基于RFID的控制柜降溫除濕系統設計與實現

王娟 張爾東 于廣艷

（哈爾濱石油學院 黑龍江省哈爾濱市 150029）

1 緒論

經市場調研發現，目前并沒有生產單位可以為設備運維單位提供專用穩定性比較高的設備，這也是讓運維單位最痛苦的問題。而且按照發電站領導要求一旦需要應急降溫的時候，必須要有專人看守，有時候天氣比較惡劣的時候，運維人員必須要把風扇搬回屋內[1]。為了可以幫助運維單位解決這個問題，設計一個基于RFID 的控制柜降溫除濕裝置。

2 系統總體方案的設計

設計的基于RFID 的控制柜降溫除濕裝置其主要功能就是通過RFID 射頻無線通信模塊NRF24L01 完成信息的交互，其主要信息包括控制柜內的溫濕度參數和一些特定的輔助功能包括將采集到的溫濕度進行實時顯示，按鍵設定控制柜內的參數閾以及報警功能[2]。這些功能都通過主控制器STM32F103 進行邏輯控制，如圖1所示主要研究了系統整體結構。

系統方框圖簡述：其主控制器就是STM32F103RCT6 單片機，外圍是一些輔助電路包括時鐘振蕩電路、復位電路以及各種外部接口構成單片機最小系統。實現采集功能的電路包括有溫濕度采集功能，為了用戶增加別的需求預留了I/O 口。數據的無線通信模塊是通過NRF24L01 模塊完成的，該無線模塊的原理是射頻。無線模塊接收到信息后會在顯示器上顯示供控制中心的人查看。然后控制柜上的顯示器也會將采集到的數據在控制柜上顯示，供巡邏的人查看。按鍵時用來讓變電站工作人員進行參數閾值設定的，保證控制柜內的環境參數不會超過設定的范圍。控制柜內的調節裝置調節不了的時候則發出報警[3]。

3 系統硬件電路的設計

3.1 主控制器電路的設計

選擇使用的主控制器是STM32F103RCT6，有32 位的處理器，工作頻率最高可達72M，有非常豐富的存儲功能?？梢允荝AM、ROM、Flash 存儲器，本文需要一個比較大的程序存儲器，而STM32F103RCT6 內部FLASH 有256K，并且其I/O 口數量達到100 以上，屬于發展比較迅速的ARM 處理器。開發難度較低，并可以在復雜的控制領域進行使用[4]。

3.2 NRF24L01模塊電路

接收模式下NRF24L01 模塊可以接收最多6 路的信息，這幾個通路需要被配置為不同的地址，在進行數據通信的時候使用同一個頻段。這個配置就是說可以將6 個NRF24L01 模塊配置為發送模式，然后一個配置為接收模式，這個接收模式的模塊可以同時與這6 個模塊進行通信，在進行數據接收的時候會對這6 個發射端進行識別。發射模式下只要主控制器將數據發送過來，NRF24L01 模塊就會啟動增強ShockBurs 模式來完成數據發送[9]。當數據發送完畢后緊接著會進入接受模式，接收對方的應答信號，如果沒有接收到對方的應答信號，則證明發送失敗，該模塊會繼續發送信息[5]。

圖1：系統結構框圖

3.3 顯示電路的設計

本文選擇的顯示器是目前比較流行的顯示屏LCD1602，該顯示屏主要的控制引腳包括使能端、讀寫、數據指令端、數據端，這些引腳都是需要與控制器進行連接的，主控制器可以根據該顯示屏的讀寫時序進行程序的開發，然后就可以控制數據的顯示。

3.4 溫濕度采集電路的設計

為了了解變電站控制柜內的溫度濕度的情況?，F在比較常用的精度比較高的溫濕度傳感器就是DHT11。這種傳感器的不需要主控制器進行AD 轉換，其內部就可以完成數據的轉換，然后通過單總線的方式將數字量上傳到控制器，所以數據的采集比較簡單。

3.5 調節電路設計

為了保證控制柜內部的環境參數在工作人員設定的范圍內，本次設計在控制柜降溫除濕系統中設計了溫度濕度調節裝置。由于這些裝置設備功率比較小，所以對這些設備的控制不是直接通過控制器的IO 口來完成的，是通過加繼電器的方式其原理就是利用繼電器線圈勵磁產生電磁力對繼電器開關接點進行控制。從而間接對這些設備進行控制?？梢栽谶@個閉合回路里加上加熱器除濕，利用繼電器輔助接點對加熱器開關進行控制[6]。

3.6 鍵盤電路的設計

設計的基于RFID 的控制柜降溫除濕裝置中，按鍵的主要功能是讓變電站工作人員在變電站開始工作時，對控制柜內的溫度、濕度的極限值進行設定。由于本次設計選擇使用的是獨立按鍵，所以其相互之間都是獨立工作的，本文設計的按鍵電路時將其一端與地進行連接，另一端與主控制器進行連接，主控制器在正常工作的時候其IO 口都是高電平，但是按鍵一旦按下對應的IO 口就會被拉低，控制器檢測到電平的變化就會知道按鍵被按下，然后執行其控制的功能。

3.7 下載電路的設計

RS-232 作為現在比較流行的串行通信手段，因較簡單的通信方式所以被很多的地方都使用，這種串行通信接口在單片機中主要是被用來進行程序燒寫的，另外有串口之間輸出的電平是不被識別的，所以需要進行電平的變化，在微控制器中比較常用的就是MAXS3，由于其比較穩定的輸出電平，而被廣泛的使用，盡管這種通信方式的速率不是很快，但單片機程序的燒寫也用不到那么快的速率，所以用該通信方式是非常合適的。

3.8 報警電路的設計

在本文設計的系統當中報警電路主要是為了保證在當降溫除濕系統不能調節控制柜內的溫度濕度參數在設定范圍內時，會發出警報提醒工作人員。

4 系統軟件設計

根據設計完成的控制柜降溫除濕系統的功能，需要進行軟件程序的開發，而且程序設計是否嚴謹對于后續的系統的功能穩定是非常有幫助的，所以在正式進行軟件開發之前需要對主程序及各個子程序的執行流程進行設計。

4.1 主程序流程

該本文主要介紹的是基于RFID 的控制柜降溫除濕裝置的設計，通過按鍵對控制柜內的溫度、濕度進行設定。設計思路：用戶可通過按鍵選擇設置溫度、濕度參數，該裝置會實時采集控制柜內的這些參數的值通過NRF24L01 模塊發送同時會通過顯示器顯示出來，一旦控制柜內的參數不能控制在工作人員設定的范圍內就會發出報警[7]。

4.2 RFID主模塊通信流程

基于RFID 的無線模塊進行數據的傳輸時，是通過主從的模式進行數據控制的，主機主要是在現場進行工作，將主控制器采集到的數據通過主機通信模塊上傳到從機，其主要的工作流程為對通信模塊進行初始化，然后識別是否有采集到的數據需要上傳，有則發送傳輸指令給從機，然后完成數據的傳輸[8]。

5 系統測試與分析

本章主要是對設計完成的系統的硬件電路進行焊接，然后對軟件進行在線調試，以驗證設計完成的控制柜降溫除濕系統是否滿足設計要求功能是否可以全部實現。

5.1 系統焊接

完成控制柜降溫除濕裝置的軟件設計之后，需要對硬件部分進行焊接，主要包括對STM32 最小系統的焊接以及溫濕度采集電路、無線通信模塊、按鍵、顯示器的設計，這些硬件模塊都需要焊接在同一塊電路板上，因此各個元件之間相對比較密集，焊接者在電路焊接的時候如果不注意就會出現線路的斷路或者是短路情況，而這些情況的存在小則會導致系統工作不正常，大則會導致系統直接被燒毀。為了可以對這些問題加以防范，所以在進行電路板上電之前，設計者應該仔細觀察電路圖，然后用萬能表對所有的線路進行檢測，以保證焊接精準準確無誤。系統焊接檢測完成后，對設計的控制柜降溫除濕系統上電，調試結果如圖2所示。

圖2：實物調試圖

6 結論

本次設計對設計控制柜降溫除濕裝置的原因做了介紹，在此基礎上設計了基于RFID 的控制柜降溫除濕裝置，該裝置采集部分主要用到的技術是傳感器技術、模數轉換技術等。設計的難點是RFID 無線通信技術，由于要對高速的數據進行操作，對主控制器要求比較苛刻，不僅要求其操作速度快，而且要求其內部集成有比較大的程序存儲器FLASH，才能保證在采集的過程中數據不會丟失。