基于单片机的粮仓温湿度多点无线监测系统设计

分布式粮仓温湿度系统检测设计温湿度是一个非常重要的参数。在工业、医疗、军事和生活等许多地方，都需要用到测温湿装置来监测温湿度。传统直接布线测量不能满足要求，特别是在某些环境恶劣的工业环境和户外环境，通过直接布线测量不现实。因此采用无线传输温湿度信息尤为必要。目前有些设计能够实现无线温湿度监测，但价格过高是其最大的缺点。在实际温湿度控制过程中既要求系统具有稳定性、实时性又需要降低功耗。因此设计一种低功耗的无线温湿度监测系统很有意义。本文提出一种针对无线数据传输问题的解决方案，该方案基于 nRF24L01 来设计无线温湿度采集系统。该系统采用传统单片机ATmega16L 和数字温湿度传感器 AM2301 来构成多点、实时的无线温湿度监测系统。通过简单的无线通信协议，实现可靠性与功耗平衡，该系统能实现对温湿度的监测，是可以实现远程控制的无线温湿度监测系统。该系统利用无线通信技术构建了分布式无线传感器网络，通过传感器节点实现温湿度信息的采集和传输，系统具有组网简单，维护方便，运行费用低等优点，能够实现可靠的无线数据传输。可以应用于大型粮仓温湿度的监测。关键字：ATmega16 AM2301 无线传输 nRF24L01Wireless Temperature and Humidity Monitoring System in BarnShi Jianzhu(College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China)Abstract:Temperature and humidity is a very important parameter. In many places, such as the industrial, medical, and military, you need the temperature and humidity measurement device to monitor temperature and humidity. Direct wiring measurement does not meet the requirements, especially in some environments, such as, harsh industrial environments and outdoor environments. Therefore, the wireless transmission of temperature and humidity information is particularly necessary.At present, some devices can be used to monitor wireless temperature and humidity, but the price is the biggest drawback, the price is too high. The system must be stable, real-time and low power consumption in actual control. Therefore, the design of a low-power consumption wireless temperature and humidity monitoring system makes sense. This paper presents a solution for wireless data transmission, the program is based on the nRF24L01 to design the monitorint system of wireless temperature and humidity. The system uses the traditional microcontroller ATmega16 and digital temperature and humidity sensor AM2301 to form multi-point, real-time wireless temperature and humidity monitoring system. Through a simple wireless communication protocols, bring about reliability and power balance. The system is a remote wireless temperature and humidity monitoring system.The system uses wireless communication technology to build a distributed wireless sensor networks. The temperature and humidity data acquisition and transmission based on sensor nodes, with a simple network, easy maintenance, low operation cost. The system can be applied to a large granary temperature and humidity monitoring.Key word: ATmega16 AM2301 Wireless Transmission nRF24l01目 录1 前言 .12 系统方案分析与选择论证 .12.1 系统最终方案 .12.2 系统方案设计 .22.2.1 主控芯片方案 .22.2.2 无线通信模块方案 .22.2.3 温湿度传感器方案 .32.2.4 显示模块方案 .33 主要芯片介绍和系统模块硬件设计 .43.1 ATmega16L-8AI 单片机 .43.2 nRF24L01 无线模块 .53.2.1 nRF24L01 模块电路图 .53.2.2 nRF24L01 模块接口电路 .53.2.3 nRF24L01 模块供电电源 .63.2.4 nRF24L01 模块工作模式 .63.2.5 nRF24L01 模块工作原理 .73.2.6 nRF24L01 配置字 .83.3 数字温湿度传感器 AM2301 .83.3.1 AM2301 概述 .83.3.2 AM2301 接口及温湿采集电路 .93.3.3 AM2301 工作原理 .93.4 显示模块 TFT-LCD .104 系统软件设计 .114.1 单片机软件设计 .114.1.1 发送端流程 .114.1.2 接收端流程 .125 硬件电路 .135.1 硬件制作 .135.2 硬件调试 .145.3 硬件调试结果 .145.3.1 温湿度采集测试 .155.3.2 nRF24L01 无线模块测试 .186 结论与展望 .18参考文献 .19附录 .20致谢 .2201 前言粮食是人类赖于生存不可或缺的物质基础，是人类从事各种活动的前提。粮仓粮食的存储是否得当对国家的经济能否正常合理的运行有很大的影响。受限制于以前的经济和科技水平，粮食的存储环境差，管理落后。为此，合理地布置温湿度测量点，以便及时发现粮食的发热点、潮湿点，成为粮库管理的重中之重。随着嵌入式技术，短距离无线通信技术、传感器网络技术等的不断发展，电子设备检测技术可以大大的降低粮仓的管理成本。同时，现代化的粮食仓储系统对粮食的安全性也提出了更高的要求。在粮仓管理过程中，湿度和温度是两个重要的控制指标，直接影响粮食的储存质量。然而，传统的人工测试方法费时费力，效率低，且测试的温度及湿度误差大，随机性大(王明明等，2012)；而有线方式的测温湿度系统存在着不稳定性，且布线复杂，线路容易老化，线路故障难以排查，设备重新布局需要重新布置等问题。而无线方式的测温湿度系统不存在以上的这些问题，为此，采用无线实时的温湿度检测系统，对数据进行采集、装载、发送、并由终端对无线采集来的数据进行相应处理，以控制监测设备的运行情况，可大大的减少不必要的线路设备开支(张玉建，2012) 。本设计采用无线传感器网络技术，通过自组无线传感器网络实现一对多的通信，对粮仓内部环境进行监测。由于每一个无线监测节点需长时间工作，对功率消耗十分敏感，为此，本系统采用低功耗无线传输芯片和超低功耗嵌入式处理器，组建实时的无线传感器监测网络，以实现对粮仓温湿度的网络化实时监测和报警。2 系统方案分析与选择论证2.1 系统最终方案发送端：由数字温湿度传感器 AM2301，实时地采集当前的温湿度信息，经ATmega16L 单片机分析处理后，通过模拟 SPI 接口控制无线射频模块 nRF24L01 装载温湿度信息，由无线射频模块 nRF24L01 发射给主机接收端并显示温湿度信息。红外模块可用于监测各监测节点附近有无老鼠，试验中未做出。接收端：由 nRF24L01 无线射频模块接收终端采集过来的数据信息，经模拟 SPI接口发给 ATmega16L 单片机，由 ATmega16L 单片机控制液晶 LCD-TFT 实时显示温湿度信息，并且显示报警温湿度上限值。当温湿度过高或者过低时，TFT 是否报警一行显示是并开始闪烁，蜂鸣器鸣叫，起报警作用，直到温湿度值恢复正常。1ATmega16L(发送端 )DHT11温湿度传感器 红外模块ISP下载模块NRF24L01无线模块LCD-TFT显示模块GSM报警模块 蜂鸣器ATmega128 (接收端)从机结构框图 主机结构框图NRF24L01无线模块图 1 系 统 方 框 图此系统为一对多的无线通信系统，多个从机发送端由传感器本地采集并且通过nRF24L01 无线射频模块发送温湿度信息，一个主机通过 nRF24L01 无线射频模块的多个通道（最多 6 个，nRF24L01 至多可开启 6 个通道接收数据）接收多个终端节点的温湿度信息，实时显示各终端节点温湿度信息，系统方框图如图 1 所示。2.2 系统方案设计2.2.1 主控芯片方案方案一：采用宏晶科技有限公司的 STC90C52Rc 单片机作为主控芯片。此芯片为51 类单片机增强版，价格便宜、易于操作，比较经济实惠。方案二：采用 ATmega16L 作为主控芯片。此芯片是基于增强的 AVR RISC 结构的低功耗 8 位 CMOS 微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16 的数据吞吐率高达 1 MIPS/MHz，从而可以减缓系统在功耗和处理速度之间的矛盾，且其跟 51 类单片机相比，具有超低功耗和内置晶振等特点。考虑到此系统的复杂度，进行模数转换实现对温湿度的监测所需外围器件较多，监测节点电路板面积小，主控采用贴片封装。从性能和实用性上考虑我们选择方案二。22.2.2 无线通信模块方案方案一：采用 GSM(Global System for Mobile)模块进行通信，GSM 模块需要借助移动卫星或者手机卡，虽然能够远距离传输，但是其成本较大、且需要内置SIM(Subscriber Identity Module)卡，通信过程中需要收费，后期成本较高。方案二：采用 TI（德州仪器）生产的 C2430 无线通信模块，此模块采用 Zigbee总线模式，传输速率可达 250kbps，且内部集成高性能 8051 内核。但是此模块价格较贵，且 Zigbee 协议相对较为复杂，实用性不高。方案三：采用 nRF24L01 无线射频模块进行通信，nRF24L01 是挪威 Nordic 公司推出的单片射频收发芯片，工作于 2.42.5GHz ISM 频段，抗干扰能力强，能耗非常低，满足多点通信和跳频通信需要。当加定向天线后，在无障碍通信情况下能传输上千米的距离，而且价格较便宜，采用 SPI 总线通信模式电路简单，操作方便。综合考虑各方面因素，采用方案三作为本系统的无线通信方案。2.2.3 温湿度传感器方案方案一：AD590 是美国 ANALO G DEV ICES 公司的单片集成两端感温电流源芯片，采用此芯片测量温度。此器件测温精度高、电源电压范围宽，但须差分放大器放大和 A/D 转换，需要元器件多，且价格较贵。采用湿敏电阻测量湿度信息，通过将湿敏电阻的电阻变化量放大并且通过模数转换为相对湿度数值。此方法测相对湿度信息精度较差，也需要较多元器件。方案二：采用广州奥松有限公司生产的 DHT11 温湿度一体的数字传感器。通过单片机等微处理器单总线的电路连接就能实时地采集本地温度和湿度信息。功耗很低。工作电压范围为 3.5V5.5V，可以直接和单片机的 I/O 口相连。方案三：采用广州奥松电子有限公司生产的 AM2301 温湿度一体的数字传感器。它是电阻式感湿元件 DHT11 湿度传感器的升级版，具有高精度，低功耗、抗干扰能力强等优点。其中采集温度的精度为 0.5 ，采集相对湿度的精度为 3%。外围电路C简单，只需在数据口上拉一个 5K 欧电阻，便可直接和 ATmega16L 单片机的 I/O 口相连。使用 DHT11 采用单总线的控制方式。线路简单，编程容易，但是比 AD590 精度低。AD590 还需要其它辅助电路，线路复杂，编程难度大。而 AM2301 外围电路简单，并且精度相比于 DHT11 高。所以，考虑到电路的设计复杂度、系统的精度，功耗，还3有本系统需多点通信，在成本考虑上，选择方案三，即用 AM2301 作为本系统的温湿度传感器。2.2.4 显示模块方案方案一：采用字符液晶 LCD1602 显示信息，LCD1602 是一款比较通用的字符液晶模块，能显示字符和数字等信息，且价格便宜，容易控制。方案二：选择主控为 ST7920 驱动器的带字库的 LCD12864 来显示信息。LCD12864 是一款通用的液晶显示屏，能够显示常用的汉字及 ASCII 码，而且能够绘制图片，描点画线，设计成比较理想的结果，但考虑到监测节点较多，需显示的信息较多，而其最多只能显示四行信息。方案三：采用配置 2.8 寸的 TFT-LCD 即薄膜晶体管液晶显示器。该模块的控制器为 ILI9325,具有 26 万像素， 320240 的分辨率，16 位真彩显示。可以清晰的显示各监测节点的信息，且其可以显示人性化界面，各节点信息以及报警上限温湿度值一目了然。综合以上方案，选择了可显示人性化界面的 TFT-LCD 作为接收端的显示。3 主要芯片介绍和系统模块硬件设计3.1 ATmega16L-8AI 单片机 CSNEKMIOP0124567RQADFVTGXB(/)9L8mega-u+图 2 单片机最小系统4单片机控制模块由 ATmega16L 最小系统组成，包括 ATmega16L-8AI 单片机（芯片内集成晶振电路）和复位电路。单片机复位端低电平有效，系统上电后由 RC 充放电电路实现自动复位，也可短按复位按键 S1 实现手动复位(王卫星，2009) 。单片机最小系统如图 2 所示。ATmega16L 系列单片机管脚如图 2 所示。本设计无线传感器模块控制接口为PB3 PB7 以及 PD2；下载程序采用 ISP 通信，采用 USB ISP 下载器进行程序下载，其接口为 PB5PB7 以及 RST 端口；RXD/P3.0 和 TXD/P3.1 为串口通信端口，RXD 用于读数据， TXD 用于发送数据；监测端：温湿度数据采集端口为 PC0PC7；接收端：TFT 彩屏接口为 PC0PC7 和 PA2PA4。3.2 nRF24L01 无线模块3.2.1 nRF24L01 模块电路图nRF24L01(张玉建，2012；刘靖等，2007)芯片是由 NORDIC 公司生产一款无线通信芯片，采用 FSK 调制方式，内部集成有 NORDIC 自己的 Enhanced Short Burst 协议。可以实现点对点或是 1 对 6 的无线通信。通信速度可以达到 2Mb/s。nRF24L01 无线射频模块的电路图如图 3