溫濕度無線傳輸系統(tǒng)

1、參賽作品：溫濕度無線傳輸系統(tǒng)作者單位：廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院設(shè) 計(jì) 者：侯耀鈞   黃羽斌   章進(jìn)順指導(dǎo)教師：丘社權(quán) 摘要   本設(shè)計(jì)以AT89S52單片機(jī)為核心，采用無線收發(fā)模塊，由軟件設(shè)定一種結(jié)構(gòu)簡潔的數(shù)據(jù)傳輸通信協(xié)議，組合成一個(gè)低功耗無線溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由一個(gè)中心站和一個(gè)基站組成。其中主要用溫度與濕度傳感器采集數(shù)據(jù)，單片機(jī)處理，由無線收發(fā)芯片向中心站傳輸，中心站通過單片機(jī)對溫濕度進(jìn)行監(jiān)控，并用液晶顯示器顯示，可通過鍵盤設(shè)置溫濕度報(bào)警閾值。一旦出現(xiàn)跳閾，系統(tǒng)就會發(fā)出警告。采用這種測量方案，不必敷設(shè)電纜，節(jié)省了費(fèi)用和時(shí)間。實(shí)踐

2、證明該系統(tǒng)體積小、精度較高、數(shù)據(jù)傳輸可靠性高、功耗低、功能易擴(kuò)展，適用于林區(qū)、實(shí)驗(yàn)室、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、倉庫等多種應(yīng)用領(lǐng)域。 關(guān)鍵詞：單片機(jī)、無線收發(fā)、通信協(xié)議、監(jiān)測系統(tǒng)引言   溫度、濕度是倉庫、實(shí)驗(yàn)室、氣象、國防、和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等應(yīng)用領(lǐng)域的主要環(huán)境參數(shù)，對其進(jìn)行自動、準(zhǔn)確的測量具有重要意義。對于環(huán)境溫濕度的監(jiān)控，如果采用人工定時(shí)測量，不但要耗費(fèi)大量的人力，而且，不夠做到實(shí)時(shí)監(jiān)控，特別對溫濕度突變要求很嚴(yán)格環(huán)境，可能就會造成不必要的結(jié)果。對于這樣的環(huán)境，我們采用無線電子設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控，降低了網(wǎng)絡(luò)的布線成本，而且體積小、精度較高、數(shù)據(jù)傳輸可靠性高、功耗低、功能易擴(kuò)展。目前，市場上出現(xiàn)了美

3、國PointSix公司生產(chǎn)的無線高精度溫濕度監(jiān)測儀WOW和離線式溫濕度記錄儀ILogger-THT;國內(nèi)的北京昆侖海岸傳感技術(shù)中心也開發(fā)出智能網(wǎng)絡(luò)型環(huán)境溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)。然而，目前市面上的這些監(jiān)測設(shè)備價(jià)格十分昂貴，限制了它的使用。針對上面所述問題，設(shè)計(jì)了基于AT89S52單片機(jī)的低功耗無線溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括一個(gè)中心站和一個(gè)基站，其中基站能夠采集溫濕度的數(shù)據(jù)，通過低功耗的無線射頻收發(fā)模塊向中心站發(fā)送數(shù)據(jù)，將無線收發(fā)芯片與單片機(jī)系統(tǒng)相結(jié)合，采用抗干擾能力強(qiáng)的射頻收發(fā)芯片實(shí)現(xiàn)無線遠(yuǎn)程通信，并對數(shù)據(jù)傳送進(jìn)行監(jiān)控，提高了系統(tǒng)的可靠性。用戶還可以通過鍵盤設(shè)定的報(bào)警閾值，如果超限則通過報(bào)警器報(bào)警。該低

4、功耗無線溫濕度傳輸系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、應(yīng)用方便、成本低、工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)它具有擴(kuò)展功能，容易實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)多參數(shù)無線遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集。1 總體方案設(shè)計(jì)  該系統(tǒng)分為兩個(gè)大模塊：基站采集并發(fā)送數(shù)據(jù)模塊、中心站接收數(shù)據(jù)并監(jiān)控模塊。1.1基站設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)基站功能包括：采集濕度、溫度數(shù)據(jù)，將這兩路數(shù)據(jù)按照預(yù)先設(shè)定的時(shí)間間隔通過無線方式傳送給中心站。根據(jù)這些要求，該基站原理圖如圖1所示。   該基站以單片機(jī)AT89S52為核心來實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲、控制無線收發(fā)芯片工作狀態(tài)等功能。1.2中心站設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)中心站功能包括：接收數(shù)據(jù)、液晶顯示數(shù)據(jù)、鍵盤設(shè)置參數(shù)和蜂鳴監(jiān)控系統(tǒng)。根據(jù)這

5、些要求，該中心站原理圖如下所示（圖2）。 該中心站以單片機(jī)AT89S52為核心，由無線收發(fā)芯片收發(fā)數(shù)據(jù)，鍵盤模塊設(shè)置報(bào)警系統(tǒng)的參數(shù)，從而監(jiān)控基站溫濕度的工作，并由液晶顯示模塊顯示數(shù)據(jù)，一旦溫濕度超出設(shè)置的參數(shù)，蜂鳴報(bào)警系統(tǒng)就會響應(yīng)。2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)3.1  協(xié)議設(shè)計(jì)本作品軟件設(shè)計(jì)中首要解決的問題是基站與中心站之間的數(shù)據(jù)傳輸方式、保持同步的傳輸協(xié)議。首先對本作品功能分析得出，初步作品實(shí)現(xiàn)的功能在于基站向中心站發(fā)送采集的溫濕度數(shù)據(jù)，所以先采用通信電子中的單工通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。結(jié)構(gòu)示意圖如下： 在此單工通信方式下，必須設(shè)定一種基本的兩機(jī)通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)兩機(jī)間的數(shù)據(jù)傳輸。

6、這里稱為¬自定義數(shù)據(jù)通信協(xié)議。這里所說的數(shù)據(jù)協(xié)議是建立在物理層之上的通信數(shù)據(jù)包格式。所謂通信的物理層就是指我們通常所用到的RS232、RS485、紅外、光纖、無線等等通信方式。本作品使用的便是無線收發(fā)的通信方式。在這個(gè)層面上，底層軟件提供兩個(gè)基本的操作函數(shù)：發(fā)送一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)、接收一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)。所有的數(shù)據(jù)協(xié)議全部建立在這兩個(gè)操作方法之上。通信中的數(shù)據(jù)往往以數(shù)據(jù)包的形式進(jìn)行傳送的，我們把這樣的一個(gè)數(shù)據(jù)包稱作為一幀數(shù)據(jù)。類似于網(wǎng)絡(luò)通信中的TCP/IP協(xié)議一般，比較可靠的通信協(xié)議往往包含有以下幾個(gè)組成部分：幀頭、地址信息、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)塊、校驗(yàn)碼、幀尾。本作品數(shù)據(jù)信號傳輸采用的通信

7、協(xié)議主要由以下幾部分組成：引導(dǎo)碼、原數(shù)據(jù)、原數(shù)據(jù)反碼、校驗(yàn)、結(jié)束碼。我們可以通過圖11示例直觀的了解本設(shè)計(jì)的基本通信協(xié)議方式。圖11  傳輸數(shù)據(jù)整體合成引 導(dǎo) 碼:要進(jìn)行發(fā)射數(shù)據(jù)前要先發(fā)引導(dǎo)碼，當(dāng)接收機(jī)受到正確的引導(dǎo)碼后就會準(zhǔn)備數(shù)據(jù)的接收。數(shù)據(jù)原碼:確定接收的引導(dǎo)碼后發(fā)送數(shù)據(jù)原碼。數(shù)據(jù)反碼:發(fā)送完原碼緊接著發(fā)送數(shù)據(jù)反碼。校    驗(yàn):在接收機(jī)端，將接收到的原碼和反碼進(jìn)行對比確定數(shù)據(jù)是否受到噪音干擾。結(jié) 束 碼:一楨數(shù)據(jù)信號傳輸結(jié)束標(biāo)志。編碼思路：因?yàn)闊o編碼收發(fā)模塊只能收發(fā)電平信號，進(jìn)行通信時(shí)要軟件編碼，而單片機(jī)的外部中斷中可以用邊沿觸發(fā)中斷，所以考慮用外

8、部中斷來實(shí)現(xiàn)編碼。將接收模塊的數(shù)據(jù)腳與接收機(jī)的P3.2腳連接，而發(fā)射模塊與發(fā)射機(jī)的I/O口連接。對發(fā)射機(jī)編程，使與發(fā)射頭相連的I/O口產(chǎn)生周期為8ms的矩形波從而產(chǎn)生了引導(dǎo)碼，接收機(jī)的P3.2腳遇到負(fù)跳變時(shí)向CPU請求中斷，中斷服務(wù)程序進(jìn)行解碼，并置數(shù)據(jù)接收位有效，準(zhǔn)備數(shù)據(jù)接收。當(dāng)產(chǎn)生周期為1ms的矩形波時(shí)，接收機(jī)解碼并辨別數(shù)據(jù)類型為邏輯“0”存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，當(dāng)產(chǎn)生0.5ms低電平1ms高電平的矩形波時(shí)，接收機(jī)解碼為邏輯“1”并存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。數(shù)據(jù)傳輸時(shí)可能會因外界因素影響而出錯(cuò)，為了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，想到了數(shù)據(jù)反碼的校驗(yàn)，當(dāng)傳完數(shù)據(jù)后就接著傳數(shù)據(jù)的反碼，最后等所有信號傳輸完畢后接收機(jī)就對接收

9、回來的信息進(jìn)行校驗(yàn)處理。圖12是對數(shù)據(jù)中引導(dǎo)碼、邏輯“1”、 邏輯“0”的電平表示的示意圖。圖12  幾種單元信號說明   以上給出的是本作品通信系統(tǒng)運(yùn)作的基本雛形，雖然簡單，但是可行。實(shí)際的通信系統(tǒng)中協(xié)議比這個(gè)要復(fù)雜，而且涉及到數(shù)據(jù)包響應(yīng)、命令錯(cuò)誤、延時(shí)等等一系列的問題，在這樣的一個(gè)基礎(chǔ)上可以克服這些困難并且實(shí)現(xiàn)出較為穩(wěn)定可靠的系統(tǒng)。 在實(shí)際系統(tǒng)中，問題會出現(xiàn)在任何地方，有些特別的問題需要特別的方法才能夠?qū)ΥＨ绾螌?shí)現(xiàn)一個(gè)強(qiáng)壯的通信系統(tǒng)還需要繼續(xù)深入的研究。接下去圍繞確定的通信方式，我們繼續(xù)基站和中心站的軟件設(shè)計(jì)。3.2基站軟件設(shè)計(jì) 

10、0; 基站的主要功能是采集溫濕度并將齊調(diào)制成數(shù)字信號發(fā)射出去?；拒浖O(shè)計(jì)主要就是從這三個(gè)功能入手。首先構(gòu)造這三個(gè)功能的主要流程圖（圖13）如下：圖13站主程序接著設(shè)計(jì)主程序中的溫度采集發(fā)送子程序。本設(shè)計(jì)硬件電路中采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20。該集成電路能將采集的模擬量直接轉(zhuǎn)換成串行傳輸?shù)臄?shù)字量。單片機(jī)的主要作用就是接收這部分?jǐn)?shù)字信號，再利用編好的通信協(xié)議在原始數(shù)據(jù)上加入引導(dǎo)碼反碼等進(jìn)行發(fā)送。溫度采集軟件設(shè)計(jì)子程序流程圖如下：圖14 溫度采集流程圖采集完溫度后是調(diào)用濕度信號采集子程序。硬件電路設(shè)計(jì)中，濕度傳感器是模擬信號的采集。由于單片機(jī)只采集數(shù)字信號，所以設(shè)計(jì)中先將該模擬信號通過AD轉(zhuǎn)換

11、后再進(jìn)入單片機(jī)中。溫度采集子程序的流程圖如下圖所示：圖15濕度采集流程圖基站溫濕度采集是主要的信息源。而采集完成后進(jìn)行編譯、發(fā)送需要從單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后再送入無線傳輸模塊。該傳輸流程圖如下所示：圖16 發(fā)射信號流程圖引導(dǎo)碼作用是一個(gè)標(biāo)志位，當(dāng)接收端接收到這個(gè)設(shè)定好周期的引導(dǎo)碼時(shí)開計(jì)數(shù)器進(jìn)行接收信號。引導(dǎo)碼后面分別發(fā)射原碼以及原碼的反碼。同時(shí)在一個(gè)信號里間斷發(fā)射原碼、反碼的目的在于對發(fā)射信號進(jìn)行驗(yàn)證。這是一種防止信號受噪音干擾的方法。3.3 中心站軟件設(shè)計(jì)中心站的主要功能是接收溫濕度傳輸信號，再將其數(shù)值顯示于液晶顯示屏中；利用鍵盤可以設(shè)定溫濕度的安全監(jiān)控范圍；利用設(shè)定的監(jiān)控范圍可以實(shí)時(shí)監(jiān)控，待

12、溫濕度超出該監(jiān)控范圍時(shí)產(chǎn)生報(bào)警聲。根據(jù)這幾個(gè)主要功能，可以設(shè)計(jì)中心站的主要軟件流程如下：圖17 中心站主要流程圖首先，對于接收無線溫濕度傳輸信號，發(fā)送端是分時(shí)段計(jì)數(shù)信號量，在一個(gè)周期中分時(shí)段將信號傳送出去。所以接收端需要設(shè)定與發(fā)送端同步進(jìn)行數(shù)據(jù)接收。接收與發(fā)射端之間采用操作簡單的編碼進(jìn)行通信。具體是在基站中將測量到的數(shù)據(jù)在前端加上一個(gè)大于7.5ms小于8.5ms的矩形信號周期作為引導(dǎo)碼。當(dāng)接收端接收到信號時(shí)，先對第一個(gè)信號進(jìn)行計(jì)時(shí)，當(dāng)屬于引導(dǎo)碼時(shí)間范圍時(shí)才開啟計(jì)數(shù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)接收。而每個(gè)周期內(nèi)的信號長度是有限的，判斷接收到的信號長度達(dá)到設(shè)定后就可以關(guān)閉接收數(shù)據(jù)端口。本設(shè)計(jì)采用外部中斷計(jì)時(shí)器T1進(jìn)

13、行信號的采集工作。單片機(jī)接收該無線信號的流程如下所示：圖18中心站接收信號子程序流程圖接通電源開始工作后，基站的信號發(fā)送都是連續(xù)進(jìn)行沒有間斷。所以在接收子程序上，我們設(shè)定了接收信號的最小期限值。若在這個(gè)期限內(nèi)還沒有接收到信號，則認(rèn)定為無信號接收，無信號接收時(shí)調(diào)用顯示子程序在液晶上顯示無接收信號字幕。在此期限內(nèi)有接收到基站的發(fā)射信號，則轉(zhuǎn)為調(diào)用分析信號子程序。分析信號子程序主要功能是（流程圖見圖19：將接收到的信號進(jìn)行解碼；解碼完成分離出溫度信號與濕度信號；將兩個(gè)信號分別送入各自的量化大小程序中進(jìn)行數(shù)值分析。中心站分析完數(shù)據(jù)后的任務(wù)就是將分析好的數(shù)據(jù)調(diào)用顯示子程序進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。并將溫濕度數(shù)值與鍵

14、盤設(shè)定值進(jìn)行對比，超過限定值啟動報(bào)警程序。這里采用的報(bào)警裝置是蜂鳴器作為超過限定值報(bào)警響應(yīng)。（顯示與報(bào)警子程序流程圖見圖20）圖19中心站分析信號子程序流程圖圖20顯示與報(bào)警子程序流程圖3系統(tǒng)功能溫濕度無線傳輸系統(tǒng)的溫度測量范圍為-55125，分辨率最高可達(dá)0.0625。測量誤差 0.5；濕度測量范圍為0100%RH，測量誤差 5%RH。低功耗的溫濕度傳感器融溫度、濕度測量于一體，具有數(shù)字式傳輸、數(shù)據(jù)儲存、無線通信、信息顯示等多種功能，結(jié)構(gòu)緊湊，使用方便，價(jià)格低廉，具備了一般智能化儀器的基本功能，可以作為單獨(dú)的溫濕度測量儀器使用，也可以很方便地用于其它智能設(shè)備。4設(shè)計(jì)總結(jié)在設(shè)計(jì)制作本系統(tǒng)的過程中，我們深切體會到，實(shí)踐是理論運(yùn)用的最好檢驗(yàn)。本次設(shè)計(jì)是對我們長時(shí)間所學(xué)知識的一次綜合性檢測和考驗(yàn)，無論是動手能力還是理論知識運(yùn)用能力都得到了提高，同時(shí)加深了我們對網(wǎng)絡(luò)資源認(rèn)識，大大提高了查閱資料的效率，使我們有充足的時(shí)間投入到電路設(shè)計(jì)當(dāng)中。本系統(tǒng)的