傳輸至AT89C2051單片機(jī)上，因此需將SHT10芯片的DATA端口與SCK端口與單片機(jī)的I/0引腳口相連［2］。具體電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2　溫濕度傳感器SHT10的電路設(shè)計(jì)

2.2無線射頻識(shí)別電路設(shè)計(jì)

無線射頻識(shí)別技術(shù)是本次設(shè)計(jì)中最為關(guān)鍵的模塊，它串聯(lián)著上位機(jī)子系統(tǒng)和下位機(jī)子系統(tǒng)，有著承上啟下的作用。下位機(jī)子系統(tǒng)只有通過無線射頻識(shí)別技術(shù)才能將采集到的溫濕度信號(hào)傳給上位機(jī)子系統(tǒng)，并最終顯示出來。

nRF24L01是由NORDIC生產(chǎn)的工作在2.4～2.5 GHz的ISM頻段的單片無線收發(fā)器芯片［3］。89C2051單片機(jī)與nRF24L01無線收發(fā)模塊之間利行口SPI進(jìn)行雙向通信。

nRF24L01的SPI總線有SCK（SPI時(shí)鐘）、MISO（主入從出）、MOSI（主出從入）、CSN（SPI使能）。89C2051通過控制PWR_UP、PRIM_RX以及CE3個(gè)引腳平使nRF24L01分別處于發(fā)射模式、接收模式、待機(jī)掉電模式，IRQ是中斷標(biāo)志位［4］。89C2051與nRF24L01的連接圖如圖3所示。

圖3　89C2051與nRF24L01的連接圖

2.3系統(tǒng)電源電路設(shè)計(jì)

電源電路作為整個(gè)溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的最關(guān)鍵部分，對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)能否正常工作有著舉足輕重的作用，本設(shè)計(jì)電源電路采用輸入5 V電壓輸出3.3 V電壓。如下圖4為系統(tǒng)的電源電路圖。

圖4　系統(tǒng)電源電路圖

圖中接在電源引腳VCC與地GND之間的0.01 μF的電容，用以去耦濾波。這兩個(gè)電容起到了穩(wěn)壓的作用。它們都屬于安全電容，從而要求電容值不能偏大，而耐壓必須較高。從而達(dá)到控制在額定頻率及額定電壓作用下，流過它的漏電流的大小和對(duì)系統(tǒng)EMC性能影響的目的。GJB151規(guī)定Y電容的容量應(yīng)不大于0.1 μF［5］。

2.4串口通信電路

由于RS-232C電平采用負(fù)邏輯，即邏輯0電平規(guī)定為+ 5～+15 V，邏輯1電平規(guī)定為-15～-5 V，而單片機(jī)的采用CMOS電平［6］。因此，單片機(jī)的SCI口要通過電平轉(zhuǎn)化芯片將與TTL兼容的CMOS高電平轉(zhuǎn)化成RS-232的負(fù)電壓信號(hào)，把低電平轉(zhuǎn)化成RS-232的正電壓信號(hào)［7］。本方案中選用了常用的MAX3232芯片，由MAX3232設(shè)計(jì)的RS-232串口連接電路框圖如圖5所示。

圖5　串口通信電路框圖

串行串口將實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與上位機(jī)之間的通信，無線接收模塊通過串口將發(fā)射模塊采集到的溫濕度信息傳送到計(jì)算機(jī)中，以供處理顯示。

3　溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1收發(fā)模式程序設(shè)計(jì)

程序流程圖如圖6所示。

3.2SHT10相關(guān)函數(shù)介紹

3.2.1SHT10啟動(dòng)傳輸程序

SHT10作為數(shù)字式的溫濕度一體化傳感器，不僅要采集溫濕度數(shù)據(jù)而且要將采集到的溫濕度數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)，因此傳輸程序是保證整個(gè)過程能順利進(jìn)行的基礎(chǔ)。

當(dāng)SHT10芯片的DATA端口和SCK端口出現(xiàn)下面情況時(shí)，芯片才能進(jìn)行傳輸。

即起初DATA端口和SCK端口分別置于高電平和低電平，當(dāng)SCK端口轉(zhuǎn)換成高電平1 μs后DATA端口轉(zhuǎn)換成低電平，又隔1 μs后SCK端口恢復(fù)至低電平。由此反復(fù)，直到DATA端口和SCK端口恢復(fù)至起初一樣。

圖6　左圖為無線發(fā)射程序流程圖，右圖為無線接收程序流程圖

3.2.2SHT10連接復(fù)位程序

啟動(dòng)傳感器后，傳感器在通電后11ms后進(jìn)入休眠狀態(tài)，此時(shí)必須連接復(fù)位才能啟動(dòng)傳輸功能。要想通訊復(fù)位，必須要DATA端口處于高電平時(shí)，SCK時(shí)鐘信號(hào)觸發(fā)9次，然后啟動(dòng)傳輸。具體脈沖如下所示：

3.2.3溫濕度測(cè)量程序

溫濕度的測(cè)量是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，故溫濕度數(shù)據(jù)的測(cè)量關(guān)系到接下來所有步驟的運(yùn)行。因?yàn)闇貪穸葴y(cè)量可以有各自的代碼，溫度測(cè)量的代碼為 00011，濕度測(cè)量的代碼為00101。所以進(jìn)行溫濕度測(cè)量時(shí)，先啟動(dòng)傳輸，然后發(fā)送命令代碼，進(jìn)行溫濕度測(cè)量，然后將溫濕度數(shù)據(jù)讀取出來。

3.3串口發(fā)送程序設(shè)計(jì)

通過單片機(jī)控制串口發(fā)送接收到的溫濕度數(shù)據(jù)是監(jiān)控系統(tǒng)能否起到監(jiān)控功能的基礎(chǔ)，串口發(fā)送需要用到緩沖寄存器SBUF，SBUF是字節(jié)尋址的寄存器，字節(jié)地址均為99H。當(dāng)串口發(fā)送數(shù)據(jù)是，單片機(jī)向SBUF寫入數(shù)據(jù)，此時(shí)99H表示發(fā)送SBUF。

3.4LabVIEW程序設(shè)計(jì)

LabVIEW軟件是接收串口通信發(fā)射的數(shù)據(jù)，通過轉(zhuǎn)換最終顯示出溫度和濕度，其程序圖如圖7所示。

下面對(duì)程序進(jìn)行簡單介紹：

1）首先設(shè)置波特率為9 600，然后將接收到的數(shù)據(jù)（字符串）轉(zhuǎn)換成字節(jié)數(shù)組；

2）由于轉(zhuǎn)換過來的為 16進(jìn)制數(shù)，所以進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)；

3）根據(jù)公式T=0.01SOT-39.7得到實(shí)際的溫度數(shù)值；

4）根據(jù)公式 RHlinear=2.0468+0.0367·SORH-1.5955E-6· SORH2（%RH）和公式 RHture=（T℃-25）（0.01+0.00008·SORH）+ RHlinear算出實(shí)際的濕度數(shù)值；

5）通過面板將溫度和濕度的數(shù)值顯示出來。

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

LabVIEW上顯示出溫濕度的變化將驗(yàn)證整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是否成功，在將串口電路接入電腦后，我們對(duì)串口通信電路進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如下所示。

通過圖8可以得到，串口接收到的溫度信號(hào)是19F6、濕度信號(hào)為070F，首先將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成為十進(jìn)制，0x19F6= 6646。根據(jù)公式 T=0.01SOT-39.7，得到 T=26.76℃，與LabVIEW中顯示的結(jié)果相一致，可以準(zhǔn)確地顯示環(huán)境溫度，很好地實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控系統(tǒng)的要求。

計(jì)算濕度首先得計(jì)算出相對(duì)濕度，然后再對(duì)濕度信號(hào)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

首先轉(zhuǎn)換濕度信號(hào)，0x070F=1807，根據(jù)公式 RHlinear=-2.0468+0.0367·SORH-1.5955E-6·SORH2（%RH）得到 RHlinear= 59.06，將T℃=26.76℃以及RHlinear代入下面的公式RHture=（T℃-25）（0.01+0.00008·SORH）+RHlinear得：RHture=59.33%RH，與LabVIEW顯示的濕度的溫度稍有偏隔，但這卻是因?yàn)槊姘屣@示的濕度與串口采集的數(shù)據(jù)不同步造成的，即使當(dāng)做誤差，也基本上也達(dá)到了監(jiān)控系統(tǒng)的要求。

5　結(jié)　論

文中通過對(duì)實(shí)驗(yàn)程序的無線收發(fā)系統(tǒng)的調(diào)試，可以明顯看到基于射頻技術(shù)的分布式溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)能成功的對(duì)環(huán)境溫濕度變換情況進(jìn)行監(jiān)控，效果明顯。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，溫度為26.76℃，與LabVIEW中顯示的結(jié)果相一致，可以準(zhǔn)確地顯示環(huán)境溫度，相對(duì)濕度為59.33%RH，與LabVIEW顯示的濕度58.52%RH稍有偏差，在誤差允許范圍內(nèi)，能滿足對(duì)實(shí)時(shí)性的需求，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控溫濕度變化的預(yù)期目標(biāo)。

圖7　LabVIEW程序圖

圖8　左圖為串口傳輸數(shù)據(jù)圖，右圖溫濕度變化波形圖

［1］衣翠平.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的糧庫溫濕度實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)研究［D］.長春：長春理工大學(xué)，2012.

［2］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］.國外電子測(cè)量技術(shù)，2006，25（11）：4-8

［3］劉曉紅，何永洪.基于nRF2401的無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)［J］.電視技術(shù)，2008，32（318）：72-81.

［4］朱玉穎，蔡占輝.基于nRF24L01的遠(yuǎn)程溫度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2010，29（5）：56-58.

［5］楊毓.近距離低功耗無線通信技術(shù)的研究［D］.太原：中北大學(xué)，2008.

［6］黃燕妮，王少云.USB、RS232/RS422接口轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2012，20（22）：27-29.

［7］王強(qiáng)，張建喜.RS232通信網(wǎng)絡(luò)與CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)計(jì)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2010，36（9）：158-160.

［8］程時(shí)潤，萬鈞力，劉浩.基于LabVIEW的光伏電池建模與仿真［J］.陜西電力，2015（7）：17-21，26.

［9］宋曉林，王正杰，寇喆.基于LabVIEW和Matlab綜合平臺(tái)的高精度多功能虛擬數(shù)字電能表的研究［J］.陜西電力，2015 （8）：39-44，49.

［10］劉斌許紅軍陳樨.基于OPNET的智能配電變電站通信網(wǎng)絡(luò)研究與仿真［J］.陜西電力，2013（10）：35-38.

Design of distributed temperature and humidity monitoring system based on RFID and LABVIEW

PENG An-na，YUAN Yuan，F(xiàn)ENG Jin-yuan
（South China University of Technology，Guangzhou 510641，China）

The text researches one kind of distributed temperature and humidity monitoring system based on radio frequency technology and LABVIEW，which uses a single chip microcomputer AT89C2051 as the control core，a chip SHT10 as a sensor for collecting temperature and humidity，then，transmitting data over the wireless chip nRF24L01，at the same time，the SCM receives the data and processes，receiving end receives the data and connects to a computer through the serial port，displaying data on the computer and beginning analysis.Experimental results show that temperature is 26.76？C，consistented with the results shown in LabVIEW，which can accurately display the ambient temperature.The humidity is 59.33%RH，with the 58.52%RH shown in LabVIEW of slight deviation.In the range of allowable error，it can meet the needs of real-time，successfully achieve the desired objective of monitoring temperature and humidity.

RF technology；LABVIEW；wireless data transmission；temperature and humidity monitoring

TN99

A

1674－6236（2016）06-0145-04

2015-05-04稿件編號(hào)：201505014

彭安娜（1990—），女，湖北鄂州人，碩士研究生。研究方向：光電子學(xué)與光電技術(shù)。