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无线温湿度监测网络的设计与实现

摘要：为克服现有无线温湿度监测系统存在能耗高，人机交互不良，微分干扰，无法倒换等缺点，实时控制等功能，设计了一种基于短距离无线微波通信的新型实时温湿度监测系统。 另外，为了频率分配，在无线通信中简要介绍了一些智能算法，提高了能量效率和其他资源分配问题。 该系统采用芯片STC89C52作为控制芯片，芯片SHT11作为数据采集模块，芯片nRF905作为无线收发模块，芯片MAX232作为上位机与下位机之间的串行接口。 详细描述了系统需求，系统设计，相关硬件电路，控制流程图和软件设计。 该系统可实现温湿度信息的数据采集，处理，传输，控制和显示。 系统功能验证和性能测试结果表明，该系统干扰强，能耗低，精度高。 该系统具有很高的价值，已应用于温室栽培和实验室储存等工业和农业领域。

关键词 温湿度测量短距微波无线传输反向实时控制低能耗

介绍

温度 - 湿度参数是仓储，制药和实验室可以正常运行的重要保证。例如，设备磨损或无法正常工作是由于温度过高或过低导致的，而药品，食品的劣化是由于储存过程中水分过多造成的。因此，有必要实时监测和控制温度 - 湿度参数（MIL-STD-810F2000).

测量方法主要包括手动，有线和无线测量。手工测量具有工作量大，效率低，实时性差的缺点，而且有线移动性差，布线繁琐，容易出现盲区测量，不利于系统维护（Richard et al。2012）。 与有线测量相比，无线具有移动性强，体积小，传输距离长等优点。

但是，一些现有的无线温湿度测量技术刚刚实现了数据采集和传输功能，并且没有反向实时控制从PC到下位机的功能。 此外，还存在能耗高，成本高，人机交互差，差分干扰的缺点（Xue，2010，Jia等人2008).

在无线通信中，频谱资源是非常重要和不足的资源。为了解决频谱利用问题，保证无线通信服务质量，本文提出了资源智能算法分配（包括频率分配和能源效率）是需要和提出的。 另外，资源分配问题是调度优化问题。 因此，在频率分配和能量效率方面提出了一些调度优化算法。 例如，为了在无线通信中实现高质量的传输，提出了用于频率分配的演化算法（Wang和Cai，2015，Cai et al。2014）。 为提高能源利用率和减少干扰，提出了基于智能算法的路由协议（Bhattacharjee和Bandyopadhyay2014，Izadi等人2013），并提出了多模终端之间安全通信的能量模型（Castiglione et al。2013, 2014）。 这些智能算法将在未来的研究中用于分布式无线网络系统。

本文设计了以STC89C52芯片为控制单元，芯片SHT11为数据采集模块，芯片LCD1602为显示模块，芯片nRF905为无线收发模块，芯片MAX232为串行接口的无线实时温湿度监测系统在上部和下部电脑之间。最后，利用Visual Studio2010中设计的监控软件将温度湿度信息显示在曲线上，并保存并打印信息。 该系统不仅实现了温湿度数据采集，而且实现了信息反向实时控制。

系统要求和系统设计

• 1. 无线温湿度采集的要求

整个系统由主机和从机构成，实现温湿度采集，无线传输和显示。 无线温湿度采集系统主要完成温湿度信息的采集和传输，其流程图如图1所示。

• 1. 无线温湿度控制的要求

无线温度湿度控制系统主要完成温度湿度控制单元的控制功能，并调整温度湿度信息。 其流程图如图2所示。

• 1. 无线通信技术的选择

目前广泛使用的无线通信技术包括WIFI，ZigBee，蓝牙，无线射频（RF）等，都属于短距离无线传输，具有不同的特点。 表中显示了这些技术的比较表1 （Baker2005，Razavi2011，Zeng等人2011），其中TC代表技术的分类。 与这些技术的优点和缺点相比，射频选择的穿透性强，传输距离长（使用芯片nRF905）。

微控制器

数据采集和无线传输

LCD显示和报警模块

传感器

无线传输模块

图1温湿度采集流程图

无线传输

无线传输

MAX232

微控制器

无线传输模块

温湿度控制和无线接收器

中继 微控制器

LCD显示和报警模块

温度和湿度控制单元

无线接收器模块

图2温湿度逆向实时控制流程图

控制算法

个人计算机

表1无线通信技术的比较

使用现有的网络

缺点 成本高，需要接入点，高能耗

良好的通信安全性几乎没有节点

传输距离

能源消耗

成本高，传输速率低

传输距离

成本高，传输速率低

• 1. 两种设计的比较分析

方案1系统采用芯片SHT11作为数据采集模块，芯片STC89C52作为控制模块，芯片nRF905作为无线传输模块

方案2系统采用单总线温度传感器DS18B20和湿度传感器HS1101作为数据采集模块，芯片AT89C52作为控制模块，芯片nRF905作为无线传输模块

两种方案的比较结果如表2（传感器数据表2005，杨和金2012).

由于传统模拟温度湿度传感器的信号调节电路复杂，检测过程复杂，测量精度难以保证。 方案一具有较高的测量精度，较强的抗干扰能力和较高的集成度。 因此，方案1是这个系统的最佳选择。

设计思路是：从机采用芯片STC89C52作为控制核心控制，数据采集芯片SHT11和信息显示芯片LCD1602，温湿度调节控制单元。 之后，系统使用芯片nRF905作为数据传输模块并将数据传输到PC。 主控计算机保存并显示数据，并设置报警阈值，控制温湿度调节单元。 系统总体设计图如图3所示。

表2方案的性能比较

传输模块与上位机连接

数据采集​​，传输和控制模块

STC89C52

中继

MAX232

nRF905无线接收器

/传输模块

STC89C52

报警单元

LCD1602显示器

nRF905无线传输/接收器模块

SHT11传感器

温度和湿度控制单元

无线传输

图3无线实时温湿度监测系统总体设计图

显示和控制模块

个人计算机

系统硬件电路设计

• 1. 数据采集电路

SHT11数字温湿度传感器与芯片STC89C52连接进行数据采集。 数据线DATA与MCU P2.0引脚连接以进行数据传输。 时钟线SCK与MCU P2.1引脚连接以实现时钟同步。 SHT11是一款集温湿度传感器，信号转换和A / D转换于一体的数字芯片。 默认的温湿度分辨率分别为14bit和12bit。 它的温度范围从-40到123.8°C，并且精度为plusmn;0.4°C（传感器数据表2005）。STC89C52是一种低功耗，高CMOS8位微控制器，系统可编程Flash存储器中8K。 它支持两种省电模式：空闲模式和保护模式。 在空闲模式下，CPU停止工作，并允许RAM，定时器，串行，连续工作。在保护体式模式下，RAM的内容是生存，振动器被冻结，直到连续或硬件重置的所有工作。 数据采集电路如图4所示。

• 1. 无线传输电路

nRF905是用于433/868/915 MHz ISM频段的单芯片无线电收发器。收发器由完全集成的频率合成器，带解调器的接收器链，功率放大器，晶体振荡器和调制器组成。ShockBurst^TM值功能自动处理前导码和CRC。 通过使用SPI接口，可以很容易地对配置进行编程。 工作电压为1.9-3.6 V（Nordic VLSI ASA2005)。

无线传输电路使用芯片nRF905。在设计中，接收器电路与传输电路相同。MCU引脚分别与nRF905的SPI接口，状态接口和模式接口相连，如图5所示。其中MCU引脚P1.3，P1.4，P3.2分别与nRF905的PWR_UP，TX_EN，TR_CE引脚相连，用于设置发送和接收模式。MCU引脚P1.0，P1.1，P1.5，P1.6分别与nRF905的引脚CSN，MOSI，MISO，SCK相连，用于设置和控制数据传输参数。MCU引脚P1.2，P1.7，P3.3连接到nRF905的引脚CD，AM，DR。 此外，CD用于检测载波信号，AM用于检测地址，DR用于判断收发器是否完成数据。

图4温湿度数据采集

图5无线传输电路

图6温湿度调节电路

• 1. 温湿度控制电路

通过主控计算机编程界面，设置温度-湿度阈值并监测温度湿度信息。当测量值超过阈值时，报警装置启动报警，继电器K4由芯片STC89C52驱动。然后，温湿度控制装置开始工作。控制电路如图6所示。

• 1. LCD显示和报警电路

由于LCD显示电路具有能耗低，体积小，成本低等特点，因此采用芯片LCD1602，其电路设计如图7a所示。报警电路使用有源蜂鸣器.当引脚P3.5处于高电平时，蜂鸣器开始报警，其设计电路如图7b所示。

• 1. 串行通信电路

为了引入主控计算机监控功能，设计了串行通讯模块.串行通信采用MAX232电平转换芯片。其电路设计如图8所示。

系统软件设计

系统控制流程图和软件设计包括温湿度测量和控制，无线传输和主监视器。 C编程语言用于开发Keil uvision4中的硬件程序（网页）集成开发环境，

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