实验室远程温湿度监测系统的设计与开发

赵鑫

泰山医学院信息工程学院 271016

实验室远程温湿度监测系统的设计与开发

赵鑫

泰山医学院信息工程学院 271016

介绍了基于nRF905无线射频模块和DHT11温湿度数字传感器的，以PC机位上位机的实验室远程温湿度监测系统的设计与开发。该系统能对多个实验室多个监测点的温湿度进行实时显示，并能进行报警及实时数据存储。

无线通信；nRF905无线模块；DHT11温湿度数字传感器

实验室温湿度是反映其是否正常工作的重要参数指标。现有温湿度参数的检测均采用人工测量，方法老化且效率低下。如果采用目前一般远程监测所采用的方法，需要重新布线以进行信号的传输，施工劳动强度大，投资大。本论文介绍以PC机为上位机，采用nRF905无线射频模块、多个DHT11温湿度数字传感器无线信号传输方式的数字温湿度自动监测系统，对监测区域内每个点中的温、湿度的变化情况进行实时自动监测，数据传输采用无线传输方式，上位机实时显示和监测各个监测点的温湿度及变化情况，并能进行报警及实时数据存储等功能。

1、系统硬件构成

1、1 系统硬件架构

系统硬件设计方案如图1所示。

每一个监测点模块由nRF905无线发送模块和温湿度数字传感器DH T11构成。而上位机接收模块由nRF905无线模块和RS232串口模块构成。

图1 系统硬件架构方案

1、2 n RF905无线射频模块

nRF905芯片是挪威Nordic公司推出的单片射频收发器。芯片工作电压DC1.9～3.6V，32引脚QFN封装，内置硬件CRC检错和点对多点通信地址控制，工作在433/868/915MHz三个ISM频段，频段之间收发模式切换时间＜650 us。nRF905由频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和调制器组成，不需外加声表滤波器，采用ShockBurstTM工作模式，自动处理字头和CRC(循环冗余码校验)，使用SPI接口与微控制器通信，配置非常方便。此外，其功耗非常低，以-10 d Bm的输出功率发射时电流只有11mA，工作于接收模式时的电流为12.5mA，内建空闲模式与关机模式，易于实现节能。nRF905适用于无线数据通信、无线报警及安全系统、无线开锁、无线监测、家庭自动化和玩具等诸多领域。

n RF905片内集成了电源管理、晶体振荡器、低噪声放大器、频率合成器功率放大器等模块，曼彻斯特编码/解码由片内硬件完成，无需用户对数据进行曼彻斯特编码，因此使用非常方便。具体器件描述可参照其器件数据手册。

图2 nRF905模块及其接口

1、3 数字温湿度传感器DHT11

DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选择。产品为4针单排引脚封装。连接方便，特殊封装形式可根据用户需求而提供。

图3 DHT11及其与MCU连接

2、系统软件设计

nRF905模块与MCU采用如图2所示SPI总线进行通信，DHT11温湿度数字传感器与MCU采用如图3所示单总线进行通信。无线接收模块与上位机采用RS232进行通信。

2、1 SPI总线

SPI是英语Serial Peripheral interface的缩写，就是串行外围设备接口。是Motorola首先在其MC68HCXX系列处理器上定义的。SPI接口主要应用在EEPROM、FLASH、实时时钟、AD转换器，还有数字信号处理器和数字信号解码器之间。SPI是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，提供方便。正是出于这种简单易用的特性，现在越来越多的芯片集成了这种通信协议。

无线通信模块主要由nRF905对数据进行无线传送,包括无线发送与无线接收2个流程。

其发送流程具体操作如下：

当微控制器(单片机)有数据要发送时,通过SPI接口,按时序把接收机的地址和要发送的数据送传给nRF905；微控制器置高TRX_CE和TX_EN,激发nRF905 的ShockBurstTM发送模式并发送数据；如果AUTO_RETRAN 被置高, nRF905将不断重发,直到TRX_CE被置低,否则只发送次；当TRX_CE被置低, nRF905发送过程完成,自动进入空闲模式。

其接收流程具体操作如下：

当TRX_CE为高、TX_EN为低时, nRF905进入Shock2Bu rstTM接收模式,650 μs后, nRF905 不断监测,等待接收数据；当一个正确的数据包接收完毕, nRF905 自动移去字头、地址和CRC校验位,然后把数据准备好引脚D R置高, TRX_CE置低, nRF905进入空闲模式；微控制器通过SPI口以一定的速率把数据移到微控制器内；当所有的数据接收完毕, nRF905 把数据准备好引脚DR和地址匹配引脚AM置低，此时, nRF905可以进入Shock BurstTM 接收模式、ShockBurstTM发送模式或关机模式。

2、2 DHT11串行接口

如图3所示，DATA用于微处理器与DHT11之间的通讯和同步，采用单总线数据格式，一次通讯时间4m s左右，数据分小数部分和整数部分。DHT11具体通信协议请参考相关开发文档。

2、3 系统上位机设计

上位机的监控软件采用了VisualB a s i c6.0 进行开发。主要应用MSCOMM控件及实时曲线绘制。其中MSCOMM控件初始化程序如下。

3、系统测试

系统上位机实时温度曲线如图4所示。

图4 系统实时温度曲线

4、结束语

本系统的创新之处在于：采用无线通信和PC机上位机以及数字传感器的方案，完全摈弃了现有实验室温湿度监测的设计方案，目前该系统已经投入了试运行，取得了良好的效果，是今后实验室温湿度监测领域的发展方向。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2011.09.096