陳星晨,張麗萍

(福州大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，福州 350116)

基于無(wú)線傳輸?shù)能?chē)載溫濕度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳星晨,張麗萍

(福州大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，福州 350116)

為了克服傳統(tǒng)溫濕度靜態(tài)點(diǎn)測(cè)量的局限性大、靈活性差的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于無(wú)線傳輸?shù)能?chē)載溫濕度測(cè)量系統(tǒng);用戶通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)無(wú)線遙控小車(chē)，可以進(jìn)行人體無(wú)法進(jìn)入或帶有危險(xiǎn)性質(zhì)場(chǎng)所的溫濕度測(cè)量;使用了DHT11數(shù)字式溫濕度傳感器進(jìn)行溫濕度的測(cè)量,并利用NRF905收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸;上位機(jī)采用Labview圖形化開(kāi)發(fā)工具，控制面板上可以進(jìn)行溫濕度歷史數(shù)據(jù)的查詢，以曲線、數(shù)字、量程三種不同的形式顯示實(shí)時(shí)溫濕度數(shù)據(jù)，當(dāng)溫濕度超過(guò)預(yù)警值時(shí)能夠報(bào)警，同時(shí)能實(shí)時(shí)顯示小車(chē)運(yùn)動(dòng)軌跡;整個(gè)系統(tǒng)人機(jī)界面簡(jiǎn)潔，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，適應(yīng)性強(qiáng)。

無(wú)線傳輸；動(dòng)態(tài)點(diǎn)測(cè)量；溫濕度測(cè)量；Labview

0 引言

溫度和濕度是工業(yè)生產(chǎn)、倉(cāng)儲(chǔ)技術(shù)、農(nóng)林牧業(yè)、家居生活中的一個(gè)非常重要的參數(shù)。它影響著我們生活的方方面面。經(jīng)過(guò)調(diào)查和查詢相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)，單個(gè)靜態(tài)點(diǎn)溫濕度的測(cè)量[1]和多個(gè)靜態(tài)點(diǎn)溫濕度的測(cè)量[2]都已經(jīng)有了較多的研究成果，并且測(cè)量方法[3]也有了很大提升。但也存在一些問(wèn)題，有線的溫濕度采集系統(tǒng)，布線成本高，后期改造困難；而智能化的溫濕度無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)造價(jià)較高，特別是在測(cè)量點(diǎn)比較多的情況。為此本文設(shè)計(jì)了將無(wú)線遙控小車(chē)作為載具，搭乘溫濕度測(cè)量裝置，用戶可通過(guò)PC機(jī)操控小車(chē)并通過(guò)無(wú)線的方式獲得溫濕度數(shù)據(jù)，將溫濕度的靜態(tài)點(diǎn)檢測(cè)變?yōu)橐欢ǚ秶鷥?nèi)動(dòng)態(tài)點(diǎn)檢測(cè)，具有較高的靈活性和適應(yīng)性。

1 基于無(wú)線傳輸?shù)能?chē)載溫濕度測(cè)量裝置總體方案設(shè)計(jì)

基于無(wú)線傳輸?shù)臏貪穸葴y(cè)量?jī)x由兩個(gè)部分構(gòu)成：小車(chē)部分和PC機(jī)部分。小車(chē)部分由溫濕度傳感器DHT11，單片機(jī)STC89C52RC，液晶顯示屏LCD1602，NRF905無(wú)線收發(fā)模塊[4]，小車(chē)組件(含底盤(pán)、車(chē)輪和直流電機(jī)等)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊L298N組成。PC機(jī)部分由單片機(jī)STC89C52RC，NRF905無(wú)線收發(fā)模塊，PL2303模塊以及PC機(jī)組成。

對(duì)小車(chē)軌跡進(jìn)行控制時(shí)，PC機(jī)部分作為小車(chē)控制指令發(fā)射端。用戶通過(guò)操作上位機(jī)控制面板發(fā)送動(dòng)作信號(hào)給單片機(jī)，再由單片機(jī)控制無(wú)線模塊傳輸數(shù)據(jù)。小車(chē)部分無(wú)線模塊接收來(lái)自PC機(jī)的小車(chē)動(dòng)作信號(hào)并傳送給車(chē)載的單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)信號(hào)對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊發(fā)出控制指令，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)。執(zhí)行溫濕度數(shù)據(jù)信號(hào)采集功能時(shí)，小車(chē)部分作為數(shù)據(jù)信號(hào)發(fā)送端，通過(guò)DHT11采集現(xiàn)場(chǎng)溫濕度信號(hào)，將測(cè)得信號(hào)發(fā)送給單片機(jī)STC89C52RC，單片機(jī)將收到的溫濕度信號(hào)傳送給無(wú)線模塊NRF905并顯示在液晶顯示屏LCD1602上，PC機(jī)部分則通過(guò)無(wú)線模塊NRF905接收現(xiàn)場(chǎng)傳來(lái)的信號(hào)后，通過(guò)單片機(jī)和PL2303模塊轉(zhuǎn)換信號(hào)傳輸給PC機(jī)進(jìn)行顯示和處理。系統(tǒng)的方塊圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的方塊圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 車(chē)載端電路

小車(chē)端電路需要實(shí)現(xiàn)的功能：溫濕度數(shù)據(jù)信號(hào)的采集、顯示和傳輸；小車(chē)控制信號(hào)的接收以及小車(chē)驅(qū)動(dòng)。設(shè)計(jì)中使用DHT11溫濕度傳感器來(lái)采集數(shù)據(jù)信號(hào)，液晶顯示屏LCD1602顯示采集到的溫濕度數(shù)據(jù)，NRF905無(wú)線模塊來(lái)發(fā)送溫濕度數(shù)據(jù)信號(hào)并且接收來(lái)自上位機(jī)的小車(chē)控制信號(hào)，L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊[5]用于驅(qū)動(dòng)小車(chē)兩個(gè)車(chē)輪的直流電機(jī)。

單片機(jī)STC89C52RC的電源電壓是5 V，NRF905無(wú)線模塊的電源電壓是3.3 V，采用降壓芯片AMS1117-3.3 V來(lái)滿足NRF905無(wú)線模塊的供電需求。主控芯片和與無(wú)線傳輸模塊NRF905之間采用I/O口模擬SPI進(jìn)行控制，其通訊采用Master與Slave結(jié)合的框架模式實(shí)現(xiàn)串行數(shù)據(jù)線MOSI與MISO的數(shù)據(jù)通訊。其中NRF905芯片選用430MHzISM工作頻段，配合內(nèi)置的無(wú)線通訊協(xié)議和CRC校驗(yàn)功能，可以自動(dòng)完成編碼解碼功能，另外，由于該芯片擁有較強(qiáng)的抗干擾能力強(qiáng)，受環(huán)境影響小的高斯頻移鍵控調(diào)制方式，使其在復(fù)雜的環(huán)境中通信無(wú)礙[4]。小車(chē)端無(wú)線傳輸電路和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖2和圖3所示。

圖2 小車(chē)端無(wú)線傳輸電路圖

圖3 小車(chē)端電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖

2.2 PC機(jī)端電路

PC機(jī)端電路需要實(shí)現(xiàn)的功能：溫濕度信號(hào)的接收和控制指令的發(fā)送。設(shè)計(jì)中采用NRF905無(wú)線模塊接收溫濕度信號(hào)并且發(fā)送小車(chē)控制指令信號(hào)，單片機(jī)與PC機(jī)之間的串口通訊使用PL2303模塊[6]來(lái)實(shí)現(xiàn)。NRF905無(wú)線模塊的接線同車(chē)載端電路相同，可參見(jiàn)小車(chē)端的無(wú)線傳輸電路，串口通訊電路如圖4所示。

圖4 PC機(jī)端串口通訊電路圖

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)無(wú)線傳輸軟件設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)中車(chē)載端和PC機(jī)端都需要發(fā)送和接收數(shù)據(jù)信號(hào)，無(wú)線傳輸程序首先需要對(duì)NRF905無(wú)線模塊進(jìn)行初始化[7]和寄存器配置，配置頻段在430MHZ，輸出功率為10db。芯片ShockBurst RX接收模式與ShockBurst TX發(fā)送模式的切換只需控制上電控制引腳PWR_UP、芯片狀態(tài)標(biāo)志位引腳TRX_CE，模式設(shè)定引腳TX_EN這三個(gè)引腳就能夠完成。在ShockBurst TX發(fā)送模式中，設(shè)置TRX_CE=0、TX_EN=1以及PWR_UP=1，使得芯片處于空閑狀態(tài)，待有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，通過(guò)I/O口模擬SPI總線將接收信息的微控制器地址和數(shù)據(jù)發(fā)送給NRF905，再使得端口TRX_CE=0，激活 ShockBurstTX 模式。此時(shí)，NRF905將校驗(yàn)信息與數(shù)據(jù)合并打包發(fā)送，待數(shù)據(jù)就緒引腳DR=1時(shí)，表示數(shù)據(jù)發(fā)送成功，將引腳TRX_CE置低，返回初始狀態(tài)。在ShockBurst RX接收模式中，先設(shè)置芯片為空閑等待模式。當(dāng)引腳TRX_CE=1，進(jìn)入數(shù)據(jù)接收模式。延時(shí)650 μs等待數(shù)據(jù)接收，隨后檢測(cè)總線載波信號(hào)，當(dāng)檢測(cè)到信號(hào)時(shí)，載波檢測(cè)標(biāo)志位CD置高。接收地址與數(shù)據(jù)地址匹配相同時(shí)，引腳AM 置高。等到CD和AM引腳都置高時(shí)，開(kāi)始接收傳輸數(shù)據(jù)，接收完畢后，進(jìn)行CRC位校驗(yàn)，校驗(yàn)正確后引腳DR自動(dòng)置高表示數(shù)據(jù)信號(hào)正確且接收成功，此時(shí)將TRX_CE引腳置低進(jìn)入空閑模式等待下一次數(shù)據(jù)接收。

數(shù)據(jù)的交換采用載波監(jiān)聽(tīng)(CSMA)[7]的方法來(lái)保證系統(tǒng)有效運(yùn)行。在發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)時(shí)，采用載波檢測(cè)的方法防止單片機(jī)部分和PC機(jī)部分同時(shí)發(fā)送無(wú)線數(shù)據(jù)造成信道沖突。在發(fā)送數(shù)據(jù)前，單片機(jī)需要先判斷無(wú)線模塊CD引腳是否為高電平，若為低電平，說(shuō)明空間中不存在同頻率的載波，可以立即發(fā)送數(shù)據(jù)；若為高電平，說(shuō)明空間中存在相同頻率的載波，需要避讓一段時(shí)間再嘗試發(fā)送數(shù)據(jù)。避讓時(shí)間的選擇采用非堅(jiān)持算法[7]，即等待一個(gè)由概率分布決定的隨機(jī)重發(fā)延遲時(shí)間(延時(shí)時(shí)間是由程序產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù))，再監(jiān)測(cè)無(wú)線模塊NRF905的CD引腳的電平，進(jìn)而決定發(fā)送數(shù)據(jù)或者是再進(jìn)行隨機(jī)延時(shí)。采用隨機(jī)的重發(fā)延遲時(shí)間可以減少數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)程中產(chǎn)生信道沖突發(fā)生的可能性，避免程序運(yùn)行周期接近導(dǎo)致的反復(fù)數(shù)據(jù)丟失。無(wú)線傳輸?shù)陌l(fā)送流程圖如圖5所示，無(wú)線傳輸?shù)慕邮樟鞒虉D如圖6所示。

圖5 無(wú)線傳輸發(fā)送流程圖

圖6 無(wú)線傳輸接收流程圖

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)采用Labview編寫(xiě)，Labview程序由程序框圖和前面板組成。前面板是用戶和程序交互使用的界面。程序框圖寫(xiě)出的代碼能夠通過(guò)前面板以圖形的方式顯示出來(lái)，利于用戶直觀地理解各種界面的功能[8]。為了界面簡(jiǎn)潔，便于操作，采用了如圖7的軟件程序結(jié)構(gòu)。

該軟件系統(tǒng)主要包括以下功能：

1)從下位機(jī)采集到溫濕度數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和顯示；

2)將采集到的數(shù)據(jù)連接到文本中，進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；

3)發(fā)送對(duì)小車(chē)的控制信號(hào)，并顯示小車(chē)運(yùn)行軌跡；

4)提供一個(gè)人機(jī)交互的界面以選擇需要調(diào)整的參數(shù)和功能(小車(chē)控制或監(jiān)測(cè)狀態(tài)，溫濕度預(yù)警值)。

小車(chē)運(yùn)行軌跡的計(jì)算是采用相對(duì)坐標(biāo)的方法。假設(shè)小車(chē)運(yùn)行時(shí)間為t，直線速度為v，旋轉(zhuǎn)角速度為ω。初始位置的坐標(biāo)設(shè)定為(x0,y0)，小車(chē)位置的坐標(biāo)為(x1,y1)。

前進(jìn)和后退按鍵所對(duì)應(yīng)的小車(chē)位置坐標(biāo)為：

(1)

左右旋轉(zhuǎn)按鍵所對(duì)應(yīng)的小車(chē)位置坐標(biāo)為：

(2)

每次運(yùn)動(dòng)完成后，將小車(chē)運(yùn)動(dòng)結(jié)束位置設(shè)置為新的初始位

圖7 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

置，初始的坐標(biāo)系隨著小車(chē)移動(dòng)進(jìn)行平移或者旋轉(zhuǎn)生成新的坐標(biāo)系。直線運(yùn)動(dòng)以及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系變化如圖8和圖9所示。坐標(biāo)位置點(diǎn)計(jì)算完成后采用Labview里圖片繪制，將每次坐標(biāo)轉(zhuǎn)化的小車(chē)坐標(biāo)用直線連接起來(lái)，并創(chuàng)建局部變量保留所有的軌跡連線，形成小車(chē)軌跡的顯示。

圖8 直線軌跡坐標(biāo)系變化示意圖

圖9 曲線軌跡坐標(biāo)系變化示意圖

4 系統(tǒng)調(diào)試

在某一房間中進(jìn)行溫濕度的動(dòng)態(tài)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)PC端發(fā)送指令控制小車(chē)在房間內(nèi)完成指定的軌跡運(yùn)動(dòng)，控制效果較好，小車(chē)運(yùn)動(dòng)軌跡和PC控制面板上顯示軌跡基本一致。小車(chē)端通過(guò)無(wú)線傳輸發(fā)送到PC端的溫濕度數(shù)據(jù)與使用溫濕度測(cè)量?jī)x測(cè)出的數(shù)據(jù)一致，并且采集的數(shù)據(jù)平穩(wěn)，可以滿足實(shí)驗(yàn)條件。在試驗(yàn)過(guò)程中，系統(tǒng)表現(xiàn)穩(wěn)定，能長(zhǎng)時(shí)間高速運(yùn)行，采集的溫濕度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在系統(tǒng)的應(yīng)用界面上，實(shí)現(xiàn)了多種的顯示形式：數(shù)值顯示、量程顯示、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線。采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于文檔中便于調(diào)取查詢。通過(guò)PC控制面板上多種顯示形式的溫濕度數(shù)據(jù)以及小車(chē)運(yùn)行軌跡圖，操作人員能夠更為直觀的觀察到一定范圍內(nèi)溫濕度動(dòng)態(tài)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象。

5 結(jié)論

針對(duì)市場(chǎng)的溫濕度測(cè)量?jī)x一般只用于定點(diǎn)測(cè)量這一問(wèn)題，提出了將無(wú)線遙控小車(chē)作為載具，搭乘溫濕度測(cè)量裝置的方案。文中設(shè)計(jì)了無(wú)線傳輸電路及小車(chē)驅(qū)動(dòng)電路，為了實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸?shù)哪康?，編制了無(wú)線傳輸?shù)陌l(fā)送與接收程序。采用LABVIEW進(jìn)行上位機(jī)編程以實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)的通信，并測(cè)量結(jié)果進(jìn)行處理、顯示和儲(chǔ)存。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，該裝置可以實(shí)現(xiàn)一定區(qū)域內(nèi)的溫濕度動(dòng)態(tài)點(diǎn)的測(cè)量。

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Design of Vehicle Temperature and Humidity Measuring System Based on
Wireless Transmission

Chen Xingchen，Zhang Liping

(College of mechanical engineering and automation，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou 350116，China)

In order to overcome the limitation of the traditional temperature and humidity measurement and the problem of flexibility, a vehicle temperature and humidity measurement system based on wireless transmission is designed.The user is able to use the computer to control the car remotely by wireless commands, which can measure the temperature and humidity in some place where people can not enter or in hazardous conditions. The DHT11 digital temperature and humidity sensor is used to measure the temperature and humidity, and the wireless transmission of data is realized by using the NRF905 transceiver module. PC uses Labview graphical development tools to write programs, the user can check the temperature and humidity history data in the control panel, and which displays real-time temperature and humidity data in three different forms, curve, digital and range, when the temperature and humidity exceeds the warning value, the utility model can alarm, and the track of the car can be displayed in real time. The man-machine interface of the whole system is simple, the system is stable, and the adaptability is strong.

wireless transmission；wireless remote control；temperature and humidity measurement；Labview

2016-11-22；

2016-12-15。

陳星晨(1993-)，男，寧德人，碩士研究生，主要從事太赫茲，無(wú)損檢測(cè)，激光加工等方向的研究。

張麗萍(1972-)，女，莆田人，博士，副教授，主要從事自動(dòng)檢測(cè)方向的研究。

1671-4598(2017)05-0042-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.05.013

TP3

A