分布式遠(yuǎn)程溫濕監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘? 要：文中提出的分布式遠(yuǎn)程溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要由51單片機(jī)、DHT11溫濕度傳感器、NRF905無(wú)線傳輸模塊等構(gòu)成，其中51單片機(jī)是監(jiān)控系統(tǒng)的控制核心。綜合運(yùn)用傳感器技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)，利用安放在分布節(jié)點(diǎn)的溫濕度傳感器對(duì)周?chē)h(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)?1單片機(jī)，達(dá)到全方位監(jiān)控溫濕度環(huán)境的目的，同時(shí)克服傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布線困難，傳輸距離受限等缺點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：51單片機(jī);溫濕度傳感器;NRF905;分布節(jié)點(diǎn)

中圖分類號(hào)：TP274? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2021）01-0164-04

Design of Distributed Remote Temperature and Humidity Monitoring System

LIN Junping

（Fujian Chuanzheng Communications College，F(xiàn)uzhou? 350007，China）

Abstract：The distributed remote temperature and humidity monitoring system design proposed in this paper is mainly composed of 51 single chip microcomputer ，DHT11 temperature and humidity sensor，NRF905 wireless transmission module，among them 51 single chip microcomputer is the control core of monitoring system. Through comprehensive adopting of sensor technology and wireless communication technology，using the temperature and humidity sensor which are installed in the distributed nodes to collect the surrounding environment data，and transmit the collected data to 51 single chip microcomputer，so as to achieve the goal of all-round monitoring of temperature and humidity of environment，and overcomes the shortcoming that the traditional monitoring system has difficulties in arrangement of wires and is limited in transmission distance.

Keywords：51 single chip microcomputer;temperature and humidity sensor;NRF905;distributed nodes

0? 引? 言

目前，高校的實(shí)驗(yàn)室、企業(yè)的機(jī)房或設(shè)備房為了避免設(shè)備出現(xiàn)故障，設(shè)備溫度過(guò)高發(fā)生火災(zāi)，通常需要安排人工值班看守。筆者從事計(jì)算機(jī)，電子信息專業(yè)教學(xué)工作多年，并指導(dǎo)學(xué)生專業(yè)實(shí)踐教學(xué)，根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)提出本文的分布式遠(yuǎn)程溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，可應(yīng)用在高校或企業(yè)的實(shí)驗(yàn)室或設(shè)備房，通過(guò)溫濕度采集模塊采集多地點(diǎn)的環(huán)境溫濕度，通過(guò)NRF905無(wú)線傳輸模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控端，通過(guò)顯示模塊顯示不同位置的溫濕度，工作人員根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)做出相應(yīng)的分析和處理，無(wú)須現(xiàn)場(chǎng)操作，就可實(shí)現(xiàn)同時(shí)監(jiān)控不同位置的環(huán)境溫濕度。傳統(tǒng)的溫濕度測(cè)量技術(shù)基于有線電纜，且測(cè)量方法主要為手工測(cè)量，采集數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確，測(cè)量精度受到限制，設(shè)備部署實(shí)施困難且不易實(shí)現(xiàn)智能化。

文中提出的系統(tǒng)所涉及技術(shù)的部署方法簡(jiǎn)單，節(jié)點(diǎn)可被大規(guī)模安裝，采集到溫濕度數(shù)據(jù)的同時(shí)還可以起到預(yù)警和監(jiān)測(cè)的作用，包括對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)警以及對(duì)檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的人類和動(dòng)物活動(dòng)規(guī)律的檢測(cè)，為大范圍的采集與監(jiān)測(cè)環(huán)境中的溫濕度數(shù)據(jù)提供了可能[1]。

1? 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)分布式遠(yuǎn)程溫濕度監(jiān)控功能，它是運(yùn)用51單片機(jī)作為控制核心，DHT11溫濕度傳感器作為數(shù)據(jù)采集模塊，NRF905無(wú)線傳輸模塊作為輔助器件的應(yīng)用系統(tǒng)。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)原理框圖如圖1所示。

系統(tǒng)總體構(gòu)成主要包括硬件部分和軟件部分。

1.1? 硬件部分

本分布式遠(yuǎn)程溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的硬件部分主要是由：51單片機(jī)控制單元、DHT11溫濕度檢測(cè)模塊、NRF905無(wú)線傳輸模塊與接口和電源部分、LCD12864液晶顯示器、報(bào)警模塊等幾大部分組成。利用51單片機(jī)控制DHT11溫濕度檢測(cè)模塊采集溫濕度，利用NRF905無(wú)線傳輸模塊進(jìn)行發(fā)射和接收，具體實(shí)現(xiàn)功能有：

（1）通過(guò)安放在分布節(jié)點(diǎn)的溫濕度傳感器對(duì)周?chē)h(huán)境的溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

（2）將采集到的溫濕度數(shù)據(jù)通過(guò)NRF905傳輸給51單片機(jī)。

（3）接收端通過(guò)LCD12864顯示數(shù)據(jù)，當(dāng)溫濕度達(dá)到警戒值時(shí)蜂鳴器將進(jìn)行報(bào)警。

1.2? 軟件部分

軟件設(shè)計(jì)部分主要由：數(shù)據(jù)分析部分、無(wú)線通信部分、分析控制部分、顯示部分構(gòu)成。

2? 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1? 系統(tǒng)控制核心硬件設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)的系統(tǒng)控制核心采用單片機(jī)最小控制系統(tǒng)，即應(yīng)用最少的器件使得51單片機(jī)運(yùn)行起來(lái)的最小電路系統(tǒng)。最小系統(tǒng)中包含有時(shí)鐘源電路、復(fù)位電路、電源、51單片機(jī)主芯片、程序下載電路、I/O口的負(fù)載電路，原理圖如圖2所示。

2.2? 溫濕度傳感器

設(shè)計(jì)中選用DHT11溫濕度傳感器，該傳感器采用專業(yè)的數(shù)字模塊采集技術(shù)與溫濕度傳感技術(shù)，利用單一總線的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行傳輸，時(shí)間約為4 ms，一次數(shù)據(jù)傳輸為40 bit，它能將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，與其他產(chǎn)品相比具有很高的穩(wěn)定性與可靠性，它的典型應(yīng)用如圖3所示。

具體特點(diǎn)有：

（1）DHT11溫濕度傳感器中具有一個(gè)高性能的8位單片機(jī)，對(duì)所采集到的溫度與濕度數(shù)據(jù)能進(jìn)行快速響應(yīng)與處理，同時(shí)還具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

（2）DHT11溫濕度傳感器內(nèi)含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)，其校準(zhǔn)系數(shù)十分精確，并且存放在OTP內(nèi)存中，在內(nèi)部檢測(cè)型號(hào)處理時(shí)需要調(diào)用到這些校準(zhǔn)系數(shù)。

（3）DHT11溫濕度傳感器具有一線制的串行接口，因此該溫濕度傳感器在與51單片機(jī)進(jìn)行通信時(shí)僅僅需要一個(gè)I/O口，這樣使系統(tǒng)整體集成變得簡(jiǎn)潔。

（4）DHT11溫濕度傳感器具有體積小、功耗低等特點(diǎn)[2]。正是由于低功耗、小體積，信號(hào)傳輸距離較遠(yuǎn)的特點(diǎn)，才讓它成為各類應(yīng)用場(chǎng)所最佳選擇。

2.3? NRF905模塊

針對(duì)有線連接方式不易安裝這一點(diǎn)，無(wú)線連接方式優(yōu)勢(shì)凸顯，我們使用無(wú)線通信方式對(duì)采集到的溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送與接收。本設(shè)計(jì)采用的無(wú)線通信模塊是由挪威Nordic VLSI公司推出的單片射頻發(fā)射器芯片——NRF905。

NRF905無(wú)線收發(fā)模塊是RTU和主機(jī)的一個(gè)共同模塊，為其獨(dú)立設(shè)計(jì)一個(gè)接口電路板，有利于產(chǎn)品的批量生產(chǎn)。模塊帶有標(biāo)準(zhǔn)的SPI總線接口，通過(guò)SPI接口和一些控制信號(hào)線與MCU交互，MCU的4個(gè)I/O口與NRF905的SPI接口相連實(shí)現(xiàn)對(duì)NRF905進(jìn)行讀寫(xiě)[3];NRF905模塊與51單片機(jī)的接線原理圖如圖4所示。

2.4? 顯示電路設(shè)計(jì)

分布式遠(yuǎn)程溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)利用LCD12864液晶模塊進(jìn)行顯示。電源可使用的范圍為3 V～5 V（內(nèi)置升壓電路，無(wú)須負(fù)壓），由于有涉及到畫(huà)曲線，因此采用8位并行與MCU連接。VR1腳接電位器，可以調(diào)節(jié)亮度，如圖5所示。

2.5? 報(bào)警電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)報(bào)警模塊是利用蜂鳴器作為警報(bào)，當(dāng)蜂鳴器P3.7= 1時(shí)，Q1導(dǎo)通，蜂鳴器就會(huì)發(fā)出警報(bào)聲。當(dāng)蜂鳴器P3.7=0時(shí)，Q1不導(dǎo)通，蜂鳴器就不發(fā)出警報(bào)聲。在溫濕度數(shù)據(jù)超過(guò)額定要求范圍時(shí)，可以作為報(bào)警提醒，其中蜂鳴器電路圖如圖6所示。

3? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1? 接收模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采集的是兩路信號(hào)，上電后分別對(duì)LCD液晶顯示器和NRF905無(wú)線傳輸模塊進(jìn)行初始化，然后配置NRF905為接收模式，等待采集節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的無(wú)線數(shù)據(jù)，只要其中任何一路一旦接收到數(shù)據(jù)，則接收到的數(shù)據(jù)就會(huì)顯示到LCD顯示屏上，如果溫度數(shù)據(jù)大于警戒閾值，則啟動(dòng)蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警。之后進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)，開(kāi)始等待無(wú)線數(shù)據(jù)。接收模塊流程圖如圖7所示。

3.2? 發(fā)送模塊設(shè)計(jì)

上電后對(duì)NRF905進(jìn)行初始化，配置無(wú)線模塊NRF905的寄存器，然后開(kāi)始循環(huán)監(jiān)測(cè)溫濕度。節(jié)點(diǎn)首先通過(guò)DHT11溫濕度傳感器進(jìn)行讀取溫濕度數(shù)據(jù)，然后配置NRF905無(wú)線傳輸模塊為發(fā)送模式，監(jiān)測(cè)NRF905無(wú)線模塊的CD引腳，若為高電平表示有數(shù)據(jù)正在發(fā)送，此時(shí)進(jìn)入延時(shí)等待，如若是低電平則將當(dāng)前數(shù)據(jù)發(fā)送出去，然后準(zhǔn)備進(jìn)入下一輪循環(huán)。發(fā)送模塊流程圖如圖8所示。

3.3? 液晶顯示程序設(shè)計(jì)

上電后需判斷LCD液晶顯示器是否忙碌，如若忙碌則繼續(xù)進(jìn)行判斷，直到不忙碌為止。如若不忙碌則開(kāi)始寫(xiě)指令，寫(xiě)數(shù)據(jù)，設(shè)置顯示后進(jìn)行初始化，初始化后LCD液晶顯示器進(jìn)行顯示。液晶顯示程序流程圖如圖9所示。

3.4? 溫濕度采樣程序設(shè)計(jì)

對(duì)于溫度濕度的控制，當(dāng)溫濕度高于或者低于設(shè)定值時(shí)，警報(bào)都會(huì)進(jìn)行報(bào)警。上電后進(jìn)行初始化，DHT11溫濕度傳感器將采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)入數(shù)據(jù)處理模塊。溫濕度采樣程序流程圖如圖10所示。

4? 結(jié)? 論

隨著自然科學(xué)的快速發(fā)展，新技術(shù)、新理念不斷涌現(xiàn)，將無(wú)線通信技術(shù)與傳感器相結(jié)合在溫濕度監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，文中提出的設(shè)計(jì)方法，與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法相比，可以提高數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性，解決傳統(tǒng)有限設(shè)備部署實(shí)施困難，傳輸距離受限等問(wèn)題，但是在實(shí)際應(yīng)用中還存在不足，無(wú)線傳輸方式單一，需要進(jìn)一步改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：林君萍（1984—），女，漢族，福建福州人，講師，碩士研究生，研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用、數(shù)據(jù)挖掘與分析。