分布式无线温湿度检测与传输系统的设计

□李兵 □徐帆 □王舰威

随着现代工业、农业技术的发展，人们对精确的温湿度测量技术的需求越来越高，温度作为工农业中一个重要的参数，影响着棚中农作物的产量和质量［1］。目前，温度检测与传输系统主要有两种方式：一种是成熟的有线传输方式，如现场总线和RS485总线，该方式虽然具有数据传输率高、抗干扰能力较强等优点，但同时也具有现场铺设线缆成本高、设备维护难度较大以及故障检测复杂等缺点；第二种传输方式是无线传输方式，随着射频技术和集成技术的不断发展，无线数据传输系统实现起来越来越容易，数据传输速率越来越高，抗干扰能力也越来越强，而且具有成本低、维护简单、稳定性高等优点。因此，笔者针对有线传输方式的不足，提出了一种分布式无线温湿度检测与传输系统，该系统具有可靠性高、传输距离远、维护方便等优点。

1 系统技术方案

本文采用的技术方案如图1所示，为了满足无线系统传输的需要，整个技术方案可分为上位机子系统和下位机子系统两部分。其中上位机子系统放置在监控的机房中，通过nRF905无线传输模块接受下位机采集到的温度和湿度等信息，并利用RS232串口协议将不同下位机节点采集的温湿度信息实时显示在上位机的控制界面上，当温度超出了一定范围时，发出报警提示，也可以将温湿度保存并绘制成曲线进行数据分析。下位机子系统主要分布在温湿度的采集现场，单片机AT89C52实时采集由数字式温湿度传感器SHT11检测到的温湿度值并实时显示在1602液晶屏上，同时通过无线数据传输模块nRF905以无线载波的形式将温湿度信息传输给上位机。

上位机子系统的结构原理图如图2所示，由图中可以看出，上位机子系统主要由液晶显示、存储器、nRF905无线传输模块和232通信模块组成。其工作原理：由单片机AT89C52单片机组成的CPU模块发出轮询命令，当无线传输模块检测到频率相同的载波时，nRF905芯片对其进行解调并进行地址解析和CRC校验，当数据接受完成后，以外部中断的形式触发单片机进入到中断程序，通过单片机与nRF905芯片之间模拟的SPI接口从芯片中提取温湿度数据并在液晶屏上显示出来，同时CPU模块将采集到的温湿度数据通过232转换电路上传给上位机PC机中。

▲图1 技术方案示意图

▲图2 上位机子系统结构原理图

下位机子系统结构原理如图3所示，由图中可以看出，下位机子系统由SHT11温湿度传感器、CPU模块、nRF905无线传输模块、液晶显示等模块组成。其工作原理：当下位机的无线传输模块检测到上位机发送的轮询命令载波信号时对其进行解析，数据接受完成后，CPU模块进入到中断程序通过SPI模拟接口读取nRF905芯片中存储的数据，并对其中的地址进行匹配比较，当匹配成功后，CPU模块通过SPI接口配置nRF905激活无线传输模块，将采集到的现场温湿度数据以载波的形式发送给上位机；如果匹配不成功，则不予采集。

▲图3 下位机子系统结构原理图

2 硬件电路设计

2.1 温湿度传感器

本文采用SHT11传感器，它具有I2C总线接口的单片全校准数字式相对湿度和温度传感器。该传感器采用独特的CMOSensTM技术，具有数字式输出、免调试、免标定、免外围电路及全呼唤等特点。其内部集成了14位A/D转换器，采用数字信号输出，且测量精度可编程调节，温度测量范围为-40～123.8℃，精度为±0.01℃，湿度测量范围为0～100%RH，精度为±0.03%RH。此外其具有可靠的CRC数据传输校验功能，传输可靠性高，抗干扰能力强［2］，低功耗，测量时平均电流为28 μA,休眠时电流为3 μA。

2.2 nRF905无线收发芯片

nRF905芯片是挪威Nordic公司生产的单片射频收发器芯片，工作电压为1.9～3.6V，载波频段允许433、868和915MHz等3个ISM频道（可以免费使用）。nRF905无线收发器采用硬件曼彻斯特编码/解码方式，芯片自动实现字头处理和CRC校验。nRF905采用非实时数据传输方式，当接收端接收到数据后，首先存储在片内存储器内，然后外部控制器采用中断或查询的方法读取接收数据。

2.3 nRF905无线传输电路

nRF905的工作模式由TRX_CE、TX_EN和PWR_UP的设置来决定，nRF905采用串行外围设备接口SPI与单片机连接。由于单片机不具备SPI接口，本文采用单片机的I/O口来模拟SPI接口，接口电路如图4所示，AT89C52单片机对nRF905进行读、写操作时，必须通过CSN引脚由高电平到低电平跳变使nRF905芯片处于工作状态。由于nRF905模块内部有完整的通信协议，所以与nRF905进行SPI通信时，主要是实现对nRF905模块的有效初始配置，以及CPU与nRF905模块之间SPI通信的实现［3］。

▲图4 无线传输电路

2.4 SHT11温湿度传感器电路

本文采用的SHT11传感器具有I2C接口，单片机通过I/O引脚来模拟与传感器的I2C通信协议，从而读取现场采集到的温度和湿度值。接口电路如图5所示。

2.5 存储模块及液晶显示模块

由于下位机子系统分布在采集温湿度现场，只需要显示温度和湿度，显示的内容不多，所以选用小型的1602液晶屏。上位机子系统布置在控制室内，需要显示多个从机的信息，所以采用240×128点阵液晶。存储模块主要用于存储CPU模块采集的温度和湿度值。

▲图5 SHT11硬件电路图

▲图6 数据发送软件流程图

▲图7 数据接收软件流程图

3 软件设计

本系统主要由温湿度传感器SHT11、无线传输模块nRF905以及液晶显示部分组成，温度传感器与CPU模块之间主要通过SPI进行通信，该软件比较简单，因此，整个软件设计的重点是nRF905的收发。

3.1 nRF905的数据发送软件设计

nRF905收发芯片接受数据的软件流程如图6所示，单片机首先将PWR_UP引脚置为“1”、TRX_CE置为“0”，使nRF905处于待机模式，CPU模块将下位机子系统的接受地址和待发送的轮询命令写入nRF905对应的寄存器中，然后将PWR_UP、TRX_CE和TX_EN引脚全部置为“1”，使nRF905进入发送模式，此时射频寄存器自动开启，数据打包(加字头和CRC校验码)后被高速发送出去，数据发送完成时DR自动置为“1”。若配置寄存器中的自动重发位(AUTO_RETRAN)被置高，则nRF905将不断重复发送数据包，直到TRX_CE被置为“0”;TRX_CE被置“0”时，nRF905发送过程完成，自动进入待机模式［4］［5］。

3.2 nRF905的数据接收软件设计

接收数据流程图如图7所示，当nRF905接受数据时，CPU在nRF905芯片处于待机模式时将地址写入到nRF905中的配置寄存器中，然后单片机使TRX_CE为“1”，TX_EN为“0”，使nRF905处于接受模式。此时，nRF905不断检测下位机子系统发送的载波信号。当nRF905检测到与接收频率相同的载波信号时，其载波检测引脚(CD)被置为高电平，然后nRF905将接收到的数据进行地址匹配和校验，如果地址匹配成功且数据校验正确时，DR引脚会自动置高，单片机进入中断处理程序，使nRF905处于待机模式，最终通过SPI协议，从nRF905的数据寄存器中读取有效数据。

4 结论

（1）针对传统的有线温湿度检测与传输系统维护成本高、故障检测难等缺点，设计了一种以AT89C52单片机为控制核心，采用SHT11为温湿度传感，nRF905为无线传输模块的分布式无线检测与传输系统。

（2）经过试验验证，该系统在空旷的场地内无线传输距离可以达到1 000 m左右，验证了该系统的可靠性和稳定性。

［1］邹家柱.多点温度无线检测与控制系统设计［J］.价值工程，2011(21)：35-36.

［2］张伟,戈振扬.烤烟房温湿度无线数据采集系统［J］.计算机工程,2010(2):240-242.245.

［3］王何宇，朱莉.基于nRF905的温湿度无线传输系统［J］.电子测试,2011(5):78-81.

［4］薛敏迪.基于nRF905的低功耗温湿度无线测量系统［J］.现代电子技术,2010(1):135-138.

［5］题原，宋飞，刘树东，等.基于nRF905的无线温湿度检测与传输系统设计［J］.化工自动化及仪表，2011(4):404-407.