实验室无线环境监测装置的设计

叶 青 钱卫飞

(浙江乐清市质量技术监督检测院，乐清 325604)



实验室无线环境监测装置的设计

叶 青 钱卫飞

(浙江乐清市质量技术监督检测院，乐清 325604)

本文设计一个无线环境监测系统，控制实验室的温度、湿度、光照以及完成对用电总电源的控制。系统由控制探测节点和监测终端两部分构成，控制节点完成对环境温度、湿度、光照的采集与处理，适时向终端盒邻近节点发送信息，终端完成命令的输入和发布、探测信息的处理和显示。同时监测终端可以设置用电总电源的开启和关闭时间。

无线环境检测；探测节点；监测终端

0 引言

随着现代检测技术的发展，对实验室的要求越来越高，特别是温度和湿度，直接影响检测结果的正确性和准确性。检测结果需要复现性，就必须对检测环境条件进行智能化的记录，需要一个智能化的系统来代替人工作业。针对高科技的实验室设计要求，本文设计了一套无线环境监测装置，完成实验室智能化的控制和科学化管理。

1 装置总体方案

本装置由一个监测终端和可扩展的不多于255个探测节点组成。监控终端组成框图如图1所示。

图1 监控终端框图

1)监控终端以AT89S51为控制核心，FPGA用做发送接收数据的处理，当需要发送数据时，单片机通过普通I/O口发送8个字节的指令数据至FPGA系统，经卷积编码和交织编码后，数据进入FSK调制电路进行调制，调制器由三极管和晶振组成的皮尔斯晶体震荡电路来产生10.7MHz载波信号，并通过控制变容二极管的偏压完成FSK调制，信号经过一级放大后由射频开关选择发送通道由线圈发送出去。当需要接受数据时，射频开关切换到接收通道，信号通过线圈耦合，经小信号放大，由FSK解调芯片MC3362完成信号解调。然后，将得到的数据送至FPGA，完成数据解帧和纠错，最后送到单片机处理并显示。由于使用了FPGA对数据进行了卷积编解码，在很大程度上降低了误码率，灵活度也得到了提高，一定程度上也降低了发射端的功率，提高了系统的稳定性和抗干扰能力。显示采用12864点阵型液晶。键盘可以写入总电源的开启和关闭的时间，通过单片机系统控制继电器断开和吸合，从而完成对总电源的控制。同时可以设置环境温湿度的极限条件，超过时可以发出报警信号。

2)探测节点与监控终端结构类似(框图省略)，使用同样的发射和解调电路以及FPGA数据解码电路。主要区别是探测节点包含预置地址接口、温湿度测量电路、光照探测电路和电池测量电路以及一个数字小键盘。为降低功耗，探测节点使用低电压低功耗单片机STC89LE52。

2 理论分析与电路设计

2.1 发射电路分析与设计

各探测节点和监测终端的发射电路可采用相同的电路结构。发射电路框图如图2所示。

图2 发射电路框图

常用的数字调制方式主要有ASK、FSK和PSK。相比而言频移键控(FSK)调制解调，其优点是电路简单，低功耗，而且抗噪声和抗衰落性能好，稳定可靠。

本设计采用皮尔斯晶体震荡电路。电路简单调试方便，采用10.7MHz的晶振产生载波，将变容二极管和石英晶体并联后，接入震荡回路构成调频振荡器，控制变容二极管偏压实现调制。由于采用石英晶体，其频率稳定性很高，但由于石英晶体的感性区很小，调制的频偏比较小，接收端的灵敏度要求较高。采用本电路的最大优点在于功耗小，本设计最后测试整个发射部分电流仅为2.3mA。

2.2 接收电路分析与设计

各探测节点和监测终端的接收电路可采用相同的电路结构。接收电路框图如图3所示。

图3 接收电路框图

本设计采用MC3362窄带调频接收专用芯片，芯片包含载波检测电路和用于FSK检测的比较器，非常适用于本设计，且在3V供电典型的工作电流仅为3.4mA。实际应用中，因为将发射频率定在10.7MHz，所以，将接收放大的10.7MHz信号作为射频信号直接输入第二混频输入端，完成455kHz中频变频和鉴频。为了提高输出数据的稳定性，不采用MC3362自带的过零比较器，将鉴频输出通过外部可调比较电压的LMV358比较输出数据。

由于检波出来的信号较弱，需经低频放大以后才能进行比较判断。因此，解调电路部分应包括检波器、低频放大器和脉冲整形电路。解调出来的数据信号送单片机进行处理。

2.3 通信协议分析

2.3.1 数据包格式

本设计的信令和数据包由导前码DQ(2)、同步码WS(2)、本机地址码DZ(2)、转发地址码ZF(2)、数据包DIGI(2)、校验码CHECK(2)和导后码DH(1)组成，共13个字节。

2.3.2 SPL编解码与数据包传输

1)SPL编码与数据包的发送。数据包的发送是由单片机的通用输出端口从高位到低位串行逐位发送的，发送完DQ、WS以后，发真正的信令码DZ、ZF、DIGI、CHECK时，将进行SPL编码，按照1变为01，0变为10的原则。

2)SPL解码与数据包的接收。数据包的接收是发送的逆过程，是由单片机的通用接收端串行接收的，当单片机串行接收到WS后，就接收已经过SPL编码的DZ、ZF、DIGI、CHECK。 如果按照01→1，10→0的原则进行SPL解码，如出现00或11的情况，认为接收端出错，如出现两次，则信令无效，如只有一次，则暂时按00→0，11→1处理，留待下一步校验码纠错。

2.3.3 时隙与传输速率计算

考虑极端情况，即只有第一个节点能够直发，其余节点都需该节点转发，则系统监测完全部节点所需时间T=(256-1+2×255)ΔT=765ΔT。考虑到在5s内监测完255个节点，则时隙ΔT=5000ms/765=6.54ms。考虑到各节点晶体振荡器的频率存在一定的误差，实际发送信息所用时间t 取时隙ΔT的2/3，故t =2/3×ΔT=4.36ms。

传输速率V=(13字节×8bt)/4.36ms=23.8kbt/s。实际传输速率取24kbt/s。

2.4 环境与电池检测电路设计

本设计需要检测环境温度、湿度、照度信息监测；同时，考虑到探测点为电池供电，电池电压过低便不能正常工作，故设计电池电压检测电路，如图4所示。

温湿度监测电路的核心器件是温湿度传感器，本设计选用数字型温湿度传感器SHT15。该传感器温度在检测范围10～40℃内的精度可以达到±0.5℃，湿度检测范围10%RH～90%RH内的精度可以到达±2%RH，完全可满足本设计实验室控温的设计要求。

本设计完成对光照有无信息的检测，故采用光敏电阻Rg实现“光敏-电阻”转换，再通过与LM393判断光照有无。

电池电压检测电路是利用微功耗基准电源LM385，输出1.2V电压作为电压基准，通过比较器LM393对电池电压进行检测比较，当电池电压低于2.8V时向单片机发出报警。

图4 检测电路图

3 系统软件设计

3.1 监测终端软件设计[2]

终端单片机完成探测命令发布、探测到的节点信息的处理和显示。当需要探测节点信息时，终端以广播方式发出探测命令，并启动定时，确保255个节点在转发情况下都能可靠探测。当监测到节点信息时，将该节点信息进行存储、处理。全部节点的信息都接收下来处理完后，将地址信息、温湿度信息、光照信息和电池电压的信息依序送显示器显示[4]。然后，在进行下一循环的监测[3]。监测终端主要程序流程如图5。

图5 监控终端主要程序流程图

3.2 探测节点的软件设计

探测节点单片机完成对环境温度、湿度、光照情况和电池电压的采集和处理后，适时向终端和邻近节点发送信息，并根据邻近节点的需要及时向终端转发信息。探测节点主要流程如图6。

图6 探测节点主要程序流程图

4 系统测试与数据分析

4.1 测试仪器

精密露点仪(温度准确度±0.2℃，湿度准确度±1.0%RH)；温湿度检定箱(温度均匀度0.2℃，湿度均匀度1.0%RH); DTS1012数字存储示波器;钢卷尺；1731SL1A7A直流稳压电源；秒表；遮光罩。

4.2 测试方案与测试结果

4.2.1 节点探测功能测试

测试方法：将探测节点置于温湿度检定箱，同时将精密露点仪置于探测节点旁，设定需要测试的温湿度点，每个测试点需要稳定30min后读取精密露点仪和探测节点的值，每个点测试3次后取平均值。测试数据见表1。光照有无采用遮光罩测试。

表1 探测节点温湿度数据

测试结果：温度在10～40℃的范围内准确度可以达到±0.2℃，湿度检测范围10～90%RH内准确度可以到达±2%RH。

4.2.2 单机通信距离测试

测试方法：固定监测终端，移动单只探测节点找到两机能够正常直接通信的最远距离，记录两线圈的实际距离，见表2。

表2 单机通信距离测试

测试结果：根据数据最远通信距离为7m。

4.2.3 多机网路测试

测试方法：固定监测终端，移动第一块探测节点到与监测终端能够正常通信的最远处，此时将第二块探测节点从远离监测终端方向接入网络，移动该节点到此机信息能够显示在监测终端上的最远处，打开远离监测终端节点的电源使其处于连续发射状态，此时开启中继探测节点，并记录此时较远线圈和终点线圈的距离，见表3。

测试结果：最远转发距离为7m。

4.2.4 电池低电压测试

测试方法：取下2节电池，用直流稳压电源代替电池，并将稳压电源电压调至3V，此时电池功能正常，缓慢将稳压电源的电压调低至2.8V时，探测节点蜂鸣器报警，提示电池电压过低。

表3 多机通信距离测试

5 结论

智能化实验室管理已经成为未来实验室数字化管理的方向，本设计只是一个基础的管理系统，完成了实验室温度、湿度、光照有无和实验室总电源的开关时间设置的功能，未来我们可以进一步扩展实验室各个用电仪器各个用电参数的监测，无人时空调和检测设备的开关设置，使得实验室用电全部智能化、人性化、节能化。

[1] 张洪润.电子线路与电子技术.北京：清华大学出版社，2005

[2] 康华光.电子技术基础(模拟部分)(第五版).北京：高等教育出版社，2006

[3] 石东海.单片机数据通信技术[J].陕西：西安电子科技大学出版社，2002

[4] 余朝琨.单片机控制的锁相频率合成技术[J].华东地质学院学报，2001，3(24)

[5] 杨振江.智能仪器与数据采集系统中的新器件及应用[J].陕西：西安电子科技大学出版社，2001

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.06.09