無線溫濕度采集系統的研制

摘要：為克服目前溫濕度計量檢定布線復雜、功能簡單等缺點，文章中設計了一套無線溫濕度采集系統，利用DHT11溫濕度傳感器模塊，經STM32F113C8T6單片機處理，通過SP82C6Wi模塊與手機進行配網，將環境溫濕度通過無線方式傳輸到手機端，經過手機App實時顯示采集模塊所在環境的溫濕度。測試結果表明，該采集系統通過溫濕度傳感器和無線傳輸模塊實時監測環境溫濕狀況，并以數值形式在設備端顯示。

關鍵詞：無線溫濕度；采集；研究思路；測試

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2023.02.035

中圖分類號：TN 92，TP 274.2" " " " " " " "文獻標示碼：B" " " " " " " "文章編碼：1672-7274（2023）02-0-04

Development of Wireless Temperature and Humidity Acquisition System

WANG Xiaolong

（China Aviation Industry Corporation Beijing Great Wall Measurement and Testing Technology Research Institute， Beijing 100095， China）

Abstract： In order to overcome the shortcomings of complex wiring and simple functions in the current temperature and humidity measurement and verification， a wireless temperature and humidity acquisition system is designed in this paper. The DHT11 temperature and humidity sensor module is used， processed by the STM32F113C8T6 single-chip microcomputer， and the SP82C6Wi module is used to distribute the network with the mobile phone. The environment temperature and humidity are wirelessly transmitted to the mobile phone， and the temperature and humidity of the environment where the acquisition module is located are displayed in real time through the mobile phone App. The test results show that the acquisition system monitors the environmental temperature and humidity conditions in real time through temperature and humidity sensors and wireless transmission modules， and displays them in numerical form on the device side.

Key words： wireless temperature and humidity; acquisition; research ideas; test

0" 引言

溫濕度和工業生產過程息息相關，在倉庫、田間，甚至在其他生產環境，都需要加強對溫濕度的管理?，F有的溫濕度傳感器通過有線的方式進行數據傳遞，電路眾多且相互纏繞在一起，很難實現多區域的精準管理，體量上的增長難度較高。同時接線成本較高，一旦出現電纜老化，更換效率較低，不利于維持工業生產的穩定性。而高集成無線模塊技術因其價格低廉、具備無線通信功能越來越受到重視，并被廣泛地應用，使無線高效溫濕度檢測變成現實。在本文所述系統設計中融入了溫濕度感應器、無線數據組件、串口驅動模塊等多個裝置，用以接收溫濕度信息，再將其輸送至無線模塊，發揮串口驅動作用，高效完成線路溫濕度信息傳輸，最終在上位機上予以顯示，以實現無線數據傳輸，并確保實時監控目標的達成。另外，該系統具備溫濕度報警功能，當出現超限情形時，系統會發出預警。該系統便于投入生產應用，移植過程更加便捷，有著更廣泛的使用前景[1]。

1" 系統結構設計

數據采集是工業生產過程中不能缺少的關鍵部分，是工業生產管理的基本依據。本控制系統主要由下位機的信息收集、傳輸部分和上位機的信息接收與處理部分所構成，下位機一般由嵌入式單片機和藍牙器件構成，信息收集大部分采用DHT11溫濕度感應器；數據信息部分則使用藍牙功能實現數據信息的無線傳送，將信息通過藍牙功能傳送到上位機上，再由上位機完成數據處理。

2" 系統整體設計規劃

本系統以DHT11型號的溫濕度傳感器為核心，利用S3C2440獲取采集點監測數值，并且借助無線通信方式進行數據傳輸，最終映射到上位機服務器上。作為遠程無線溫濕度信息的采集系統，按照不同功能節點進行劃分，更好地完成數據信息的收集處理工作。在分節點中，兩類處理器占據主導，以溫濕度傳感器為主要構成，配合無線收發裝置，發揮信息采集傳遞功能。而主節點除處理器選取不同外，其余配置與分節點相當。最后就是利用互聯網或局域網完成服務器信號傳輸。具體系統設計流程圖如圖1所示。

3" 系統核心硬件構成

3.1 無線溫濕度傳感器

無線溫濕度傳感器主要使用溫濕度傳感器DHT11、AVR單片機AtmegaL16以及無線收發芯片NRF24L01等各種功能芯片。開關電源路線包括：①電源電路，使用9 V電池供電，經LM1117-3.3V電源電壓變換芯片，將電壓變換至控制系統所要求的3.3 V。②單片機ATmegaL16、無線收發芯片NRF24L01和溫濕度傳感器DHT11組成接線集成電路。ATmegaL16的PB三口與無線音頻芯片NRF24l01的CE引腳相連接；ATmegaL16的外部中斷口INT2與無線音頻芯片NRF24l01的數據接收，實現了IRQ中斷口連接；單片機ATmegal16的內部PA零口與溫濕度傳感器DHT11的DQ接口相連，實現了對溫濕度傳感器DHT11的監控并讀出溫濕度信息[2]。

3.2 無線收發器

無線收發器主要使用AVR單片機AtmEgaL16、無線網絡接收芯片NRF24L01和RS232串口電平切換芯片MAX3232E等功能芯片。NRF24L01是一種工業級別的低成本無線接收器，支持125個通信信道，6個數據通道以滿足多點通信。其中，在AtmegaL16和無線接收芯片NRF24L01之間，使用了SPI通信。

4" 系統軟件設計

軟件設計內容包括上位機控制軟件以及無線收發器、無線中繼器、無線溫濕度傳感器等的基本驅動程序。

4.1 上位機監控管理軟件

上位機監測軟件主要是利用高級編程語言Visual C++9.0編寫，可以實現對上位機工作畫面編程、上位機與無線網絡收發信器之間的RS232串行口通信協議編寫、大數據分析管理、監測數據庫的制作、溫濕度數據曲線的制作及各類報告的制作和打印。

4.2 底層驅動程序設計

在底層驅動設計環節中應用AVR Studio 6編譯器主要驅動方式有無線收發器、無線中繼臺、無線溫濕度傳感器、無線接收電路NRF24L01驅動、無線溫濕度傳感器中DHT11的驅動以及無線收發器的串口通信程序。其中，各臺NRF24L01收發設備均使用中斷接收，無線收發器和上位機之間的串口通信均使用串口中斷接收[3]。

5" 溫濕度采集結構程序運行過程

5.1 DHT11在Linux下的驅動過程

該系統選擇嵌入式Linux內核的最新版本，選取與其相匹配的驅動程序，直至完成系統設定，并且通過運行相關命令，選擇窗口中的特定符號，進行選項設定，隨后進行驅動程序的編輯工作。將編譯好的驅動程序進行下載，存儲至開發板內，此時內核進行驅動加載，會將預先編制好的測試程序進行下載，安裝在開發板中等待啟動。通過觀察PC端串口終端，統計相關顯示信息，在串口1可打印溫度和濕度出現數值，表示系統完成驅動程序的內核加載操作。

5.2 無線傳輸模塊驅動程序

分析本案例中的無線傳輸模塊，Linux設備中的驅動程序依照字符數完成驅動模式編寫。探究所選取芯片的基本特性，分辨相關操作系統中產品的差異表現，認定該驅動程序為字符產品類型。加強對字符設備中特殊技術的實踐應用，了解混雜技術的控制方法，預先固定主設備號，確保系統不會進行二次修改，當加載驅動時，相應地完成設備文件生成，整體過程表現出自動化。

5.3 網絡的通信過程

Linux環境中，以socket套接字實現網絡通信。選擇TCP協議，確保服務過程是安全的，能夠應對更加復雜且多向連接的通信情況。當網絡進程創建后，接收端將獲取的信息數據確認后再次發出，發送端接收到確認轉換的信息后，說明信息正確傳輸了，否則就要重發數據。

5.4 協調器節點和終端節點軟件設計

整個網絡的關鍵結構當數協調器，構建整體無線通信網絡，確保終端節點加入后可以獲得相應的網絡地址分配，從而協調各個節點間關系，實現數據的順暢傳輸。給予協調器硬件穩定電流，初始化相關串口和網絡，構建全新的無線網絡，要求主程序能夠發揮作用，開展事件掃描、查詢工作。

5.5 協同器節點和終端節點的傳輸網絡系統

終端節點與協調器節點建立網絡連接，相互完成關系綁定，此時終端節點處理溫濕度收集信息，并同時將從溫濕度傳感器中收集的信息，經過無線通信進行傳遞。協調器節點獲得信息后，觸發相關事件，對數據完成處理，最終以USB串口方式，將信息完成界面呈現。

5.6 電源模塊

系統中應用電壓為5 V的電源進行供電，而無線模塊的標準電壓額度較低，是3.3 V，所以出現了信號輸出電壓差值。為保障信號傳輸過程的穩定性，需要增加電平轉換電路設計。

5.7 藍牙通信模塊

該模組同樣具備UART、USB、SPI、PCM、SPDIF等端口，并同時具備SPP藍牙與串口，并具備主從統一端口，包含PCB與射頻天線，并且還能夠串聯七個從外設，并且由于此功能的工作電壓在3.3 V，使得該功能具備了投資較少、穩定性高、功率小、接收靈敏度較高等優勢。除此之外，該藍牙通信模塊具有兩種工作方式，即命令應答工作方式和手動連接工作方式。在手動連接工作方式下，系統操作分為主（Master）、從（Slave）和回環（Loopback）三個過程。當系統處在命令應答工作方式時，能通過AI執行操作命令，即可使用單片機對系統發送AT命令，對系統設定監控參數并發送監控指示，根據對系統的插針輸入信號的變化，即可完成系統運行狀態的切換。當系統處在手動連接工作方式時，可以通過手動預先設定的工作方式進行數據信息傳送。藍牙模塊和單片機之間的聯系如圖2所示。

6" 系統調試與測試環節

6.1 系統調試

在分析硬件問題時，可以使用萬用表進行檢查，判斷電路是否出現斷路，各個引腳電壓是否處于穩定狀態，電流數值是否達標。在軟件方面，調試工作的重點是確保通信過程的順暢性，收、發信號是否完整。在調試零號通道時，預先調試信息的發射端，關閉自動應答功能，重復在主函數中發送數據，驗證系統返回信息是否合理。在調試接收端結構時，修改接收端信號接收信道，查看系統返回信息，并與標準值進行比對，確保系統軟件功能穩定可靠。當發送與接收工作同時進行時，必須待接收到正確信息并做出應答后方可中斷。

6.2 溫濕度采集模塊一致性的測試

通過F檢驗統計方法可以確定在5個溫濕度監測采集模塊間有無顯著性差別。F試驗是一種常規的假設檢驗方式，假設檢驗方法根據溫度對其所提供的假定做出評估：是可以接受，還是否定。當恒溫與恒濕箱的溫濕度傳感器數值超過所設定的界限并保持在20左右時，可每隔兩分鐘對檢測系統和精密儀溫濕度測量的平均值進行記錄，50個數值為一組。假設各個溫濕度點的數據無較大差異，即可推算出統計量的概率P值，也就是說，當假設成真，實際的觀測結果概率P值越小，則表示采集模塊之間的差異越明顯。

6.3 系統整體功能測試

系統整體功能測試是對系統中的某個采集模塊22℃、60%RH溫濕度的一致性測試結果再次進行分析。具體操作是，在SPSS中導入50個測量數據，選取與一致性測試相同的位置進行分析，計算該采集模式下50個測量數據之間的P值，最后得出P值的結果約為0.766，這與之前的測量結果無明顯的差異，表明該系統的重復性功能良好。

6.4 系統穩定性的測試

將該監測系統溫濕度采集模塊安裝于恒溫恒濕箱中間部位，并設定恒溫恒濕箱的環境溫濕度分別為22℃、60%RH，當相對濕度監測數值超過設定點后再穩定在20分鐘，以每隔2 min記錄該系統的測定數值，共記錄10次。每2個月完成1次上述測定，測量期為1年，一共完成了6組獨立測定，并使用休哈特控制圖法判定控制系統的穩定性。如果穩定性測試系統具體的測定數值都在限定范圍之內，無異常量值，從而能夠肯定該系統的長期穩定性比較好。

7" 結束語

綜上所述，在進行溫濕度的檢測時，利用無線溫濕度采集系統能更便捷且更有效地檢測真實數據。該系統通過多個采集模塊組成，利用無線傳輸模塊將數據傳至上位機，這是解決有限采集裝置布線復雜、功能簡單等缺點的有效措施，且通過多次的實驗得出，該系統的溫度測量誤差在±0.1℃，而濕度測量誤差在±1.0%RH左右，這能很好地說明該系統的穩定性、一致性。此外，經過與傳統有線采集裝置的對比，也能明顯看出二者在溫濕度測量結果上無明顯差異，可以說，無線溫濕度采集系統為溫濕度檢測提供了更加便捷高效的方法，值得推廣和廣泛應用?！?/p>

參考文獻

[1] 陳子龍，張紅雨，李俊斌．CC2540和SHT11的無線溫濕度采集系統設計[J]．單片機與嵌入式系統應用，2013，13（4）：41-44.

[2] 宗曉萍，劉?。疅o線溫濕度采集系統設計[J]．河北工業科技，2010，27（6）：500-502.

[3] 楊懷德．基于ZigBee的無線溫濕度采集系統設計[J]．電腦知識與技術，2016，12（14）：229-231.