引言

日常生活中，溫度和濕度是兩個(gè)很重要的物理參數(shù)，它不但與人們的身體健康密切聯(lián)系，而且與科學(xué)研究、園林技術(shù)、倉庫管理、機(jī)房管理等方面都息息相關(guān)。隨著電子科技的發(fā)展，人們對(duì)環(huán)境溫濕度監(jiān)控的要求也越來越高。傳統(tǒng)的溫濕度檢測(cè)技術(shù)都是采用有線傳輸裝置，不但布線麻煩，而且消耗大量的人力物力，在實(shí)際應(yīng)用中有很大的局限性。

本文設(shè)計(jì)了一種無線溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)方案，其主控制器采用STM32，無線收發(fā)模塊芯片選用nRF24L01P，傳感器選用功耗低、響應(yīng)快、穩(wěn)定性強(qiáng)的數(shù)字溫濕度傳感器AM2303。

1、系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

圖1系統(tǒng)發(fā)送端結(jié)構(gòu)框圖

該系統(tǒng)是一個(gè)“多對(duì)一”系統(tǒng)［2］，即由若干個(gè)無線發(fā)送模塊和一個(gè)無線接收模塊組成。系統(tǒng)發(fā)送端組成框圖如圖1所示。在發(fā)送端，STM32控制AM2303的溫濕度數(shù)據(jù)采集并利用nRF24L01P實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線發(fā)送。系統(tǒng)接收端組成框圖如圖2所示。在接收端，STM32控制nRF24L01P實(shí)現(xiàn)多組數(shù)據(jù)的無線接收功能，并通過串口將接收到的數(shù)據(jù)傳遞給上位機(jī)，上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析以及實(shí)時(shí)顯示。

圖2系統(tǒng)接收端結(jié)構(gòu)框圖

2、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)由STM32單片機(jī)主控電路、無線收發(fā)電路、溫濕度數(shù)據(jù)采集電路、報(bào)警電路、電源電路等構(gòu)成，主要完成溫濕度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、傳輸、顯示等功能。

2.1、STM32單片機(jī)控制電路

系統(tǒng)采用ST公司生產(chǎn)的STM32F103RBT6作為控制核心，STM32F103RBT6是ST公司基于ARM最新Cortex-M3架構(gòu)內(nèi)核的32位處理器產(chǎn)品，其處理速度可達(dá)72MHz，內(nèi)置128KB的Flash、20KB的SRAM、12位的A/D、4個(gè)16位定時(shí)器、3路USART通信口和2個(gè)SPI接口等豐富的片內(nèi)資源，完全滿足本檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸?shù)葢?yīng)用的要求。STM32F103RBT6作為系統(tǒng)的主控制器，通過SPI1接口控制nRF24L01P芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線收發(fā)功能，并將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換處理后通過RS-232串口總線與上位機(jī)進(jìn)行通信。

2.2、無線收發(fā)電路

系統(tǒng)中無線收發(fā)功能主要利用nRF24L01P芯片來實(shí)現(xiàn)，nRF24L01P是一款工作在2.4~2.5GHz的ISM頻段的無線單片收發(fā)芯片，工作電壓為2.0~3.6V，電流消耗極低。該芯片有126個(gè)通信通道，6個(gè)數(shù)據(jù)通道，能夠滿足多點(diǎn)通信和調(diào)頻需要，支持250KB/s、1，2Mb/s數(shù)據(jù)傳輸速率。系統(tǒng)中還用到了功率放大芯片和低噪聲放大器芯片，使無線模塊的最大發(fā)射功率達(dá)到20dBm，并同時(shí)將接收靈敏度提升10dBm，使得無線通信距離超過nRF24L01P自身的10倍以上。

STM32單片機(jī)與nRF24L01P無線收發(fā)模塊之間利用同步串行口SPI進(jìn)行雙向通信，nRF24L01P的SPI總線有SCK（SPI時(shí)鐘）、MISO（主入從出）、MOSI（主出從入）、CSN（SPI使能）［3］。STM32通過配置寄存器CONFIG使nRF24L01P分別處于發(fā)射模式和接收模式，IRQ是中斷標(biāo)志位。STM32與nRF24L01P的連接電路如圖3所示。

圖3  nRF24L01P電路圖

2.3、溫濕度數(shù)據(jù)采集電路

系統(tǒng)中溫濕度的數(shù)據(jù)采集利用AM2303數(shù)字傳感器來完成。AM2303是一款出廠已含有校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，主要特性有：溫度分辨率為0.1℃，準(zhǔn)確度為±0.2℃；濕度分辨率為0.1%RH，精度為±2%RH；供電電壓為3.5~5.5V等。其優(yōu)點(diǎn)有自動(dòng)化校準(zhǔn)、超小體積、極低功耗、采用標(biāo)準(zhǔn)單總線接口、信號(hào)傳輸距離可達(dá)20m以上等。

溫濕度數(shù)據(jù)采集電路主要由STM32單片機(jī)PA3引腳與AM2303傳感器的SDA引腳相連接，通過標(biāo)準(zhǔn)的單總線通信方式控制傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，設(shè)計(jì)電路如圖4所示。

圖4 傳感器連接電路圖

2.4、報(bào)警電路

報(bào)警電路采用有源蜂鳴器進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)電路如圖5所示，當(dāng)單片機(jī)的PB1引腳輸出低電平時(shí)，蜂鳴器鳴叫，否則蜂鳴器停止。

圖5 報(bào)警電路圖

2.5、電源電路

STM32單片機(jī)是一款低功耗單片機(jī)，其供電電壓為3.3V，nRF24L01P芯片供電電壓為2.0~3.6V，AM2303工作電壓為3.5~5.5V。系統(tǒng)中采用9V干電池通過電壓轉(zhuǎn)換芯片AMS1117-5和AMS1117-3.3給系統(tǒng)供電。

3、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心，完成對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集及無線傳輸［7］。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)由下位機(jī)軟件和上位機(jī)軟件兩部分組成。下位機(jī)包括主程序和多個(gè)子程序。子程序包括單片機(jī)控制傳感器實(shí)現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)采集、SPI1控制nRF24L01P無線收發(fā)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)報(bào)警處理等。上位機(jī)則采用NI公司的LabVIEW作為開發(fā)平臺(tái)。

3.1、系統(tǒng)發(fā)送端軟件設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)是一個(gè)“多對(duì)一”系統(tǒng)，有多個(gè)發(fā)送端，在發(fā)送端正常工作之前，需要對(duì)每個(gè)發(fā)送端進(jìn)行初始化。當(dāng)傳感器上電初始化之后，MCU向傳感器發(fā)送一次起始信號(hào)，傳感器讀取起始信號(hào)后工作模式由原來的休眠模式切換到高速模式，并向MCU發(fā)送響應(yīng)信號(hào)；隨后MCU讀取傳感器從SDA引腳輸出的40b數(shù)據(jù)，并對(duì)40b數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，若校驗(yàn)正確，則將數(shù)據(jù)傳送給無線收發(fā)模塊，此時(shí)通過配置無線收發(fā)模塊芯片的寄存器，使其工作模式配置為發(fā)送模式，將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，若校驗(yàn)錯(cuò)誤，則說明本次讀取的數(shù)據(jù)不正確，放棄數(shù)據(jù)，重新初始化傳感器。圖6為系統(tǒng)發(fā)送端軟件設(shè)計(jì)框圖。

圖6 發(fā) 送端軟件設(shè)計(jì)流程圖

3.2、系統(tǒng)接收端軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)只需設(shè)計(jì)一個(gè)接收端，系統(tǒng)接收端的STM32單片機(jī)通過配置無線收發(fā)模塊芯片的寄存器，設(shè)置其工作模式為接收模式，使其一直工作在接收狀態(tài)，STM32單片機(jī)將接收到的數(shù)據(jù)處理后，跟系統(tǒng)設(shè)置的溫濕度報(bào)警值進(jìn)行對(duì)比，并進(jìn)行相應(yīng)的處理。同時(shí)，STM32單片機(jī)的液晶能實(shí)時(shí)顯示接收到的各個(gè)發(fā)送端的溫濕度數(shù)據(jù)。圖7為系統(tǒng)接收端軟件設(shè)計(jì)框圖。

圖7 接收端軟件設(shè)計(jì)流程圖

3.3、LabVIEW上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上位機(jī)部分采用LabVIEW作為開發(fā)平臺(tái)，上位機(jī)通過串口實(shí)現(xiàn)與STM32單片機(jī)的通信。單片機(jī)將采集到的溫濕度數(shù)據(jù)通過串口傳輸給上位機(jī)［9］，上位機(jī)進(jìn)行識(shí)別、處理后顯示相應(yīng)的結(jié)果。與編程復(fù)雜、入門較難的VB和VC++相比，基于LabVIEW的溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)界面清晰、使用靈活、工作效率高，還具有良好的功能擴(kuò)展性，能夠滿足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。圖8為L(zhǎng)abVIEW溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)設(shè)計(jì)界面，該系統(tǒng)可以同時(shí)顯示4個(gè)不同發(fā)送端的環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)情況。

圖8 LABVIEW溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)界面

4、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)中采用溫濕度計(jì)和本文提出的無線溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量方法分別對(duì)溫度和濕度進(jìn)行測(cè)量對(duì)比［10］，表1和表2分別為每隔30min采用溫濕度計(jì)和本系統(tǒng)測(cè)量方法測(cè)得的某室外溫濕度值，以及兩者的相對(duì)誤差和絕對(duì)誤差。

從表1和表2測(cè)量數(shù)據(jù)可以看出最大相對(duì)誤差為4.2%，系統(tǒng)相對(duì)誤差大小均在±5%以內(nèi)。本系統(tǒng)經(jīng)過實(shí)際檢測(cè)，在平曠的地方，當(dāng)無線模塊的傳輸速率在2Mb/s時(shí)，傳輸距離可達(dá)100M，當(dāng)傳輸速率更小時(shí)，傳輸距離可達(dá)500M甚至最遠(yuǎn)，且數(shù)據(jù)誤碼率非常小。證實(shí)本系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和可靠性。

5、結(jié)束語

本文采用STM32單片機(jī)作為主控制器，nRF24L01P實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線收發(fā)功能，并通過Lab－VIEW上位機(jī)界面實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)出了多對(duì)一的無線溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)。經(jīng)過實(shí)際論證，該系統(tǒng)穩(wěn)定性高，抗干擾能力強(qiáng)。將數(shù)據(jù)發(fā)送端控制在一定的數(shù)量范圍之內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性會(huì)更好，相對(duì)誤差會(huì)更小，能夠有效地運(yùn)用在各種溫濕度環(huán)境檢測(cè)中。