便携式温湿度无线监控系统的设计与实现

利用新一代单片全校准、高集成度、小体积的数字式温湿度传感器SHT71,通过单片机的控制实现对温湿度的采集与显示，再经由无线收发传输采集到的数据与遥控各温湿度调节设备，并结合了便携式与PC机操作。使得此系统具有体积小、适用面广、使用方便等特点。

1 引 言

温湿度的监控广泛应用于农业大棚生产、仓储管理、气象预测、生活起居及科学研究中。传统温湿度传感器需为其设计复杂的信号调理电路并需要经过烦琐的校准与标定，往往在精度、线性度、重复性、互换性、一致性以及对环境的适用等方面不尽人意。瑞士Sensirion 公司推出的新一代基于CMOSensTM技术的SHT系列数字式温湿度传感器则很好地解决了上述问题，在无需外围电路、免除了调试与标定过程的基础上，实现了温湿度的数字式输出。随着无线通信专用集成芯片的不断问世，各类无线通信设备的性能也更加优越可靠，功能更加完善。在众多采集监控系统中，通常采用有线传输数据，这样不得不通过铺设大量的导线来维持整个系统的正常运行，有些甚至需要铺设专用电缆。这使得布线非常复杂和困难，同时使整个系统造价升高，导线长时间裸露会缩短它的使用寿命，若埋在地下则给线路的自检、维护等带来很大麻烦。

在现有的温湿度无线监控系统中，通常采用专用的无线数据传输模块来实现对数据的无线传输，但是这样需要配置多个采集模块，并且大大增加了分离数据的负担，降低了采集效率。另一方面，这样仅仅只实现了对温湿度的采集，并没有实现对温湿度的实时控制。为了解决上述问题，我们研究了这样一种便携式温湿度无线监控系统：利用单片机控制数字温湿度传感器SHT71来实现对温湿度的采集与显示，运用编解码芯片PT2262 /PT2272来实现对数据与控制信号的无线传输，通过PC机来控制选择接收需要的采集量并远程无线遥控排气扇、加湿器、加温与制冷等设备的工作状态。

2 系统构成和工作原理

系统总体框图如图1所示，主要由温湿度的采集与显示、无线传输与遥控、单片机控制与处理以及PC机四部分组成。温湿度采集与显示模块主要实现了对温湿度的选择采集，并显示相应的数据，工作人员可以很方便地握在手里对不同地点的温湿度进行测量。此系统中无线传输与遥控是一个单向过程，在软件设计中解决了数据同步与校验错误等问题。采集到的数据再经由编解码芯片PT2262 /PT2272所组成的无线收发模块进行无线传输，接收端受单片机AT89C52控制，这样可以改变PT2272的地址码从而控制接收温度或者湿度数据。同样无线收发模块与驱动以及固态继电器等构成的无线遥控模块实现了对电器设备的控制，这样就能很方便地得到所需要的合适的温湿度环境。PC机里运行VB 编写的控制面板，进行采集量、采集次数与各电器设备工作状态的设置，然后将设置好的参数通过MAX232串口通信送给单片机AT89C52,进而控制相应电器与接收相应采集量的数据并完成相应采集次数的数据。单片机AT89C52 将采集到的数据通过MAX232串口通信传送给PC机，进而实现对采集到的数据进行显示和存储。

图1 系统总体框图

3 系统软、硬件设计

3. 1 温湿度的采集与显示模块设计

3. 1. 1 数字温湿度传感器SHT71

SHT71是一种通过I2 C总线直接输出数字量值，可以同时测量湿度、温度和露点的传感器。

SHT71的外形如图2所示，封装形式为小体积四脚单线封装，其引脚说明如下： ①SCK:串行时钟输入；②VDD: 2. 4~5. 5V电源端； ③GND:接地端； ④DA2TA:双向串行数据线。

图2 STH71外形图

3. 1. 2 硬件接口电路与程序设计

温湿度的采集与显示硬件接口电路如图3 所示，主要由单片机AT89C2051、显示电路、选择开关与数字温湿度传感器SHT71 这四部分组成。当选择开关接通温度采集中断INT0口时，则采集温度；当选择开关接通湿度采集中断INT1口时，则采集湿度；若两个都不接通，则为循环采集温度与湿度。三个数码显示管可以显示采集到的数据，其软件设计如图4所示。

图3 采集显示模块接口电路图

图4 INT0 / INT1中断响应程序流程图

3. 2 无线传输与遥控模块设计

3. 2. 1 无线传输

无线传输包括无线发送与无线接收，无线发送电路如图5 所示，其中PT2262 的A0 ~A7 为地址码，可以设成置1、置0和悬空三种状态，地址编码不重复度为6561组。D0~D4为数据码，与四个I/O口相连，用来每次无线发送四位数据，在编码输出端（17脚）输出编码信号，再经过放大和315MHz的高频调制输出。选择开关可选择设置地址码，当需要只发送温度数据时，设置A0接地， A1~A7全部悬空；当只发送湿度数据时，设置A7接地，其余地址码悬空；当需要循环发送温度与湿度数据时，设置将A0与A7接地，其余地址码悬空。此系统必须在编码芯片PT2262 与解码芯片PT2272 的地址码一一对应相同的条件下，才能实现对应的发送与接收。

图5 无线发送电路图

SHT71的湿度测量范围为0 ~100% RH,温度测量范围为- 40 ~ + 123. 8℃， 对数据处理后以BCD码形式显示并无线发送出去，这样每一组完整的数据包含有个位、十位与百位（或者为负号） .无线发送接收是一个单向的过程，这样就引入了一组数据的同步和出错检测等问题。为了避免传输错误并保证一组数据的完整性，设置了一个起始同步码1111,由于发送的数据都是BCD码，这样就能和数据区分开来。在发送一组数据之前先发送同步码，然后分别发送百位、十位和个位。在发送完个位数据以后，还发送一次包含有个位、十位、百位这三位数据的累加和，以便于接收端判断这一组数据是否传输正确。