基于CXA1191和SHT11的無線溫濕度監測系統

王帥

（湖南懷化學院 物理與信息工程系，湖南 懷化 418008）

在工農業生產、氣象、環保等部門，經常需要對環境溫度與濕度進行測量與控制。準確的溫濕度測量對生物制藥、食品加工和造紙等行業更是至關重要的[1]。隨著測量技術自動化和智能化程度的提高，各種溫濕度采集系統已得到了廣泛應用。傳統的溫濕度測量采用有線傳輸方式，一般使用模擬化的溫濕度傳感器直接將非電量轉換成電量，再送至PC機或單片機作后續處理。其缺點在于：一是布線工作量大，成本高，傳輸距離較遠時還會引入較大的誤差和干擾；二是模擬式濕度傳感器一般都要設計信號調理電路并需要經過復雜的校準和標定過程，因此測量精度難以保證，且在線性度、重復性、互換性 、一致性等方面往往不盡人意。盡管目前已有一些無線溫濕度采集方案，但其傳輸部分多采用價格較高的專用無線模塊實現。當應用中需要大量布設節點時采用專用模塊的系統造價會大大提高，難以滿足低成本、多節點應用環境下的用戶需求，如一些規模不大的、個體的農業環境控制。

為提高系統的性價比，本文提出了一種基于CXA1191的低成本溫濕度采集方案，主要面向精度高、數據量小、節點數多、成本敏感的應用需求。該方案將廣播接收技術與現代數字技術相結合，在深入研究CXA1191接收電路原理的基礎上，結合編碼器件和單片機系統，實現了數字信號的低成本無線傳輸。系統用高性能的SHT11溫濕度傳感器實現溫濕度測量，利用其高集成度的特點簡化設計、降低成本，提高了系統的實用性。

1 概 述

溫濕度采集系統采用主從分布式結構，系統由PC機、匯聚節點和分布于不同位置的多個無線子節點構成。匯聚節點和子節點采用無線通信方式，PC機與匯聚節點通過RS232總線通信。匯聚節點從各子節點獲取現場溫濕度參數，并將采集到的數據經RS232總線上傳至PC機處理和顯示。節點由發射和接收電路、編碼電路、單片機系統、鍵盤和顯示等部分組成。發射電路由分立元件搭建，采用AM調制方式。接收電路由CXA1191對射頻信號作放大、混頻和濾波處理，將無線信號變換到中頻，中頻處理由檢波電路和編解碼電路完成。系統結構和節點結構如圖1、圖2所示。圖2中RS232通信功能僅為匯聚節點獨有，SHT溫濕度采集器件僅為子節點獨有。

2 接收電路

目前無線數據通信多采用專用模塊實現，市面上已有多種無線數傳模塊可供選擇。這些專用模塊使用簡單，功能齊備，即使是射頻開發經驗較少的設計者也能很快上手。其缺點是價格較高，當面對數據量小、功能要求不高且節點數又比較多的應用時性價比不理想。但如果自行設計電路，則往往又受到射頻設計難度高、調試工作量大以及設計者經驗缺乏等限制而難于實現，其中尤以接收電路結構最為復雜。考慮到以上因素，本文采用了一種折中的方案，即利用CXA1191的內部電路，配以少許外部元件，既實現了射頻接收的功能，又簡化了結構，開發者僅需基本的無線電知識即可獨立完成設計。

CXA1191是一款單片大規模收音電路，因其集成度高，外圍元件少，性能優良，在我國相當流行，廣受歡迎的“德生”收音機內部多數采用了這款芯片[2]。CXA1191包括了AM/FM收音機從天線輸入、高放、混頻、本振、中放、檢波直至音頻功放的全部功能。圖3顯示的是設計中用到的CXA1191調頻電路部分（圖中檢波解碼部分是本設計的擴展）。

當CXA1191處于調頻接收狀態時，無線信號先經過帶通濾波，然后進入12腳在內部完成高頻放大。放大后的信號與本振混頻產生10.7 MHz的中頻信號。在正常收音模式下（如圖中虛線所示），該中頻信號經10.7 MHz陶瓷濾波器選頻后接至17腳，在內部鑒頻、檢波和音頻放大，最后驅動揚聲器發聲。

通過以上分析不難發現，CXA1191的結構可以分為兩部分:1）低噪放、混頻、濾波部分（即獲取10.7 MHz中頻信號的電路），這是一般的超外差式接收機的通用結構；2）鑒頻、檢波和放大，這是其專有的用于音頻信號解調處理的結構。其通用結構完全可以用作數字通信的射頻前端。例如，如果有一ASK（振幅鍵控）信號，載頻在87～109 MHz以內，該信號能通過帶通濾波器進入高放和混頻電路。適當調節本振，可以在陶瓷濾波器輸出端獲得10.7 MHz的ASK信號，此信號仍保留著原始的調制信息只是載頻有所降低，這正是希望得到的中頻ASK信號。對這個信號再做檢波和解碼處理，即可得到所需的數字信號。經實驗驗證，這個設想是可行的。

具體設計如圖3所示。改造方法十分簡單，在原CXA1191調頻電路的基礎上，斷開10.7 MHz濾波器與17腳的連接，將濾波器的輸出接至后面的檢波電路。CXA1191的其他功能如中波和短波接收均未用到，與之關聯的電路皆可省去，使設計和調試的任務大大減輕。實際調試時要注意適當調節高放和本振的兩個調諧回路，同時觀察陶瓷濾波器的輸出，盡量使輸出幅度最大，噪聲和失真最小。

3 發射電路

進行數據發送時，單片機首先將待發數據送至PT2262編碼。PT2262的17腳輸出已編碼的脈沖，高頻振蕩器在此脈沖調制下產生ASK信號經天線發射出去。如圖4所示，脈沖信號控制發射管基極導通與關斷，振蕩器輸出振幅也隨之變化，且只有最大值和零值兩種狀態，即得到所需的ASK信號。振蕩器接成克拉潑形式，其中利用了基極－射級電容和集電極－射級電容。采用聲表面波器件SAW穩頻，使電路具有很高的穩定性。SAW工作在串聯諧振狀態，使L1的部分電感接至基極－集電極之間構成電容三點式振蕩器。振蕩器工作頻率計算公式為，本設計將振蕩頻率設定在 90 MHz。

4 編解碼電路

編解碼功能由PT2262/PT2272完成。PT2262/PT2272是一對帶地址、數據編碼功能的無線發射接收芯片[3]。其7、8、10～13腳是數據端，1～6腳是地址端，14腳為低電平時啟動發射，17腳串行輸出包含地址和數據的編碼脈沖信號。圖5為解碼電路。

解碼時，來自10.7 MHz濾波器的ASK信號先經VD、C1、R2檢波，再通過LM358放大后送入PT2272的解碼輸入14腳。解碼成功時VT由低變高，解碼后的數據出現在數據引腳上供單片機讀取。需要注意的是，發射和接收芯片地址碼設置必須相同，PT2272對收到的信號要進行2次地址比對，只有地址正確才有有效數據輸出。

5 溫濕度采集電路

溫濕度采集以SHT11為核心，它是Sensirion公司推出的基于CMOSensTM技術的新型溫濕度傳感器。SHT11將溫度傳感器、濕度傳感器、信號調理、模數轉換器、標定參數及I2C總線接口全部集成到傳感器內部，既提高了傳感器的性能，又降低了成本、減少了體積，同時也非常便于和微控制器接口，是嵌入式系統溫濕度測試的理想選擇[4-5]。

SHT11 接口十分簡單，僅包括電源（Vdd）、地（GND）、串行時鐘輸入（SCK）、串行數據（DATA）4個引腳。每次測量都需要 “啟動傳輸”、“發送命令”、“讀取數據”3個過程，DATA在SCK下降沿之后改變狀態，SCK上升沿時有效。

“啟動傳輸”用于初始化SHT11，由 SCK和DATA的一個特定時序完成，如圖6所示。在SCK時鐘上升沿DATA翻轉為低電平，下一次SCK上升沿到來時DATA翻轉為高電平，從而完成“啟動傳輸”時序。

接下來要發送的是1個字節的命令，包括3個地址位和5個命令位。命令的傳輸需要8個SCK周期。命令傳輸完成后，SHT11會在第8和第9個SCK下降沿間給出一個DATA低電平脈沖，表示正確接收。

如果發送的是測量命令（“00000101”表示相對濕度RH，“00000011”表示溫度 T），外部控制器要等待測量結束。SHT11通過給出DATA低電平脈沖表示測量的結束。接著傳輸2個字節的測量數據和 1個字節的 CRC奇偶校驗。外部控制器需要通過下拉DATA為低電平，以確認每個字節。數據傳輸時序如圖7所示。

得到溫濕度的數字量后，需要根據SHT11手冊提供的公式轉換成實際物理量。SHT11的溫度傳感器采用的是能隙材料PTAT，線性性能極好，可以直接按以下公式將數字量轉換為溫度值：

其中SOT為測量值，d1、d2取值如表1所示。

表1 溫度轉換系數Tab.1 Conversion coefficients of temperature

濕度傳感器具有非線性，需要按以下修正公式計算實際值：

SORH為傳感器相對濕度測量值，系數 c1c2c3的取值如表2所示。

表2 濕度轉換系數Tab.2 Conversion coefficients of humidity

實際測量溫度與25℃相差較大時，應考慮濕度傳感器的溫度修正系數：

溫度修正系數如表3所示。

表3 濕度修正系數Tab.3 Humidity correction coefficients

6 系統控制

節點以單片機系統為核心，控制各功能單元協調工作。單片機的控制任務主要有4個：

1）控制收發電路完成數據的接收和傳送；

2）將匯聚節點發來的命令解釋成相應的控制動作（子節點具備），收集存儲各子節點的數據（主節點具備）；

3）定時控制SHT11完成溫濕度數據采集；

4）與PC機通信，上傳溫濕度數據。

單片機選擇低功耗的MSP430。MSP430是一個16位的、具有精簡指令集的、超低功耗的混合型單片機[6]，具有極低的功耗、豐富的片內外設和方便靈活的開發手段，十分適合嵌入式應用。

匯聚節點與子節點采用簡單的主從通信協議。匯聚節點定時輪流向各節點發出含有節點地址碼的查詢命令。從節點都編有互不相同的地址，僅對與自身地址相符的命令作出回應，將采集的溫濕度數據發回主節點。為了提高系統的抗干擾能力，軟件中引入了出錯重發機制。匯聚節點向子節點發查詢命令后，如果在指定時間內未收到數據，則再次發起查詢命令，3次查詢失敗則認為節點故障并記下節點號。得到各從節點的數據后，匯聚節點將數據打包上傳給PC機。PC端采用VC6.0設計了上位機軟件，使用MSComm控件實現與匯聚節點的串口通信，實現了溫濕度顯示界面，同時對測量的數據進行數字濾波處理，有效地提高測量精度。匯聚節點和主節點軟件流程圖如圖8、圖9所示。

7 結束語

無線溫濕度測量在工農業生產領域有著廣泛的需求，基于專用無線模塊的方案難以滿足低成本的應用需求。本文提出了利用CXA1191實現射頻前端的新思路，結合數字技術和高性能的SHT11溫濕度采集器，設計了一個具有較高性價比的無線溫濕度測量系統。經實際檢驗，系統工作穩定，數據精度在3%以內，能很好地滿足實際應用需求。

[1]趙健，吳順偉.基于單片機的溫濕度測量系統的研制[J].電子技術，2008 （09）:39-41.ZHAO Jian，WU Shun-wei.The design of temperature and humidity measurement system based on single-chip microcomputer[J].Electronic Technology， 2008，（09）:39-41.

[2]龍令烈.為CXA1019增加自動靜噪功能應用實例二[J].家用電器，2000 （09）:40.LONG Ling-lie.Two applications of add AMCAP function to CXA1019[J].Household Electric Appliance， 2000 （09）:40.

[3]周紹平，杜洪林.PT2262/PT2272無線數據收發模塊應用的改進方法[J].江西科學，2009 （08）:596-599.ZHOU Shao-ping，DU Hong-lin.The improved method of apply for PT2262/PT2272 the wireless data receives and dispatches module[J].Jiangxi Science， 2009（08）:596-599.

[4]袁易君，褚玉芳.基于AVR單片機高精度溫濕度測量系統的研究[J].煤礦機械，2008 （11）:111-113.YUAN Yi-jun，CHU Yu-fang.Temperature and humidity measuring system study with high precise based on AVR[J].Coal Mine Machinery， 2008，（11）:111-113.

[5]馮顯英，葛榮雨.基于數字溫濕度傳感器SHT11的溫濕度測控系統[J].自動化儀表，2006 （01）:59-61.FENG Xian-ying，GE Rong-yu.The temperature/humidity measurement and control system based on digital temperature/humidity sensor SHT11[J].Process Automation Instrumentation， 2006 （01）:59-61.

[6]高林娥.基于MSP430的無線環境監測系統設計 [J].電腦學習，2009 （02）:23-24.GAO Lin-e.Design of wireless environmental monitoring system based on MSP430[J].Computer Study， 2009 （02）:23-24.