基于nRF905的温湿度无线监测系统设计与实现

数数数数数数数数数数数数数据据据据据据据据据据据据据采采采采采采采采采采采采采集集集集集集集集集集集集集及及及及及及及及及及及及及信信信信信信信信信信信信信号号号号号号号号号号号号号处处处处处处处处处处处处处理理理理理理理理理理理理理 电 子 测 量 技 术 第 卷 第 期 年 月 基于 的温湿度无线监测 系统设计与实现 王 威 马 俊 叶 鹏 （ 青海师范大学 西宁 ） 摘 要：设计了一种基于 的温湿度无线监测预警系统。以 单片机为核心， 结合温湿度采集模块和 无线收发模块， 给出了系统设计结构框图和串行通信接口等硬件设计电路， 利用 结合 开 发了上位机温湿度智能控制管理平台， 通过软件用户界面显示了温湿度数据及介绍了温湿度预警控制功能， 并给出了 利用数据库实现温湿度数据的存储处理及智能控制的应用实例。试验结果表明， 该系统能实现温湿度的实时精确监 测、 数据无线收发和温湿度预警等功能， 在生态环境监测领域具有广泛的应用前景。 关键词：无线通信；无线模块；温湿度测量；串口通信；可视化软件；数据库 中图分类号： 文献标识码： 国家标准学科分类代码： （ ， ， ） ： ， ， ， ： ； ； ； ； ； 收稿日期： 引 言 温湿度作为生态环境监测的重要指标， 其监测方法在 科研和生产过程中被广泛应用。就温湿度监测手段而言， 我国许多领域仍采用测温仪器与人工抄录相结合的传统 测量方法， 这不仅效率低， 而且会由于判断失误和管理不 力造成严重损失 。而且， 传统测量方法一般采用有线数 据传输， 在数据传输过程中会产生较强电磁干扰， 从而造 成信号大幅衰减， 影响测量数据的真实性和准确性。近年 来， 无线通信监测技术的迅速发展， 将逐步取代传统的测 量手段。文献 基于 的无线数据传输系统 设 计了无线数据传输系统， 文献 基于 的低功耗 温湿度无线测量系统 设计了低功耗温湿度无线测量系 统。这些研究利用无线模块实现了温湿度的测量和无线 数据传输， 但缺少对测量数据的有效管理， 未能实现生态 环境信息的智能控制。相比这些温湿度无线测控系统单 一的温湿度测量， 本系统增加了无线测控系统的智能管理 功能， 设计了一种基于 的温湿度无线监测预警系 统， 能有效实现生态环境信息的实时监测和预警， 对青藏 地区退耕还林、 人工植物园等环境保护工程项目的实施提 供技术支持。系统分为无线发送和接收个部分： 先通过 单片机 将采集到的温湿度数据传给 无 线发送模块， 然后无线发送给无线接收模块 ， 无线接收 系统结合串行通信接口， 把数据送往 ， 通过编写 控 第 卷电 子 测 量 技 术 制程序来实现数据显示和预警， 同时结合 数据库 技术完成数据的智能处理。该系统在生态环境监测等领 域具有广泛的应用前景。 系统方案设计 系统由无线发送和无线接收个部分组成。发送部 分包括温湿度采集模块、 单片机控制模块和无线发送模 块， 主要完成温湿度数据的采集和无线发送； 接收部分由 无线接收模块、 单片机控制模块以及上位机温湿度管理平 台等组成， 主要完成数据的无线接收和温湿度数据的后台 处理。系统的总体结构框图如图所示， 其中图（） 为 无线发送部分的结构框图， 采用 传感器将采集的 温湿度参数信息转换为数字信号传送给单片机 进行处理， 然后通过 无线发送模块， 将采集到的 温湿度参数信息发送给温湿度无线接收模块。图（） 为 无线接收部分的结构框图， 以 单片为控制核心， 利用 无线接收模块接收无线发送模块发来的数 据， 然后通过串行通信接口电路将数据传送给 ， 利用上 位 机 温 湿 度 管 理 平 台 进 行 温 湿 度 的 实 时 监 测 与 预 警 控制 。 图 温湿度无线监测预警系统的总体结构 系统硬件设计 系统 以 单 片 机 控 制 电 路 为 核 心 ， 采 用 电源模块供电， 通过温湿度数据采集电路完成对环境 温湿度的测量， 并采用 芯片组成的无线收发模块 实现数据的发送和接收， 同时在无线接收部分设 计 了 串行通信接口电路， 以完成单片机与 的数据 传输。 电源模块 芯片为低功耗器件， 工作电压为 ， 而单片机工作电压为， 故本设计通过 电压转换 电路实现无线模块的供电， 所采用的 供电电源模块 如图所示， 电压调节器压差在 输出， 此时相应的负 载电流为 。 图 供电电源模块 温湿度数据采集电路 温湿度数据采集模块采用的是具有二线串行接口的 单片全校准数字式传感器 ， 该传感器包括个电阻 式感湿元件和个 测温元件， 可用来测量相对湿度、 温度等参数， 信号传输距离可达 以上， 产品为针单 排引脚封装， 主要通过第引脚连接单片机实现信号传 输， 具有数字式输出、 免调试、 免外围电路及全互换等特 点 。由它构成的温湿度数据采集电路系统框图如图 所示。 图 温湿度数据采集电路系统 无线收发模块 系统 的 无 线 收 发 模 块 采 用 单 片 射 频 收 发 芯 片 ， 通 过 供 电 电 源 模 块 供 电，工 作 于 的 频道， 最大数据传输速率为 ， 电流消耗很低， 在发射功率为 时， 发射电流为 ， 接收电流只有 。芯片由个完全集成 的频率调制 器、个 带 解调 器 的 接 收 器、 个 功 率 放 大 器、个晶体振荡器和个调制器组成， 通过 接口进 行编程配 置， 利 用 技 术 实 现 数 据 的 发 送 和 接收 。 单片机与 模块的连接原理图如图 所示， 单片机由端口控制 模块的状态接口、 模 式接口和 接口。 王 威 等： 基于 的温湿度无线监测系统设计与实现 第 期 图 单片机与 模块的连接原理 为了充分利用能量， 分别设定了种节能模 式和种活动模式（ 和 ） ， 共种工作模 式， 分别由、 和 个引脚决定。表 为 的种工作模式。 表 的种工作模式 工作模式 掉电和 和 编程 接收模式 发送模式 无线收发模块通过 模式同步发送和接收 数据的实现过程分为步 ： 第步， 发送数据 ） 通过发送系统中的单片机 置低 的 引脚， 将 置于待机模式； ）通过单片机的 接口把接收节点的地址（ ） 和有效数据（ ） 传送给 ； ） 设置 的 、 引脚为高来将 置于 发送模式； ） 无线发送系统自动上电， 加前导码和 检验码来 完成数据包， 发送数据包； ） 通过单片机重新置低 引脚， 结束 数据传输并将自己设置成 模式。 第步， 接收数据 ） 单片机置高 的 ， 置低 来 设置 为 接收模式； ） 监测空气中的信息； ） 当 发现和接收频率相同的载波， 接收数据， 并置高载波检测引脚 ； ） 当接收到的数据包的地址是有效地址， 置高地址匹 配引脚 ； ） 当 接 收 到 有 效 的 数 据 包 并 且 校 验 正 确， 去掉前导码、 地址及 位， 的数据准备 就绪， 引脚 被置高； ） 重新置低 引脚， 进入 低 电流模式； ） 接收系统中的单片机设置数据接口速率， 利用 接口读出有效数据， 等所有的数据被读出后， 重新置低 和 引脚， 完成数据接收。 串行通信接口电路 系统的 单片机通过串行接口 和 ， 采用串行通信接口电路与 完成通信。由于在进行串行 通信时， 的串口是 电平， 而单片机的串口是 电平的， 所以系统采用了专用芯片 进行电 平转换 。 芯片包含路接收器和驱动器， 通过内部的 电源变换器， 把输入的 电源电压转换成 输出 电平。由其构成的串行通信接口电路图如图所示， 其中 个电容均取 ， 串口 只用根线，端公共端接 地，、 端分别为 的接收端和发送端， 接口通过 交叉串 口 线 连 到 上， 以 实 现 单 片 机 与 的 串 行 通信 。 图 串行通信接口电路 系统软件设计 系统的无线接收部分开发了无线监测预警系统管理 软件， 上位机使用 中的 控件， 通过 第 卷电 子 测 量 技 术 设置串口参数信息等来接收串口通信传送的温湿度数据， 并通过软件用户界面实现温湿度数据的显示及预警控制， 同时结合 公司的 数据库技术实现温湿度 数据的存储处理及智能控制， 经过测量， 系统各项性能指 标均符合温湿度测量标准， 实现了温湿度的实时可靠测量 和数据有效处理。 软件用户界面介绍 系统通过温湿度无线监测预警系统软件的用户界面 来实现温湿度数据的实时显示， 通过温湿度曲线显示范围 来设置温湿度的最高值和最低值， 从而控制温湿度报警， 温湿度软件显示界面如图所示。 图 温湿度无线监测预警系统软件的用户界面 串口数据通信及数据验证 在用 进行串口通信程序的设计时， 通过 控件， 来设置串口通讯的波特率、 校验方式等参数， 与单片 机的设置保持一致， 以驱动 函数的接口完成数据通信 的工作， 并增加了串口通信口显示栏， 以验证温湿度数据 是否发送成功， 数据验证正确， 则利用字符串转换函数实 现数据由 码向十进制数的转换， 并将转换后的数据 模拟显示在如图 所示的界面上， 串口通信程 序 如 下 所示： （ ） （ ， “ ， “ ） 开启串口并设置工作模式： ， 数据位， 停止位， 无校验 （ ， ） 开启串口 串口已开启， 关闭串口 温湿度数据的显示及预警控制 图中的红色曲线为无线传感器测控系统通过用户 界面在 内（ ） 实时显示的的当前环境温 度曲线， 并精确指示当前的温度值为 ， 随后利用冷 源冷 却 传 感 器， 温 度 曲 线 开 始 下 降， 温 度 显 示 值 降 为 ， 如图所示为系统在之后 内（ ） 实时显示的当前环境温度变化曲线， 实验表明， 如此精确 的温度值显示足以满足生态环境信息监测需要， 并能通过 设定的温度范围完成温湿度预警。 图 利用冷源冷却传感器之后的环境温度变化曲线 温湿度数据的存储处理及智能控制 系统利用 结合 公司的 数据库技 术， 通过菜单完成对数据的存储和处理， 实现了温湿度数据 的智能管理， 存储处理及智能管理功能界面如图所示。 图 温湿度数据的存储处理及智能管理功能界面 例如： 可以通过选择标题栏温湿度系统设置（） 菜单， 完成温湿度、 光度等数据库的导入和导出， 如图所示。 图 温湿度系统设置（） 菜单 对于导出的数据库， 系统通过 数据库技术， 进 一步详细地分析该地区定期的环境状况， 从而预测该地区 温湿度的变化趋势。 系统各项性能测试 实验与结果分析 实验选取人流量少、 温湿度变化有规律的人工露天植 物园来进行长期温湿度的实时测量和数据处理， 以便监测 植物园的周边环境， 及时改善植物生长环境。通过一段时 间的实地监测， 系统记录了这段时间内的植物园周边环 境， 通过设置“ 系统性能测试 数据结果分析” 菜单来进 一步分析该段时间的温湿度数据， 如图 所示。 王 威 等： 基于 的温湿度无线监测系统设计与实现 第 期 图 系统性能测试 数据结果分析（） 菜单 通过选择“ 数据查询明细” 菜单， 实验查询了从 年 月 日当天往前到 年月 日这个月以来本系 统测量的植物园的各项环境指标， 如图 所示； 通过点击 “ 查询” 按钮或选择图 所示的 “ 数据数据报告” 菜单， 实 验获得份近个月以来的关于植物园温湿度信息的实验 数据报告， 如图 所示。 图 植物园温湿度数据查询 图 植物园环境信息报告 系统进一步通过对植物园近个月以来温湿度数据 的采集， 经过一系列科学实验处理， 绘制成温湿度数据记 录表如表所示。 表 温湿度数据记录 查询日期温度数据报告湿度数据报告 年月 年月 温度变化符合日 照规律， 进入梅雨季 节， 升温幅度不大 阴 雨 天 气， 湿度大 年月 年月 平均升温最快， 但 升降不稳定， 气温骤 冷骤热变化较大， 月 上 旬 时 常 出 现 “ 倒春寒” 天气 连 续 降 水， 湿度大 年月 年月 太 阳 辐 射 增 强， 气 温 回 升 快， 平 均 气温为 暖空气势 力 加 强，降 水 量 增 多， 湿度大 通过实验分析， 该系统能准确的监测植物园周围环境 的温湿度变化， 并进行有效管理。系统已经被利用在人工 植物园管理项目中。经过测量， 系统各项性能指标均符合 温湿度测量标准， 实现了温湿度的实时可靠测量和数据有 效处理。 结 论 系统设计并实现了基于 的温湿度无线监测预 警系统， 建立了稳定易操作的系统硬件平台， 并开发了一 整套温湿度无线监测预警系统用户管理平台， 能够详细地 处理和分析采集到的温湿度数据， 并将实时结果显示给用 户。试验证明， 该系统工作稳定、 数据传输可靠、 耗电量 小， 实现了无线温湿度监测系统的小型化、 智能化和仪表 化， 尤其在无线测控系统的数据智能管理方面有所突破， 该系统对生态环境信息的检测和评估具有重要的应用 价值。 参考文献 荚庆， 王代华， 张志杰基于 的无线数据传输 系统国外电子元器件， ， （） ： 薛敏迪基于 的低功耗温湿度无线测量系 统 现代电子技术， ，（ ） ： 谢陈磊， 方潜生， 张振亚， 等建筑节能检测中无线传 感器网络的设计与研究 电子测量与仪器学报， ， （） ： 陈亮甫， 韩玉杰， 徐凯宏， 等 基于无线通信技术的多点 动态温度测控系统传感器与微系统， ， （） ： ， 兰羽 基于 单片机的心率体温测量仪设 计 国外电子测量技术， ， （） ： （ 下转第 页） 第 卷电 子 测 量 技 术 李战明， 李振兴 技术在人员搜救系统中的应 用 电子测量与仪器学报， ， （） ： 龚文超， 吴猛猛， 刘双双基于 的无线监控系 统设 计 与 实 现 电 子 测 量 技 术， ， （） ： ， ， ： 崔文华 协议栈的研究与实现 上海： 华东 师范大学信息科学技术学院， 贾真， 杨志柳， 王肖雄， 等 一种新型 无线 采集分析 系 统 电 子 测 量 技 术， ， （ ） ： 任珍文， 黄玉清 基于 的无线传感器网络监 控平台电子技术应用 ， （ ） ： 万文青， 赖松林， 程树英， 等 基于 的楼宇安 防报警 系 统 的 设 计 与 实 现 电 子 测 量 技 术， ， （ ） ： 樊静， 王建明 基于 的博物馆状况无线检测 系统设计电子测量技术， ， （） ： 吕宏， 黄钉劲 基于 技术低功耗无线温度数据 采集及传输 国 外 电 子 测 量 技 术， ， （） ： 作者简介 夏立方， 年出生， 温州大学物理与电子信息工程 学院 级本科生。 蔡娇， 年出生， 温州大学物理与电子信息工程学 院 级本科生。 赵升（ 通讯作者） ， 年出生， 讲师， 主要研究方向为 现代电器设计技术， 电器智能化。 ： 櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒