應用無線傳感器的濕度準確檢測與控制系統設計

胡 誠

（蘇州高博軟件技術職業學院，江蘇 蘇州 215163）

0 引言

濕度的檢測與控制無論是在科研、實驗生產還是對物品的存儲都具有重要意義，而對濕度的準確檢測與控制就顯得尤為重要，特別對濕度要求較高的室內，如實驗室與倉庫等。一般提高檢測與控制的準確度的方法有選性能優良的元器件，對系統進行優化設計等。要有準確的控制首先要有準確的測量數據，本設計采用多個無線濕度傳感器節點對空間的多點位濕度進行測量，最后將這些測量數據進行匯總處理。通過無線濕度傳感器節點的合理分布，以及根據檢測數據合理放置濕度控制設備可有效的改善濕度檢測與控制的準確性，以此避免用單個傳感器的測量數據來控制濕度控制設備“以偏概全”帶來的測量誤差。相比有線的多點測量傳感器，無線傳感器安裝方便分布更廣，位置調整簡單，靈活多變，適合更大空間濕度的測量。

1 系統總體設計

本系統組成框圖如圖1所示。由無線濕度傳感器節點將采集到的濕度信號發送到接收模塊，經收發模塊對信號進行濾波放大、解調、再放大后送入單片機，單片機將信號處理后將測量數據送顯示電路由數碼管顯示。設定的濕度值由鍵盤輸入，由此與測量值產生的誤差信號作為單片機控制信號去控制加濕或去濕電路。本設計要求測量值與設定值的絕對誤差控制在3%RH以內，如超出此范圍單片機將發出報警信號給報警電路。本系統還可與上位機(PC機)通信，實現濕度數據的傳輸與打印及分析等功能，也能將報警信號傳輸給上位機。系統中的無線濕度傳感器節點模塊是根據實際的空間合理分布的，有多個功能相同的節點模塊，本框圖僅畫出一個。

圖1 濕度檢測與控制系統框圖

2 主要模塊設計

2.1 無線濕度傳感器節點

無線濕度傳感器節點的組成如圖2所示。它一般由濕度傳感器模塊、處理模塊、無線收發模塊和能量供應模塊這4部分組成。

濕度傳感器模塊（由濕度傳感器和模/數轉換器組成）負責監測區域內信息的采集和數據轉換；處理模塊（由嵌入式系統構成，包括CPU、存儲器、嵌入式操作系統等）負責控制整個傳感器節點的操作、存儲和處理本身采集的數據以及其他節點發來的數據；無線收發模塊 （由無線通信器件組成）負責與其他傳感器節點進行無線通信，交換控制消息和收發采集數據；能量供應模塊為傳感器節點提供運行所需的能量，通常采用微型電池。

圖2 無線濕度傳感器節點的組成

本設計中由于被監控區域是室內大空間，所以可以根據實際空間的情況來合理布置無線傳感器節點。如對于一個空間可以在六個面的中心部位及空間中心部位分別放置一個無線傳感器節點，如果空間比較大可以以每個面為中心多放些無線傳感器節點以提高測量準確度。

2.2 濕度檢測電路

本設計采用了無線濕度傳感器模塊，該模塊包含了濕度傳感器、A/D轉換器及無線收發模塊，這里主要介紹一下濕度的采集及轉換電路，其他如A/D轉換器電路、無線收發模塊、無線接收模塊就不作詳細介紹了。從無線濕度傳感器模塊發出的信號經接收模塊對信號進行濾波放大、解調、再放大后送入單片機，單片機將信號處理后將測量數據送顯示電路由數碼管顯示，從而檢測出環境的濕度。

HS1101濕度傳感器，在電路構成中等效于一個電容器件，其電容量隨著所測空氣濕度的增大而增大。電容值的變化轉為與之呈反比的電壓頻率信號，經A/D轉換器電路及無線收發模塊發送出去，經接收模塊對信號進行濾波放大、解調、再放大后送入單片機。

在電路中HS1101濕度傳感器接NE555電路的6和1腳，通過HS1101兩端的電容進行充放電，使NE555電路的3腳輸出為“1”或“0”，從而輸出一系列脈沖信號，當外界濕度變化時HS1101兩端的電容也發生變化使充放電時間改變所以使輸出脈沖的頻率發生變化。所以只要測出NE555電路的輸出頻率，并根據濕度與輸出頻率的關系就可以求出環境的濕度值。

2.3 濕度控制電路

本設計濕度控制電路采用固態繼電器SSR，當有輸入信號光電耦合器的光電三極管飽和導通從而使SSR中的雙向可控硅導通，所以其主回路呈導通狀態，電熱絲通電加熱。無信號時主回路呈阻斷狀態電熱絲斷電。整個器件無可動部件及觸點，可實現相當于常用電磁繼電器一樣的功能。

單片機端口輸出的PWM方波控制固態繼電器SSR的開斷，從而控制濕度控制設備的開斷頻率，控制電熱絲的通斷，以達到加熱目的。這里用的是電加熱式加濕器。除濕的原理類似，是用單片機的另外的端口控制另一個固態繼電器來實現。

3 系統程序流程圖

系統流程圖如圖3所示。

圖3 程序流程圖

4 測試結果與分析

本設計采用多個無線濕度傳感器節點對空間的多點位濕度進行測量，適合于大空間濕度的檢測控制，所以將該系統的設備在一個大的倉庫進行了測試。先將該倉庫分成東西兩個區，在每個區的中心位置放置該設備，然后對于東西二個空間六個面的四角和中心部位及空間中心部位分別放置一個無線傳感器節點，如圖4所示，圖中是每個面傳感器的放置位置，黑點為傳感器。一般的不大的空間在中心部位放置一個傳感器節點即可如圖5所示，如果空間較大可在中心部位多放幾個如圖6所示為空間中層傳感器節點的分布。

圖4 各面傳感器分布

圖5 中心傳感器分布

圖6 中心層傳感器分布

由于該倉庫用來存儲物品一般要求比較干燥，所以相對濕度控制在45%～55%RH，這里取中間值設定濕度為50%RH。下面表1是以東區為測試對象一天24小時不同時間點實測濕度的數據。

從以上數據來看濕度最大絕對對誤差在±3%RH以內，濕度控制符合要求，設備在此時間段內沒有發生報警。

表1 東區濕度顯示值

5 結論

根據以上檢測數據,濕度檢測及控制符合要求。本設計是通過無線濕度傳感器節點的合理分布處理大量的采集信息能夠提高檢測的準確度。除此之外，根據各監測點檢測數據來重新布置傳感器節點位置，使其在存儲物品的空間內最大范圍的分布節點，以及通過各監測點的檢測數據合理放置濕度控制設備都可以提高檢測的準確性。在實際使用時可根據實際空間的大小多分幾個層面放置傳感器節點，如圖4所示，可以相隔幾米設置一個類似層面；對于中心層面同樣根據房頂的高度放置幾層類似圖6的傳感器節點。對于各檢測點濕度分布不均的情況，如個別點位濕度較大可使除濕設備接近這些點位以求達到除濕的最好效果。由于大量采用無線濕度傳感器節點，在信號傳輸中容易受到干擾，所以要在這些節點模塊里設置合適的抗干擾電路，以提高檢測的準確性。