基于CC430與PIC24FJ256的無線溫濕度監測系統設計

李 偉，陳澤軍，黃艷芳，黃松濤

（北京石油化工學院 北京 102617）

基于CC430與PIC24FJ256的無線溫濕度監測系統設計

李 偉，陳澤軍，黃艷芳，黃松濤

（北京石油化工學院 北京 102617）

為實現工業生產領域環境溫濕度監測的需求，提出了一種基于近端無線網絡傳輸和遠程GPRS數據傳輸的監控系統設計方案，并完成了系統軟硬件設計。無線數據采集節點以集成RF收發模塊的CC430F5137為控制核心，采用溫濕度傳感器SHT75實現了溫濕度測量功能；終端RTU選用自帶USB模塊的PIC24FJ256GB106為控制器，完成了采集節點上傳測量數據的實時存儲、顯示以及遠程GPRS傳輸。試驗結果表明，該監控系統控制精度和測量精度高，具有工作穩定及功耗低的優點。

溫濕度；監控系統；CC430；無線網絡傳輸；GPRS

在許多工業生產場合環境溫濕度指標會對生產效率以及產品質量產生重要影響，而在易爆易燃場合空氣參數中溫濕度指標更是關系到生產運行的安全性，為避免發生安全事故，提高生產效率和產品質量，對工業生產場合重要區域的溫濕度進行有效監測是安全生產運行的重要保障。

傳統的溫濕度監測系統通常采用有線方式建立，該方式存在布線困難，維護不便且可移動性差等顯著缺點，無法適應現代化生產場合智能化管理的要求［1-2］。考慮到無線傳感網絡具有維護簡單、組網靈活且易實現智能化管理等特點，將分布在不同監測區域的大量傳感器節點，以無線通信的方式構建監測網絡，可以克服傳統監測方式所帶來的弊端。為此，本研究采用微功率無線通信方式組成小規模短距通信網絡，并使用 GPRS（通用分組無線服務技術）進行數據遠程傳輸，從而實現多節點溫濕度監測功能。

1 總體方案設計

針對實際場合對監測系統的功能要求，設計出的監測系統整體結構如圖1所示。系統總體由遠程監控上位機系統以及包含若干現場傳感器節點和多功能終端設備RTU的下位機子系統構成，每個終端設備 RTU對應多個現場傳感器節點，RTU與傳感器節點之間通過微功率無線通信方式組成通信網絡。遠程監測PC系統通過GPRS與終端設備RTU進行通信，從而實現數據遠程傳輸、實時顯示以及異常報警等功能。系統工作時，終端設備RTU可根據設定的溫濕度參數目標值，控制溫濕度調節設備運行狀態，達到對指定區域溫濕度進行調節的效果。

2 系統硬件設計

本監測系統中硬件部分主要由無線數據采集節點和多功能終端RTU構成，下面重點介紹該部分的硬件設計實現方式。

圖1 系統總體結構圖Fig.1 Structure diagram of the power control unit test system

2.1 無線數據采集節點

無線數據采集節點的主要任務是對環境溫濕度進行測量，并通過無線通信方式將測量數據發送至多功能終端設備RTU，其組成部分主要包含傳感器模塊、微控制器模塊以及無線數據傳輸模塊，無線數據采集節點硬件組成如圖2所示。

圖2 無線數據采集節點硬件組成Fig.2 Hardware structure of wireless data acquisition node

為滿足系統溫濕度測量范圍及測量精度要求，選用瑞士Sensirion公司推出的集溫度測量和濕度測量功能于一體的SHT75傳感器，其采用CMOSens專利技術，能夠在-40℃～123.8℃溫度范圍和0～100%RH濕度范圍內實現高精度的溫濕度測量，典型的溫濕度測量精度分別可達±0.3℃和±1.8% RH。該傳感器在精確的濕度腔中進行標定，經兩線制串行I2C總線輸出，具有體積小、功耗低且抗干擾能力強的特點［3］。

為滿足系統低功耗需要，并兼顧簡化系統硬件設計要求，微控制器模塊和無線數據傳輸模塊選用德州儀器公司集成了RF收發器內核的超低功耗微控制器片載系統系列產品CC430F5137，該控制器可在1.8～3.6 V的寬電壓范圍內工作，當其工作于433 MHz頻段以1.2 kbps速率發送數據時，電流消耗僅為16 mA（在待機模式和關閉模式時電流分別為1.8 μA 和1.0 μA），適合于長時間由電池供電的工作環境［4］，完全可以滿足系統低功耗設計需要。在本系統中，為進一步降低系統功耗延長電池供電時間，無線數據采集節點未被喚醒時使控制器處于低功耗模式（LPM3），被喚醒后則將控制器轉入活動狀態完成溫濕度測量并上傳測量結果。該控制器中射頻模塊可工作在多個頻段，本系統中將其設置成433 MHz頻段上，其在空曠場地傳輸距離可達數百米（增加路由設備后能實現1 km距離數據傳輸），可以滿足系統傳輸距離要求。

由于每個RTU終端與多個無線數據采集節點之間采用輪流喚醒方式進行無線數據傳輸，為同一區域不同數據采集節點進行區分，需要對每個節點設備分配不同的地址編碼。系統采用8位撥碼開關來設置每個節點設備的地址，確保每個節點對應唯一的地址編碼。

此外，為滿足對溫濕度進行調節的設計需要，在同一區域除設有若干數據采集節點外，還須配備溫濕度調節節點，其組成與數據采集節點類似，僅將傳感器部分換成溫濕度調節控制電路部分即可。

2.2 多功能終端RTU

多功能終端RTU需要實現對從各無線數據采集節點所獲取數據的實時顯示、存儲以及遠程傳輸等功能，其硬件組成如圖3所示，主要由微控制器模塊、觸摸屏模塊、存儲模塊、無線數傳模塊、GPRS數據通信模塊以及其它輔助功能模塊構成。

圖3 終端RTU硬件組成Fig.3 Hardware structure of terminal equipment RTU

在本系統中，考慮到便于實現USB數據存儲功能以及多路UART異步串行通訊的設計需要，選用美國Microchip公司的16位高性能低功耗微控制器PIC24FJ256GB106作為終端設備控制核心，由于其自帶USB功能模塊，無須采用外部接口電路即可很方便地實現USB數據存儲功能，且該控制器能提供多達4路通用異步串行端口，因此可極大程度上簡化系統硬件設計。此外，該控制器所獨有的引腳配置功能，使得其相對于其它處理器而言，在IO端口和外設功能使用方面具有較強的靈活性［5］，給硬件設計和軟件調試提供了便利。

為保證與無線數據采集節點中無線收發模塊的一致性，在RTU終端設備中選擇基于C1101芯片的微功率無線收發模塊，該模塊采用SPI接口與微控制器進行通訊。GPRS模塊選用應用廣泛的SIMCOM公司通訊模塊SIM300C［6］，由于設計中只需要用到該模塊的GPRS無線數據通訊功能，其短信收發和語音通信功能均未用到，故設計SIM300C模塊硬件電路時僅保留GPRS數據傳輸功能的硬件部分。SIM300C模塊硬件設計電路主要包含串口通訊單元、SIM卡接口單元和開關機電路：串口通訊單元與微控制器進行數據傳輸時，由于兩者通信電平一致，故只需將模塊提供的數據發送接收TXD 和RXD與控制器UART0單元引腳交叉互聯即可；SIM300C模塊與SIM卡的數據連接線須串接22 Ω電阻進行阻抗匹配，以提高數據傳輸穩定性。

為便于實時顯示無線數據采集節點所上傳的數據，選用威綸通觸摸屏MT6070IH實現人機交互功能，該觸摸屏提供RS232/485接口與控制器進行通訊，在本設計中為提高系統的抗干擾能力，采用RS485方式實現串口通訊功能，須采用MAX485電平轉換芯片完成微控制器與觸摸屏之間的電平轉換。

3 監測系統軟件設計

本監測系統中軟件設計部分包含無線數據采集節點軟件設計、多功能終端RTU軟件設計、觸摸屏顯示界面以及上位機監控界面設計，下面主要就前兩部分的軟件設計思路進行介紹。

3.1 數據采集節點軟件設計

無線數據采集節點控制器軟件設計主要由溫濕度數據采集部分和無線數據收發部分組成。系統上電后首先進行初始化工作：配置I2C總線和UART異步串行通訊端口寄存器，設定通訊波特率及相應中斷功能；設置無線收發模塊寄存器，將射頻發送載波頻率和數據通信速率分別設定為433 MHz 和2.4 kbps，并使能地址檢測功能。控制器初始化完畢后會向終端RTU設備發起連接請求，并等待RTU設備應答。為降低系統功耗，連接成功后將控制器設定為功耗極低的無線喚醒（WOR）模式，并使能總中斷允許位；當通過無線收發中斷接收到數據請求后，控制器轉入正常工作模式，驅動SHT75傳感器進行數據采集，然后對獲取到的數據進行運算處理還原為實際的溫濕度參數，并將其上傳至終端RTU設備。無線數據采集節點主程序流程圖如圖4（a）所示。

圖4 軟件流程圖Fig.4 Flow chart of the software

3.2 終端RTU軟件設計

終端設備RTU部分是整個監測系統的核心，需要利用控制器提供的異步串行端口（UART0和UART1）、SPI串行端口（SPI1）以及USB端口完成觸摸屏人機交互、遠程GPRS數據和近端無線數據的收發以及USB數據實時存儲等部分的軟件設計，該部分主程序流程圖如圖 4（b）所示，軟件設計在MAPLAB IDE編程開發環境中完成。系統上電初始化部分需要使用引腳配置功能將外設映射到所選用IO端口，并設定各外設波特率、合理安排對應中斷觸發功能。

4 實驗應用

將該監控系統用于實際試驗區域進行測試，選取3個不同區域分別設定溫濕度目標值，每個區域內放置5個無線數據采集節點，并將測量結果與臺灣泰瑪斯TM-185溫濕度記錄儀相對照，檢驗該監控系統測量精度以及控制精度，監測系統測試結果如表1所示。從表1中數據可以看出，所選監控區域的實測溫度與目標溫度之間的控制誤差在±1.5℃以內，而濕度控制誤差在±5%RH以內，能夠滿足預定控制要求。而與所選溫濕度記錄儀相比較，溫度測量誤差均在正常測量誤差允許范圍內。

表1 監測系統測試結果Tab.1 Test result of monitoring system

5 結 論

文中基于近端無線網絡傳輸和遠端GPRS數據傳輸的設計方案，實現了易于智能化管理的溫濕度監控系統，試驗測試結果表明，該監控系統控制精度和測量精度均達到了設計要求，具有通信可靠、功耗低、組網方便易于擴展等優點，能夠有效解決傳統溫濕度監控方案存在的布線復雜、靈活性差等問題，可廣泛應用于不同工業領域的溫濕度監控場合。

［1］趙建華，曹超.一種遠程的無線環境溫濕度檢測系統［J］.西安工業大學學報，2012，32（4）:340-344.

［2］何學文，孫汗，曹清梅.金屬礦井無線溫濕度監測系統設計［J］.金屬礦山，2014，453:116-119.

［3］李富超，陳慶官，楊承帥.蒸化工藝中高溫高濕蒸汽溫濕度測量儀的研制［J］.紡織學報，2011，32（3）:133-137.

［4］王娟，肖兵，李利軍.基于CC430的無線油田監控系統設計［J］.信息技術，2013，4:157-161.

［5］賈西歐.16位單片機C語言編程:基于PIC24［M］.北京:人民郵電大學出版社，2010.

［6］陳振華，陳小燕，劉星毅.基于Zigbee技術的濱海電站溫排水監測系統的設計與實現［J］.計算機測量與控制，2013，21 （9）:2400-2402.

Design of wireless temperature and humidity monitoring system based on CC430 and PIC24FJ256

LI Wei，CHEN Ze-jun，HUANG Yan-fang，HUANG Song-tao
（Beijing Institute of Petro-chemical Technology，Beijing 102617，China）

For meeting the need of monitoring temperature and humidity in industrial situation，a design scheme based on wireless network transmission and GPRS data transmission was proposed，and the design of the hardware and software during the system was realized.With CC430F5137 which integrates RF module as core controller，the wireless data acquisition node realized the measurement function of temperature and humidity by using digital sensor named SHT75.The function of real-time storage，display and transmission of measurement data received from data acquisition node were all completed in terminal equipment RTU which selected PIC24FJ256GB106 as controller.The experiment results show that，the monitoring system can achieve high precision control and measurement，and has the advantage of reliable performance and low power consumption.

temperature and humidity；monitoring system；cc430；wireless network transmission；GPRS

TN98

A

1674－6236（2016）04-0158-03

2015-04-22 稿件編號：201504238

北京市教委科技計劃面上項目（KM201210017002）

李 偉（1979—），男，湖北天門人，講師，碩士。研究方向：機電一體化、計算機測控。