基于無線傳輸?shù)能囕d溫濕度測量系統(tǒng)設(shè)計

陳星晨,張麗萍

(福州大學(xué) 機械工程及自動化學(xué)院，福州 350116)

基于無線傳輸?shù)能囕d溫濕度測量系統(tǒng)設(shè)計

陳星晨,張麗萍

(福州大學(xué) 機械工程及自動化學(xué)院，福州 350116)

為了克服傳統(tǒng)溫濕度靜態(tài)點測量的局限性大、靈活性差的問題，設(shè)計了一種基于無線傳輸?shù)能囕d溫濕度測量系統(tǒng);用戶通過計算機來無線遙控小車，可以進行人體無法進入或帶有危險性質(zhì)場所的溫濕度測量;使用了DHT11數(shù)字式溫濕度傳感器進行溫濕度的測量,并利用NRF905收發(fā)模塊實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無線傳輸;上位機采用Labview圖形化開發(fā)工具，控制面板上可以進行溫濕度歷史數(shù)據(jù)的查詢，以曲線、數(shù)字、量程三種不同的形式顯示實時溫濕度數(shù)據(jù)，當(dāng)溫濕度超過預(yù)警值時能夠報警，同時能實時顯示小車運動軌跡;整個系統(tǒng)人機界面簡潔，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，適應(yīng)性強。

無線傳輸；動態(tài)點測量；溫濕度測量；Labview

0 引言

溫度和濕度是工業(yè)生產(chǎn)、倉儲技術(shù)、農(nóng)林牧業(yè)、家居生活中的一個非常重要的參數(shù)。它影響著我們生活的方方面面。經(jīng)過調(diào)查和查詢相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)，單個靜態(tài)點溫濕度的測量[1]和多個靜態(tài)點溫濕度的測量[2]都已經(jīng)有了較多的研究成果，并且測量方法[3]也有了很大提升。但也存在一些問題，有線的溫濕度采集系統(tǒng)，布線成本高，后期改造困難；而智能化的溫濕度無線監(jiān)控系統(tǒng)造價較高，特別是在測量點比較多的情況。為此本文設(shè)計了將無線遙控小車作為載具，搭乘溫濕度測量裝置，用戶可通過PC機操控小車并通過無線的方式獲得溫濕度數(shù)據(jù)，將溫濕度的靜態(tài)點檢測變?yōu)橐欢ǚ秶鷥?nèi)動態(tài)點檢測，具有較高的靈活性和適應(yīng)性。

1 基于無線傳輸?shù)能囕d溫濕度測量裝置總體方案設(shè)計

基于無線傳輸?shù)臏貪穸葴y量儀由兩個部分構(gòu)成：小車部分和PC機部分。小車部分由溫濕度傳感器DHT11，單片機STC89C52RC，液晶顯示屏LCD1602，NRF905無線收發(fā)模塊[4]，小車組件(含底盤、車輪和直流電機等)、電機驅(qū)動模塊L298N組成。PC機部分由單片機STC89C52RC，NRF905無線收發(fā)模塊，PL2303模塊以及PC機組成。

對小車軌跡進行控制時，PC機部分作為小車控制指令發(fā)射端。用戶通過操作上位機控制面板發(fā)送動作信號給單片機，再由單片機控制無線模塊傳輸數(shù)據(jù)。小車部分無線模塊接收來自PC機的小車動作信號并傳送給車載的單片機，單片機根據(jù)信號對電機驅(qū)動模塊發(fā)出控制指令，進而驅(qū)動電機，實現(xiàn)運動。執(zhí)行溫濕度數(shù)據(jù)信號采集功能時，小車部分作為數(shù)據(jù)信號發(fā)送端，通過DHT11采集現(xiàn)場溫濕度信號，將測得信號發(fā)送給單片機STC89C52RC，單片機將收到的溫濕度信號傳送給無線模塊NRF905并顯示在液晶顯示屏LCD1602上，PC機部分則通過無線模塊NRF905接收現(xiàn)場傳來的信號后，通過單片機和PL2303模塊轉(zhuǎn)換信號傳輸給PC機進行顯示和處理。系統(tǒng)的方塊圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的方塊圖

2 硬件設(shè)計

2.1 車載端電路

小車端電路需要實現(xiàn)的功能：溫濕度數(shù)據(jù)信號的采集、顯示和傳輸；小車控制信號的接收以及小車驅(qū)動。設(shè)計中使用DHT11溫濕度傳感器來采集數(shù)據(jù)信號，液晶顯示屏LCD1602顯示采集到的溫濕度數(shù)據(jù)，NRF905無線模塊來發(fā)送溫濕度數(shù)據(jù)信號并且接收來自上位機的小車控制信號，L298N電機驅(qū)動模塊[5]用于驅(qū)動小車兩個車輪的直流電機。

單片機STC89C52RC的電源電壓是5 V，NRF905無線模塊的電源電壓是3.3 V，采用降壓芯片AMS1117-3.3 V來滿足NRF905無線模塊的供電需求。主控芯片和與無線傳輸模塊NRF905之間采用I/O口模擬SPI進行控制，其通訊采用Master與Slave結(jié)合的框架模式實現(xiàn)串行數(shù)據(jù)線MOSI與MISO的數(shù)據(jù)通訊。其中NRF905芯片選用430MHzISM工作頻段，配合內(nèi)置的無線通訊協(xié)議和CRC校驗功能，可以自動完成編碼解碼功能，另外，由于該芯片擁有較強的抗干擾能力強，受環(huán)境影響小的高斯頻移鍵控調(diào)制方式，使其在復(fù)雜的環(huán)境中通信無礙[4]。小車端無線傳輸電路和電機驅(qū)動電路如圖2和圖3所示。

圖2 小車端無線傳輸電路圖

圖3 小車端電機驅(qū)動電路圖

2.2 PC機端電路

PC機端電路需要實現(xiàn)的功能：溫濕度信號的接收和控制指令的發(fā)送。設(shè)計中采用NRF905無線模塊接收溫濕度信號并且發(fā)送小車控制指令信號，單片機與PC機之間的串口通訊使用PL2303模塊[6]來實現(xiàn)。NRF905無線模塊的接線同車載端電路相同，可參見小車端的無線傳輸電路，串口通訊電路如圖4所示。

圖4 PC機端串口通訊電路圖

3 軟件設(shè)計

3.1 下位機無線傳輸軟件設(shè)計

在設(shè)計中車載端和PC機端都需要發(fā)送和接收數(shù)據(jù)信號，無線傳輸程序首先需要對NRF905無線模塊進行初始化[7]和寄存器配置，配置頻段在430MHZ，輸出功率為10db。芯片ShockBurst RX接收模式與ShockBurst TX發(fā)送模式的切換只需控制上電控制引腳PWR_UP、芯片狀態(tài)標(biāo)志位引腳TRX_CE，模式設(shè)定引腳TX_EN這三個引腳就能夠完成。在ShockBurst TX發(fā)送模式中，設(shè)置TRX_CE=0、TX_EN=1以及PWR_UP=1，使得芯片處于空閑狀態(tài)，待有數(shù)據(jù)發(fā)送時，通過I/O口模擬SPI總線將接收信息的微控制器地址和數(shù)據(jù)發(fā)送給NRF905，再使得端口TRX_CE=0，激活 ShockBurstTX 模式。此時，NRF905將校驗信息與數(shù)據(jù)合并打包發(fā)送，待數(shù)據(jù)就緒引腳DR=1時，表示數(shù)據(jù)發(fā)送成功，將引腳TRX_CE置低，返回初始狀態(tài)。在ShockBurst RX接收模式中，先設(shè)置芯片為空閑等待模式。當(dāng)引腳TRX_CE=1，進入數(shù)據(jù)接收模式。延時650 μs等待數(shù)據(jù)接收，隨后檢測總線載波信號，當(dāng)檢測到信號時，載波檢測標(biāo)志位CD置高。接收地址與數(shù)據(jù)地址匹配相同時，引腳AM 置高。等到CD和AM引腳都置高時，開始接收傳輸數(shù)據(jù)，接收完畢后，進行CRC位校驗，校驗正確后引腳DR自動置高表示數(shù)據(jù)信號正確且接收成功，此時將TRX_CE引腳置低進入空閑模式等待下一次數(shù)據(jù)接收。

數(shù)據(jù)的交換采用載波監(jiān)聽(CSMA)[7]的方法來保證系統(tǒng)有效運行。在發(fā)送數(shù)據(jù)信號時，采用載波檢測的方法防止單片機部分和PC機部分同時發(fā)送無線數(shù)據(jù)造成信道沖突。在發(fā)送數(shù)據(jù)前，單片機需要先判斷無線模塊CD引腳是否為高電平，若為低電平，說明空間中不存在同頻率的載波，可以立即發(fā)送數(shù)據(jù)；若為高電平，說明空間中存在相同頻率的載波，需要避讓一段時間再嘗試發(fā)送數(shù)據(jù)。避讓時間的選擇采用非堅持算法[7]，即等待一個由概率分布決定的隨機重發(fā)延遲時間(延時時間是由程序產(chǎn)生的隨機數(shù))，再監(jiān)測無線模塊NRF905的CD引腳的電平，進而決定發(fā)送數(shù)據(jù)或者是再進行隨機延時。采用隨機的重發(fā)延遲時間可以減少數(shù)據(jù)發(fā)送過程中產(chǎn)生信道沖突發(fā)生的可能性，避免程序運行周期接近導(dǎo)致的反復(fù)數(shù)據(jù)丟失。無線傳輸?shù)陌l(fā)送流程圖如圖5所示，無線傳輸?shù)慕邮樟鞒虉D如圖6所示。

圖5 無線傳輸發(fā)送流程圖

圖6 無線傳輸接收流程圖

3.2 上位機軟件設(shè)計

上位機采用Labview編寫，Labview程序由程序框圖和前面板組成。前面板是用戶和程序交互使用的界面。程序框圖寫出的代碼能夠通過前面板以圖形的方式顯示出來，利于用戶直觀地理解各種界面的功能[8]。為了界面簡潔，便于操作，采用了如圖7的軟件程序結(jié)構(gòu)。

該軟件系統(tǒng)主要包括以下功能：

1)從下位機采集到溫濕度數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行處理和顯示；

2)將采集到的數(shù)據(jù)連接到文本中，進行數(shù)據(jù)存儲；

3)發(fā)送對小車的控制信號，并顯示小車運行軌跡；

4)提供一個人機交互的界面以選擇需要調(diào)整的參數(shù)和功能(小車控制或監(jiān)測狀態(tài)，溫濕度預(yù)警值)。

小車運行軌跡的計算是采用相對坐標(biāo)的方法。假設(shè)小車運行時間為t，直線速度為v，旋轉(zhuǎn)角速度為ω。初始位置的坐標(biāo)設(shè)定為(x0,y0)，小車位置的坐標(biāo)為(x1,y1)。

前進和后退按鍵所對應(yīng)的小車位置坐標(biāo)為：

(1)

左右旋轉(zhuǎn)按鍵所對應(yīng)的小車位置坐標(biāo)為：

(2)

每次運動完成后，將小車運動結(jié)束位置設(shè)置為新的初始位

圖7 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

置，初始的坐標(biāo)系隨著小車移動進行平移或者旋轉(zhuǎn)生成新的坐標(biāo)系。直線運動以及旋轉(zhuǎn)運動坐標(biāo)系變化如圖8和圖9所示。坐標(biāo)位置點計算完成后采用Labview里圖片繪制，將每次坐標(biāo)轉(zhuǎn)化的小車坐標(biāo)用直線連接起來，并創(chuàng)建局部變量保留所有的軌跡連線，形成小車軌跡的顯示。

圖8 直線軌跡坐標(biāo)系變化示意圖

圖9 曲線軌跡坐標(biāo)系變化示意圖

4 系統(tǒng)調(diào)試

在某一房間中進行溫濕度的動態(tài)點監(jiān)測的現(xiàn)場實驗，通過PC端發(fā)送指令控制小車在房間內(nèi)完成指定的軌跡運動，控制效果較好，小車運動軌跡和PC控制面板上顯示軌跡基本一致。小車端通過無線傳輸發(fā)送到PC端的溫濕度數(shù)據(jù)與使用溫濕度測量儀測出的數(shù)據(jù)一致，并且采集的數(shù)據(jù)平穩(wěn)，可以滿足實驗條件。在試驗過程中，系統(tǒng)表現(xiàn)穩(wěn)定，能長時間高速運行，采集的溫濕度數(shù)據(jù)實時顯示在系統(tǒng)的應(yīng)用界面上，實現(xiàn)了多種的顯示形式：數(shù)值顯示、量程顯示、實時數(shù)據(jù)曲線。采集數(shù)據(jù)存儲于文檔中便于調(diào)取查詢。通過PC控制面板上多種顯示形式的溫濕度數(shù)據(jù)以及小車運行軌跡圖，操作人員能夠更為直觀的觀察到一定范圍內(nèi)溫濕度動態(tài)點監(jiān)測的狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象。

5 結(jié)論

針對市場的溫濕度測量儀一般只用于定點測量這一問題，提出了將無線遙控小車作為載具，搭乘溫濕度測量裝置的方案。文中設(shè)計了無線傳輸電路及小車驅(qū)動電路，為了實現(xiàn)無線傳輸?shù)哪康模幹屏藷o線傳輸?shù)陌l(fā)送與接收程序。采用LABVIEW進行上位機編程以實現(xiàn)與下位機的通信，并測量結(jié)果進行處理、顯示和儲存。通過現(xiàn)場實驗，該裝置可以實現(xiàn)一定區(qū)域內(nèi)的溫濕度動態(tài)點的測量。

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Design of Vehicle Temperature and Humidity Measuring System Based on
Wireless Transmission

Chen Xingchen，Zhang Liping

(College of mechanical engineering and automation，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou 350116，China)

In order to overcome the limitation of the traditional temperature and humidity measurement and the problem of flexibility, a vehicle temperature and humidity measurement system based on wireless transmission is designed.The user is able to use the computer to control the car remotely by wireless commands, which can measure the temperature and humidity in some place where people can not enter or in hazardous conditions. The DHT11 digital temperature and humidity sensor is used to measure the temperature and humidity, and the wireless transmission of data is realized by using the NRF905 transceiver module. PC uses Labview graphical development tools to write programs, the user can check the temperature and humidity history data in the control panel, and which displays real-time temperature and humidity data in three different forms, curve, digital and range, when the temperature and humidity exceeds the warning value, the utility model can alarm, and the track of the car can be displayed in real time. The man-machine interface of the whole system is simple, the system is stable, and the adaptability is strong.

wireless transmission；wireless remote control；temperature and humidity measurement；Labview

2016-11-22；

2016-12-15。

陳星晨(1993-)，男，寧德人，碩士研究生，主要從事太赫茲，無損檢測，激光加工等方向的研究。

張麗萍(1972-)，女，莆田人，博士，副教授，主要從事自動檢測方向的研究。

1671-4598(2017)05-0042-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.05.013

TP3

A