摘要：為克服目前溫濕度計(jì)量檢定布線復(fù)雜、功能簡單等缺點(diǎn)，文章中設(shè)計(jì)了一套無線溫濕度采集系統(tǒng)，利用DHT11溫濕度傳感器模塊，經(jīng)STM32F113C8T6單片機(jī)處理，通過SP82C6Wi模塊與手機(jī)進(jìn)行配網(wǎng)，將環(huán)境溫濕度通過無線方式傳輸?shù)绞謾C(jī)端，經(jīng)過手機(jī)App實(shí)時(shí)顯示采集模塊所在環(huán)境的溫濕度。測試結(jié)果表明，該采集系統(tǒng)通過溫濕度傳感器和無線傳輸模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測環(huán)境溫濕狀況，并以數(shù)值形式在設(shè)備端顯示。

關(guān)鍵詞：無線溫濕度；采集；研究思路；測試

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2023.02.035

中圖分類號：TN 92，TP 274.2" " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)示碼：B" " " " " " " "文章編碼：1672-7274（2023）02-0-04

Development of Wireless Temperature and Humidity Acquisition System

WANG Xiaolong

（China Aviation Industry Corporation Beijing Great Wall Measurement and Testing Technology Research Institute， Beijing 100095， China）

Abstract： In order to overcome the shortcomings of complex wiring and simple functions in the current temperature and humidity measurement and verification， a wireless temperature and humidity acquisition system is designed in this paper. The DHT11 temperature and humidity sensor module is used， processed by the STM32F113C8T6 single-chip microcomputer， and the SP82C6Wi module is used to distribute the network with the mobile phone. The environment temperature and humidity are wirelessly transmitted to the mobile phone， and the temperature and humidity of the environment where the acquisition module is located are displayed in real time through the mobile phone App. The test results show that the acquisition system monitors the environmental temperature and humidity conditions in real time through temperature and humidity sensors and wireless transmission modules， and displays them in numerical form on the device side.

Key words： wireless temperature and humidity; acquisition; research ideas; test

0" 引言

溫濕度和工業(yè)生產(chǎn)過程息息相關(guān)，在倉庫、田間，甚至在其他生產(chǎn)環(huán)境，都需要加強(qiáng)對溫濕度的管理。現(xiàn)有的溫濕度傳感器通過有線的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，電路眾多且相互纏繞在一起，很難實(shí)現(xiàn)多區(qū)域的精準(zhǔn)管理，體量上的增長難度較高。同時(shí)接線成本較高，一旦出現(xiàn)電纜老化，更換效率較低，不利于維持工業(yè)生產(chǎn)的穩(wěn)定性。而高集成無線模塊技術(shù)因其價(jià)格低廉、具備無線通信功能越來越受到重視，并被廣泛地應(yīng)用，使無線高效溫濕度檢測變成現(xiàn)實(shí)。在本文所述系統(tǒng)設(shè)計(jì)中融入了溫濕度感應(yīng)器、無線數(shù)據(jù)組件、串口驅(qū)動模塊等多個(gè)裝置，用以接收溫濕度信息，再將其輸送至無線模塊，發(fā)揮串口驅(qū)動作用，高效完成線路溫濕度信息傳輸，最終在上位機(jī)上予以顯示，以實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸，并確保實(shí)時(shí)監(jiān)控目標(biāo)的達(dá)成。另外，該系統(tǒng)具備溫濕度報(bào)警功能，當(dāng)出現(xiàn)超限情形時(shí)，系統(tǒng)會發(fā)出預(yù)警。該系統(tǒng)便于投入生產(chǎn)應(yīng)用，移植過程更加便捷，有著更廣泛的使用前景[1]。

1" 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集是工業(yè)生產(chǎn)過程中不能缺少的關(guān)鍵部分，是工業(yè)生產(chǎn)管理的基本依據(jù)。本控制系統(tǒng)主要由下位機(jī)的信息收集、傳輸部分和上位機(jī)的信息接收與處理部分所構(gòu)成，下位機(jī)一般由嵌入式單片機(jī)和藍(lán)牙器件構(gòu)成，信息收集大部分采用DHT11溫濕度感應(yīng)器；數(shù)據(jù)信息部分則使用藍(lán)牙功能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的無線傳送，將信息通過藍(lán)牙功能傳送到上位機(jī)上，再由上位機(jī)完成數(shù)據(jù)處理。

2" 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)規(guī)劃

本系統(tǒng)以DHT11型號的溫濕度傳感器為核心，利用S3C2440獲取采集點(diǎn)監(jiān)測數(shù)值，并且借助無線通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，最終映射到上位機(jī)服務(wù)器上。作為遠(yuǎn)程無線溫濕度信息的采集系統(tǒng)，按照不同功能節(jié)點(diǎn)進(jìn)行劃分，更好地完成數(shù)據(jù)信息的收集處理工作。在分節(jié)點(diǎn)中，兩類處理器占據(jù)主導(dǎo)，以溫濕度傳感器為主要構(gòu)成，配合無線收發(fā)裝置，發(fā)揮信息采集傳遞功能。而主節(jié)點(diǎn)除處理器選取不同外，其余配置與分節(jié)點(diǎn)相當(dāng)。最后就是利用互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)完成服務(wù)器信號傳輸。具體系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖如圖1所示。

3" 系統(tǒng)核心硬件構(gòu)成

3.1 無線溫濕度傳感器

無線溫濕度傳感器主要使用溫濕度傳感器DHT11、AVR單片機(jī)AtmegaL16以及無線收發(fā)芯片NRF24L01等各種功能芯片。開關(guān)電源路線包括：①電源電路，使用9 V電池供電，經(jīng)LM1117-3.3V電源電壓變換芯片，將電壓變換至控制系統(tǒng)所要求的3.3 V。②單片機(jī)ATmegaL16、無線收發(fā)芯片NRF24L01和溫濕度傳感器DHT11組成接線集成電路。ATmegaL16的PB三口與無線音頻芯片NRF24l01的CE引腳相連接；ATmegaL16的外部中斷口INT2與無線音頻芯片NRF24l01的數(shù)據(jù)接收，實(shí)現(xiàn)了IRQ中斷口連接；單片機(jī)ATmegal16的內(nèi)部PA零口與溫濕度傳感器DHT11的DQ接口相連，實(shí)現(xiàn)了對溫濕度傳感器DHT11的監(jiān)控并讀出溫濕度信息[2]。

3.2 無線收發(fā)器

無線收發(fā)器主要使用AVR單片機(jī)AtmEgaL16、無線網(wǎng)絡(luò)接收芯片NRF24L01和RS232串口電平切換芯片MAX3232E等功能芯片。NRF24L01是一種工業(yè)級別的低成本無線接收器，支持125個(gè)通信信道，6個(gè)數(shù)據(jù)通道以滿足多點(diǎn)通信。其中，在AtmegaL16和無線接收芯片NRF24L01之間，使用了SPI通信。

4" 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)內(nèi)容包括上位機(jī)控制軟件以及無線收發(fā)器、無線中繼器、無線溫濕度傳感器等的基本驅(qū)動程序。

4.1 上位機(jī)監(jiān)控管理軟件

上位機(jī)監(jiān)測軟件主要是利用高級編程語言Visual C++9.0編寫，可以實(shí)現(xiàn)對上位機(jī)工作畫面編程、上位機(jī)與無線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)信器之間的RS232串行口通信協(xié)議編寫、大數(shù)據(jù)分析管理、監(jiān)測數(shù)據(jù)庫的制作、溫濕度數(shù)據(jù)曲線的制作及各類報(bào)告的制作和打印。

4.2 底層驅(qū)動程序設(shè)計(jì)

在底層驅(qū)動設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中應(yīng)用AVR Studio 6編譯器主要驅(qū)動方式有無線收發(fā)器、無線中繼臺、無線溫濕度傳感器、無線接收電路NRF24L01驅(qū)動、無線溫濕度傳感器中DHT11的驅(qū)動以及無線收發(fā)器的串口通信程序。其中，各臺NRF24L01收發(fā)設(shè)備均使用中斷接收，無線收發(fā)器和上位機(jī)之間的串口通信均使用串口中斷接收[3]。

5" 溫濕度采集結(jié)構(gòu)程序運(yùn)行過程

5.1 DHT11在Linux下的驅(qū)動過程

該系統(tǒng)選擇嵌入式Linux內(nèi)核的最新版本，選取與其相匹配的驅(qū)動程序，直至完成系統(tǒng)設(shè)定，并且通過運(yùn)行相關(guān)命令，選擇窗口中的特定符號，進(jìn)行選項(xiàng)設(shè)定，隨后進(jìn)行驅(qū)動程序的編輯工作。將編譯好的驅(qū)動程序進(jìn)行下載，存儲至開發(fā)板內(nèi)，此時(shí)內(nèi)核進(jìn)行驅(qū)動加載，會將預(yù)先編制好的測試程序進(jìn)行下載，安裝在開發(fā)板中等待啟動。通過觀察PC端串口終端，統(tǒng)計(jì)相關(guān)顯示信息，在串口1可打印溫度和濕度出現(xiàn)數(shù)值，表示系統(tǒng)完成驅(qū)動程序的內(nèi)核加載操作。

5.2 無線傳輸模塊驅(qū)動程序

分析本案例中的無線傳輸模塊，Linux設(shè)備中的驅(qū)動程序依照字符數(shù)完成驅(qū)動模式編寫。探究所選取芯片的基本特性，分辨相關(guān)操作系統(tǒng)中產(chǎn)品的差異表現(xiàn)，認(rèn)定該驅(qū)動程序?yàn)樽址a(chǎn)品類型。加強(qiáng)對字符設(shè)備中特殊技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用，了解混雜技術(shù)的控制方法，預(yù)先固定主設(shè)備號，確保系統(tǒng)不會進(jìn)行二次修改，當(dāng)加載驅(qū)動時(shí)，相應(yīng)地完成設(shè)備文件生成，整體過程表現(xiàn)出自動化。

5.3 網(wǎng)絡(luò)的通信過程

Linux環(huán)境中，以socket套接字實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。選擇TCP協(xié)議，確保服務(wù)過程是安全的，能夠應(yīng)對更加復(fù)雜且多向連接的通信情況。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)程創(chuàng)建后，接收端將獲取的信息數(shù)據(jù)確認(rèn)后再次發(fā)出，發(fā)送端接收到確認(rèn)轉(zhuǎn)換的信息后，說明信息正確傳輸了，否則就要重發(fā)數(shù)據(jù)。

5.4 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)當(dāng)數(shù)協(xié)調(diào)器，構(gòu)建整體無線通信網(wǎng)絡(luò)，確保終端節(jié)點(diǎn)加入后可以獲得相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)地址分配，從而協(xié)調(diào)各個(gè)節(jié)點(diǎn)間關(guān)系，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的順暢傳輸。給予協(xié)調(diào)器硬件穩(wěn)定電流，初始化相關(guān)串口和網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建全新的無線網(wǎng)絡(luò)，要求主程序能夠發(fā)揮作用，開展事件掃描、查詢工作。

5.5 協(xié)同器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)的傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

終端節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)建立網(wǎng)絡(luò)連接，相互完成關(guān)系綁定，此時(shí)終端節(jié)點(diǎn)處理溫濕度收集信息，并同時(shí)將從溫濕度傳感器中收集的信息，經(jīng)過無線通信進(jìn)行傳遞。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)獲得信息后，觸發(fā)相關(guān)事件，對數(shù)據(jù)完成處理，最終以USB串口方式，將信息完成界面呈現(xiàn)。

5.6 電源模塊

系統(tǒng)中應(yīng)用電壓為5 V的電源進(jìn)行供電，而無線模塊的標(biāo)準(zhǔn)電壓額度較低，是3.3 V，所以出現(xiàn)了信號輸出電壓差值。為保障信號傳輸過程的穩(wěn)定性，需要增加電平轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)。

5.7 藍(lán)牙通信模塊

該模組同樣具備UART、USB、SPI、PCM、SPDIF等端口，并同時(shí)具備SPP藍(lán)牙與串口，并具備主從統(tǒng)一端口，包含PCB與射頻天線，并且還能夠串聯(lián)七個(gè)從外設(shè)，并且由于此功能的工作電壓在3.3 V，使得該功能具備了投資較少、穩(wěn)定性高、功率小、接收靈敏度較高等優(yōu)勢。除此之外，該藍(lán)牙通信模塊具有兩種工作方式，即命令應(yīng)答工作方式和手動連接工作方式。在手動連接工作方式下，系統(tǒng)操作分為主（Master）、從（Slave）和回環(huán)（Loopback）三個(gè)過程。當(dāng)系統(tǒng)處在命令應(yīng)答工作方式時(shí)，能通過AI執(zhí)行操作命令，即可使用單片機(jī)對系統(tǒng)發(fā)送AT命令，對系統(tǒng)設(shè)定監(jiān)控參數(shù)并發(fā)送監(jiān)控指示，根據(jù)對系統(tǒng)的插針輸入信號的變化，即可完成系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的切換。當(dāng)系統(tǒng)處在手動連接工作方式時(shí)，可以通過手動預(yù)先設(shè)定的工作方式進(jìn)行數(shù)據(jù)信息傳送。藍(lán)牙模塊和單片機(jī)之間的聯(lián)系如圖2所示。

6" 系統(tǒng)調(diào)試與測試環(huán)節(jié)

6.1 系統(tǒng)調(diào)試

在分析硬件問題時(shí)，可以使用萬用表進(jìn)行檢查，判斷電路是否出現(xiàn)斷路，各個(gè)引腳電壓是否處于穩(wěn)定狀態(tài)，電流數(shù)值是否達(dá)標(biāo)。在軟件方面，調(diào)試工作的重點(diǎn)是確保通信過程的順暢性，收、發(fā)信號是否完整。在調(diào)試零號通道時(shí)，預(yù)先調(diào)試信息的發(fā)射端，關(guān)閉自動應(yīng)答功能，重復(fù)在主函數(shù)中發(fā)送數(shù)據(jù)，驗(yàn)證系統(tǒng)返回信息是否合理。在調(diào)試接收端結(jié)構(gòu)時(shí)，修改接收端信號接收信道，查看系統(tǒng)返回信息，并與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比對，確保系統(tǒng)軟件功能穩(wěn)定可靠。當(dāng)發(fā)送與接收工作同時(shí)進(jìn)行時(shí)，必須待接收到正確信息并做出應(yīng)答后方可中斷。

6.2 溫濕度采集模塊一致性的測試

通過F檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)方法可以確定在5個(gè)溫濕度監(jiān)測采集模塊間有無顯著性差別。F試驗(yàn)是一種常規(guī)的假設(shè)檢驗(yàn)方式，假設(shè)檢驗(yàn)方法根據(jù)溫度對其所提供的假定做出評估：是可以接受，還是否定。當(dāng)恒溫與恒濕箱的溫濕度傳感器數(shù)值超過所設(shè)定的界限并保持在20左右時(shí)，可每隔兩分鐘對檢測系統(tǒng)和精密儀溫濕度測量的平均值進(jìn)行記錄，50個(gè)數(shù)值為一組。假設(shè)各個(gè)溫濕度點(diǎn)的數(shù)據(jù)無較大差異，即可推算出統(tǒng)計(jì)量的概率P值，也就是說，當(dāng)假設(shè)成真，實(shí)際的觀測結(jié)果概率P值越小，則表示采集模塊之間的差異越明顯。

6.3 系統(tǒng)整體功能測試

系統(tǒng)整體功能測試是對系統(tǒng)中的某個(gè)采集模塊22℃、60%RH溫濕度的一致性測試結(jié)果再次進(jìn)行分析。具體操作是，在SPSS中導(dǎo)入50個(gè)測量數(shù)據(jù)，選取與一致性測試相同的位置進(jìn)行分析，計(jì)算該采集模式下50個(gè)測量數(shù)據(jù)之間的P值，最后得出P值的結(jié)果約為0.766，這與之前的測量結(jié)果無明顯的差異，表明該系統(tǒng)的重復(fù)性功能良好。

6.4 系統(tǒng)穩(wěn)定性的測試

將該監(jiān)測系統(tǒng)溫濕度采集模塊安裝于恒溫恒濕箱中間部位，并設(shè)定恒溫恒濕箱的環(huán)境溫濕度分別為22℃、60%RH，當(dāng)相對濕度監(jiān)測數(shù)值超過設(shè)定點(diǎn)后再穩(wěn)定在20分鐘，以每隔2 min記錄該系統(tǒng)的測定數(shù)值，共記錄10次。每2個(gè)月完成1次上述測定，測量期為1年，一共完成了6組獨(dú)立測定，并使用休哈特控制圖法判定控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。如果穩(wěn)定性測試系統(tǒng)具體的測定數(shù)值都在限定范圍之內(nèi)，無異常量值，從而能夠肯定該系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性比較好。

7" 結(jié)束語

綜上所述，在進(jìn)行溫濕度的檢測時(shí)，利用無線溫濕度采集系統(tǒng)能更便捷且更有效地檢測真實(shí)數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)通過多個(gè)采集模塊組成，利用無線傳輸模塊將數(shù)據(jù)傳至上位機(jī)，這是解決有限采集裝置布線復(fù)雜、功能簡單等缺點(diǎn)的有效措施，且通過多次的實(shí)驗(yàn)得出，該系統(tǒng)的溫度測量誤差在±0.1℃，而濕度測量誤差在±1.0%RH左右，這能很好地說明該系統(tǒng)的穩(wěn)定性、一致性。此外，經(jīng)過與傳統(tǒng)有線采集裝置的對比，也能明顯看出二者在溫濕度測量結(jié)果上無明顯差異，可以說，無線溫濕度采集系統(tǒng)為溫濕度檢測提供了更加便捷高效的方法，值得推廣和廣泛應(yīng)用?！?/p>

參考文獻(xiàn)

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