基于CC1101模塊的無線溫濕度監(jiān)測終端設(shè)計

李鵬

（湖北交通職業(yè)技術(shù)學院交通信息學院 湖北省武漢市 430079）

倉庫內(nèi)環(huán)境的溫濕度是直接影響所存儲物資保管質(zhì)量的重要因素[1]。傳統(tǒng)的倉儲系統(tǒng)對溫濕度的控制實時性較差，主要體現(xiàn)在對溫濕度的采集與溫濕度的控制系統(tǒng)之間閉環(huán)響應(yīng)速度不夠，而且溫濕度監(jiān)測裝置布線較為麻煩，可維護性與可擴展性較差。隨著時代的發(fā)展與社會的進步，倉儲系統(tǒng)也迎來了新的挑戰(zhàn)。如何精確高效的采集倉庫內(nèi)環(huán)境的溫濕度參數(shù)并傳送至主機或者管理員從而形成快速的閉環(huán)，具有重要的研究意義。基于此，設(shè)計了一款無線溫濕度監(jiān)測終端，它采用聚合物鋰電池供電、方便布線的同時能高效的傳輸數(shù)據(jù)。本文將通過系統(tǒng)總體組成，硬軟件部分的設(shè)計來介紹無線溫濕度監(jiān)測終端的設(shè)計。

1 系統(tǒng)與無線溫濕度監(jiān)測終端框架

溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)主要包括無線溫濕度監(jiān)測終端、無線智能網(wǎng)關(guān)和工控機。各終端通過SHT10 將溫濕度信號采集，終端內(nèi)單片機將采集到的數(shù)據(jù)按照通信協(xié)議打包之后通過CC1101 模塊發(fā)送到無線智能網(wǎng)關(guān)，智能網(wǎng)關(guān)將各個終端發(fā)送來的數(shù)據(jù)解析之后再打包發(fā)送到工控機。系統(tǒng)的框架如圖1所示。

圖1：系統(tǒng)總體框圖

2 無線終端硬件設(shè)計

無線溫濕度監(jiān)測終端采用STC15W4K56S4 單片機作為主控芯片，整個終端的主要組成部分為MCU 最小系統(tǒng)、CC1101 無線通信模塊、SHT10 溫濕度采集單元、無線終端地址編碼單元、電源單元。各個單元通過MCU 最小系統(tǒng)協(xié)調(diào)無線溫濕度監(jiān)測終端的整體硬件框圖如圖2所示。

圖2：無線溫濕度監(jiān)測終端的整體硬件框圖

2.1 MCU最小系統(tǒng)設(shè)計

MCU 最小系統(tǒng)作為整個系統(tǒng)的核心，主要有以下作用：配置CC1101 模塊、驅(qū)動SHT10 溫濕度模塊、對采集數(shù)據(jù)打包并按數(shù)據(jù)幀發(fā)送。終端采用的MCU 為國產(chǎn)STC15W4K56S4 單片機，該型號單片機是一種增強型的8051 內(nèi)核單片機，運算速度比普通8051內(nèi)核單片機快8-12 倍、具備2.5V～5.5V 的寬工作電壓、大容量的存儲器[2]。除此之外，外設(shè)也非常豐富，抗干擾能力也很強，在本應(yīng)用場合是一個較為理想的主控芯片。最小系統(tǒng)與外圍電路如圖3所示。

圖3：單片機最小系統(tǒng)與外圍電路圖

2.2 溫濕度采集單元設(shè)計

針對溫濕度的測量，綜合各方面因素，本設(shè)計選用了SHT10傳感器，該傳感器集環(huán)境溫度、濕度測量于一體，在精度要求不高的場合是一種非常理想的選擇，具有成本低、穩(wěn)定性好的特點。每個SHT1X 系列的傳感器都經(jīng)過精確的校準，可以為后期的調(diào)試節(jié)省精力。此外，其工作電壓也是寬范圍（2.5V～5.5V），外圍電路也很簡單，無需額外的信號調(diào)理電路，所占的PCB 尺寸也較少，非常適用于各類移動終端。其對外的接口為兩線雙向的串行接口，易于被單片機控制，單片機可以通過此接口向SHT10 發(fā)送不同的指令進而測量溫度和濕度，SHT10 與單片機接口電路如圖4所示。

圖4：SHT10 接口電路圖

2.3 無線通信單元

無線通信的方式有很多，本終端和相對應(yīng)的智能網(wǎng)關(guān)之間數(shù)據(jù)的收發(fā)均采用工業(yè)級CC1101 模塊實現(xiàn)。該模塊的核心為TI 公司的CC1101 芯片。CC1101 是一種單片低成本的Sub-1GHzRF 收發(fā)芯片，工作頻段可調(diào)，主要工作于315/433/868/915MHz、ISM/SRD頻段。數(shù)據(jù)傳輸速率可達500kbps，發(fā)射功率最大10mW，發(fā)射功率也可根據(jù)需要通過軟件調(diào)節(jié)，此外還有多種調(diào)制模式可設(shè)置。鑒于低頻段信號波長較長、信號繞射能力好等特點[3]。本設(shè)計中采用的433MHz 作為基頻。同時，該芯片具有4 線SPI 接口，單片機可通過該SPI 接口來配置CC1101 的工作模式以及發(fā)送和接受數(shù)據(jù)。此外，鑒于該芯片需要配置的寄存器太多，而且參數(shù)配置復雜，可借助于SmartRFStudio 7 來簡化以上工作。CC1101 無線模塊與接口電路如圖5所示。

圖5：CC1101 模塊與接口電路圖

2.4 地址編碼單元

無線智能網(wǎng)關(guān)和各個無線溫濕度監(jiān)測終端之間形成了一個星型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)[4]。為了方便上位機的管理、以及設(shè)備靈活的組網(wǎng)，因此需要對各個無線溫濕度監(jiān)測終端設(shè)定一個地址或者編號（ID），本單元利用編碼開關(guān)和若干電阻實現(xiàn)了地址編碼的功能，其電路圖如圖6所示。

圖6：地址編碼單元電路圖

2.5 電源單元

終端采用聚合物鋰電池供電，鋰電的電壓為3.7V，CC1101 模塊承載電壓超過3.6V 會被燒壞。為保證整個終端安全穩(wěn)定的工作，故而將系統(tǒng)電壓設(shè)定為3.3V。一般的LDO 芯片壓降偏大，在這里選用的電源管理芯片為RT8059，它是一款高效率的DC/DC 轉(zhuǎn)換芯片，具有2.5V～5.5V 的寬電壓輸入，是一款非常適用于單節(jié)鋰電的電源管理芯片。電源單元電路圖如圖7所示，可通過調(diào)整R1、R2的阻值調(diào)節(jié)輸出電壓。

圖7：電源單元電路圖

3 軟件設(shè)計

軟件部分采用C 語言層次化、模塊化的完成了無線溫濕度檢測終端的固件程序設(shè)計[5]。將整個工程分成了硬件層、中間層、應(yīng)用層。按照功能模塊又分成了初始化模塊、設(shè)備自檢模塊、溫濕度數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)打包模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送等模塊。程序的工作流程如圖8所示。

圖8：程序流程圖

無線終端開機后首先調(diào)用初始化模塊進行各單元的初始化，以及對CC1101 模塊進行配置。初始化完成后進入設(shè)備自檢階段，本階段主要對終端中相應(yīng)的硬件單元檢測，以確保系統(tǒng)正常運行，自檢通過后讀取撥碼開關(guān)設(shè)置的節(jié)點地址并存儲，然后進入周期性的溫濕度測量階段，采集到溫濕度數(shù)據(jù)后和節(jié)點地址組成數(shù)據(jù)幀發(fā)送至無線智能網(wǎng)關(guān)。

4 小結(jié)

基于CC1101模塊的無線溫濕度監(jiān)測終端采用低成本的單片機、傳感器、無線通信某塊實現(xiàn)了溫濕度的監(jiān)測。同傳統(tǒng)的倉儲管理方式相比，節(jié)省成本的同時還可以顯著的提高效率。此外，本終端采用電池供電和無線通信的方式傳輸數(shù)據(jù)，也可以為施工和運維帶來便利，具有一定的實用價值。存在的不足是CC1101的傳輸距離有限，若監(jiān)測范圍較大，需要額外的無線智能網(wǎng)關(guān)或中繼，這也是今后有待改進的地方。