李 偉，陳澤軍，黃艷芳，黃松濤

（北京石油化工學(xué)院 北京 102617）

基于CC430與PIC24FJ256的無(wú)線溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 偉，陳澤軍，黃艷芳，黃松濤

（北京石油化工學(xué)院 北京 102617）

為實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域環(huán)境溫濕度監(jiān)測(cè)的需求，提出了一種基于近端無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸和遠(yuǎn)程GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋O(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并完成了系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)。無(wú)線數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)以集成RF收發(fā)模塊的CC430F5137為控制核心，采用溫濕度傳感器SHT75實(shí)現(xiàn)了溫濕度測(cè)量功能；終端RTU選用自帶USB模塊的PIC24FJ256GB106為控制器，完成了采集節(jié)點(diǎn)上傳測(cè)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)、顯示以及遠(yuǎn)程GPRS傳輸。試驗(yàn)結(jié)果表明，該監(jiān)控系統(tǒng)控制精度和測(cè)量精度高，具有工作穩(wěn)定及功耗低的優(yōu)點(diǎn)。

溫濕度；監(jiān)控系統(tǒng)；CC430；無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸；GPRS

在許多工業(yè)生產(chǎn)場(chǎng)合環(huán)境溫濕度指標(biāo)會(huì)對(duì)生產(chǎn)效率以及產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生重要影響，而在易爆易燃場(chǎng)合空氣參數(shù)中溫濕度指標(biāo)更是關(guān)系到生產(chǎn)運(yùn)行的安全性，為避免發(fā)生安全事故，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)場(chǎng)合重要區(qū)域的溫濕度進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)是安全生產(chǎn)運(yùn)行的重要保障。

傳統(tǒng)的溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通常采用有線方式建立，該方式存在布線困難，維護(hù)不便且可移動(dòng)性差等顯著缺點(diǎn)，無(wú)法適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)場(chǎng)合智能化管理的要求［1-2］?？紤]到無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)具有維護(hù)簡(jiǎn)單、組網(wǎng)靈活且易實(shí)現(xiàn)智能化管理等特點(diǎn)，將分布在不同監(jiān)測(cè)區(qū)域的大量傳感器節(jié)點(diǎn)，以無(wú)線通信的方式構(gòu)建監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，可以克服傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方式所帶來(lái)的弊端。為此，本研究采用微功率無(wú)線通信方式組成小規(guī)模短距通信網(wǎng)絡(luò)，并使用 GPRS（通用分組無(wú)線服務(wù)技術(shù)）進(jìn)行數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸，從而實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)溫濕度監(jiān)測(cè)功能。

1 總體方案設(shè)計(jì)

針對(duì)實(shí)際場(chǎng)合對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能要求，設(shè)計(jì)出的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)總體由遠(yuǎn)程監(jiān)控上位機(jī)系統(tǒng)以及包含若干現(xiàn)場(chǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)和多功能終端設(shè)備RTU的下位機(jī)子系統(tǒng)構(gòu)成，每個(gè)終端設(shè)備 RTU對(duì)應(yīng)多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)，RTU與傳感器節(jié)點(diǎn)之間通過微功率無(wú)線通信方式組成通信網(wǎng)絡(luò)。遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)PC系統(tǒng)通過GPRS與終端設(shè)備RTU進(jìn)行通信，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸、實(shí)時(shí)顯示以及異常報(bào)警等功能。系統(tǒng)工作時(shí)，終端設(shè)備RTU可根據(jù)設(shè)定的溫濕度參數(shù)目標(biāo)值，控制溫濕度調(diào)節(jié)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，達(dá)到對(duì)指定區(qū)域溫濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)的效果。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中硬件部分主要由無(wú)線數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和多功能終端RTU構(gòu)成，下面重點(diǎn)介紹該部分的硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方式。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the power control unit test system

2.1 無(wú)線數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)

無(wú)線數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的主要任務(wù)是對(duì)環(huán)境溫濕度進(jìn)行測(cè)量，并通過無(wú)線通信方式將測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)送至多功能終端設(shè)備RTU，其組成部分主要包含傳感器模塊、微控制器模塊以及無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊，無(wú)線數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)硬件組成如圖2所示。

圖2 無(wú)線數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)硬件組成Fig.2 Hardware structure of wireless data acquisition node

為滿足系統(tǒng)溫濕度測(cè)量范圍及測(cè)量精度要求，選用瑞士Sensirion公司推出的集溫度測(cè)量和濕度測(cè)量功能于一體的SHT75傳感器，其采用CMOSens專利技術(shù)，能夠在-40℃～123.8℃溫度范圍和0～100%RH濕度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高精度的溫濕度測(cè)量，典型的溫濕度測(cè)量精度分別可達(dá)±0.3℃和±1.8% RH。該傳感器在精確的濕度腔中進(jìn)行標(biāo)定，經(jīng)兩線制串行I2C總線輸出，具有體積小、功耗低且抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)［3］。

為滿足系統(tǒng)低功耗需要，并兼顧簡(jiǎn)化系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)要求，微控制器模塊和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊選用德州儀器公司集成了RF收發(fā)器內(nèi)核的超低功耗微控制器片載系統(tǒng)系列產(chǎn)品CC430F5137，該控制器可在1.8～3.6 V的寬電壓范圍內(nèi)工作，當(dāng)其工作于433 MHz頻段以1.2 kbps速率發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，電流消耗僅為16 mA（在待機(jī)模式和關(guān)閉模式時(shí)電流分別為1.8 μA 和1.0 μA），適合于長(zhǎng)時(shí)間由電池供電的工作環(huán)境［4］，完全可以滿足系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)需要。在本系統(tǒng)中，為進(jìn)一步降低系統(tǒng)功耗延長(zhǎng)電池供電時(shí)間，無(wú)線數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)未被喚醒時(shí)使控制器處于低功耗模式（LPM3），被喚醒后則將控制器轉(zhuǎn)入活動(dòng)狀態(tài)完成溫濕度測(cè)量并上傳測(cè)量結(jié)果。該控制器中射頻模塊可工作在多個(gè)頻段，本系統(tǒng)中將其設(shè)置成433 MHz頻段上，其在空曠場(chǎng)地傳輸距離可達(dá)數(shù)百米（增加路由設(shè)備后能實(shí)現(xiàn)1 km距離數(shù)據(jù)傳輸），可以滿足系統(tǒng)傳輸距離要求。

由于每個(gè)RTU終端與多個(gè)無(wú)線數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)之間采用輪流喚醒方式進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，為同一區(qū)域不同數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)進(jìn)行區(qū)分，需要對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備分配不同的地址編碼。系統(tǒng)采用8位撥碼開關(guān)來(lái)設(shè)置每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備的地址，確保每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)唯一的地址編碼。

此外，為滿足對(duì)溫濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)的設(shè)計(jì)需要，在同一區(qū)域除設(shè)有若干數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)外，還須配備溫濕度調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)，其組成與數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)類似，僅將傳感器部分換成溫濕度調(diào)節(jié)控制電路部分即可。

2.2 多功能終端RTU

多功能終端RTU需要實(shí)現(xiàn)對(duì)從各無(wú)線數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)所獲取數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)以及遠(yuǎn)程傳輸?shù)裙δ埽溆布M成如圖3所示，主要由微控制器模塊、觸摸屏模塊、存儲(chǔ)模塊、無(wú)線數(shù)傳模塊、GPRS數(shù)據(jù)通信模塊以及其它輔助功能模塊構(gòu)成。

圖3 終端RTU硬件組成Fig.3 Hardware structure of terminal equipment RTU

在本系統(tǒng)中，考慮到便于實(shí)現(xiàn)USB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能以及多路UART異步串行通訊的設(shè)計(jì)需要，選用美國(guó)Microchip公司的16位高性能低功耗微控制器PIC24FJ256GB106作為終端設(shè)備控制核心，由于其自帶USB功能模塊，無(wú)須采用外部接口電路即可很方便地實(shí)現(xiàn)USB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，且該控制器能提供多達(dá)4路通用異步串行端口，因此可極大程度上簡(jiǎn)化系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。此外，該控制器所獨(dú)有的引腳配置功能，使得其相對(duì)于其它處理器而言，在IO端口和外設(shè)功能使用方面具有較強(qiáng)的靈活性［5］，給硬件設(shè)計(jì)和軟件調(diào)試提供了便利。

為保證與無(wú)線數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)中無(wú)線收發(fā)模塊的一致性，在RTU終端設(shè)備中選擇基于C1101芯片的微功率無(wú)線收發(fā)模塊，該模塊采用SPI接口與微控制器進(jìn)行通訊。GPRS模塊選用應(yīng)用廣泛的SIMCOM公司通訊模塊SIM300C［6］，由于設(shè)計(jì)中只需要用到該模塊的GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)通訊功能，其短信收發(fā)和語(yǔ)音通信功能均未用到，故設(shè)計(jì)SIM300C模塊硬件電路時(shí)僅保留GPRS數(shù)據(jù)傳輸功能的硬件部分。SIM300C模塊硬件設(shè)計(jì)電路主要包含串口通訊單元、SIM卡接口單元和開關(guān)機(jī)電路：串口通訊單元與微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，由于兩者通信電平一致，故只需將模塊提供的數(shù)據(jù)發(fā)送接收TXD 和RXD與控制器UART0單元引腳交叉互聯(lián)即可；SIM300C模塊與SIM卡的數(shù)據(jù)連接線須串接22 Ω電阻進(jìn)行阻抗匹配，以提高數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性。

為便于實(shí)時(shí)顯示無(wú)線數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)所上傳的數(shù)據(jù)，選用威綸通觸摸屏MT6070IH實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，該觸摸屏提供RS232/485接口與控制器進(jìn)行通訊，在本設(shè)計(jì)中為提高系統(tǒng)的抗干擾能力，采用RS485方式實(shí)現(xiàn)串口通訊功能，須采用MAX485電平轉(zhuǎn)換芯片完成微控制器與觸摸屏之間的電平轉(zhuǎn)換。

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中軟件設(shè)計(jì)部分包含無(wú)線數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)、多功能終端RTU軟件設(shè)計(jì)、觸摸屏顯示界面以及上位機(jī)監(jiān)控界面設(shè)計(jì)，下面主要就前兩部分的軟件設(shè)計(jì)思路進(jìn)行介紹。

3.1 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

無(wú)線數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)控制器軟件設(shè)計(jì)主要由溫濕度數(shù)據(jù)采集部分和無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)部分組成。系統(tǒng)上電后首先進(jìn)行初始化工作：配置I2C總線和UART異步串行通訊端口寄存器，設(shè)定通訊波特率及相應(yīng)中斷功能；設(shè)置無(wú)線收發(fā)模塊寄存器，將射頻發(fā)送載波頻率和數(shù)據(jù)通信速率分別設(shè)定為433 MHz 和2.4 kbps，并使能地址檢測(cè)功能。控制器初始化完畢后會(huì)向終端RTU設(shè)備發(fā)起連接請(qǐng)求，并等待RTU設(shè)備應(yīng)答。為降低系統(tǒng)功耗，連接成功后將控制器設(shè)定為功耗極低的無(wú)線喚醒（WOR）模式，并使能總中斷允許位；當(dāng)通過無(wú)線收發(fā)中斷接收到數(shù)據(jù)請(qǐng)求后，控制器轉(zhuǎn)入正常工作模式，驅(qū)動(dòng)SHT75傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后對(duì)獲取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理還原為實(shí)際的溫濕度參數(shù)，并將其上傳至終端RTU設(shè)備。無(wú)線數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)主程序流程圖如圖4（a）所示。

圖4 軟件流程圖Fig.4 Flow chart of the software

3.2 終端RTU軟件設(shè)計(jì)

終端設(shè)備RTU部分是整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心，需要利用控制器提供的異步串行端口（UART0和UART1）、SPI串行端口（SPI1）以及USB端口完成觸摸屏人機(jī)交互、遠(yuǎn)程GPRS數(shù)據(jù)和近端無(wú)線數(shù)據(jù)的收發(fā)以及USB數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)等部分的軟件設(shè)計(jì)，該部分主程序流程圖如圖 4（b）所示，軟件設(shè)計(jì)在MAPLAB IDE編程開發(fā)環(huán)境中完成。系統(tǒng)上電初始化部分需要使用引腳配置功能將外設(shè)映射到所選用IO端口，并設(shè)定各外設(shè)波特率、合理安排對(duì)應(yīng)中斷觸發(fā)功能。

4 實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

將該監(jiān)控系統(tǒng)用于實(shí)際試驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行測(cè)試，選取3個(gè)不同區(qū)域分別設(shè)定溫濕度目標(biāo)值，每個(gè)區(qū)域內(nèi)放置5個(gè)無(wú)線數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，并將測(cè)量結(jié)果與臺(tái)灣泰瑪斯TM-185溫濕度記錄儀相對(duì)照，檢驗(yàn)該監(jiān)控系統(tǒng)測(cè)量精度以及控制精度，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果如表1所示。從表1中數(shù)據(jù)可以看出，所選監(jiān)控區(qū)域的實(shí)測(cè)溫度與目標(biāo)溫度之間的控制誤差在±1.5℃以內(nèi)，而濕度控制誤差在±5%RH以內(nèi)，能夠滿足預(yù)定控制要求。而與所選溫濕度記錄儀相比較，溫度測(cè)量誤差均在正常測(cè)量誤差允許范圍內(nèi)。

表1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果Tab.1 Test result of monitoring system

5 結(jié) 論

文中基于近端無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸和遠(yuǎn)端GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了易于智能化管理的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，該監(jiān)控系統(tǒng)控制精度和測(cè)量精度均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，具有通信可靠、功耗低、組網(wǎng)方便易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效解決傳統(tǒng)溫濕度監(jiān)控方案存在的布線復(fù)雜、靈活性差等問題，可廣泛應(yīng)用于不同工業(yè)領(lǐng)域的溫濕度監(jiān)控場(chǎng)合。

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Design of wireless temperature and humidity monitoring system based on CC430 and PIC24FJ256

LI Wei，CHEN Ze-jun，HUANG Yan-fang，HUANG Song-tao
（Beijing Institute of Petro-chemical Technology，Beijing 102617，China）

For meeting the need of monitoring temperature and humidity in industrial situation，a design scheme based on wireless network transmission and GPRS data transmission was proposed，and the design of the hardware and software during the system was realized.With CC430F5137 which integrates RF module as core controller，the wireless data acquisition node realized the measurement function of temperature and humidity by using digital sensor named SHT75.The function of real-time storage，display and transmission of measurement data received from data acquisition node were all completed in terminal equipment RTU which selected PIC24FJ256GB106 as controller.The experiment results show that，the monitoring system can achieve high precision control and measurement，and has the advantage of reliable performance and low power consumption.

temperature and humidity；monitoring system；cc430；wireless network transmission；GPRS

TN98

A

1674－6236（2016）04-0158-03

2015-04-22 稿件編號(hào)：201504238

北京市教委科技計(jì)劃面上項(xiàng)目（KM201210017002）

李 偉（1979—），男，湖北天門人，講師，碩士。研究方向：機(jī)電一體化、計(jì)算機(jī)測(cè)控。