基于无线协同通信技术的物联网温度控制系统

黄大荣 赵 栋 吴华东 赵 玲 楚晓艳

(重庆交通大学信息科学与工程学院1，重庆 400074； 重庆智酷热能设备有限公司智酷热能研发中心2，重庆 400053 )



基于无线协同通信技术的物联网温度控制系统

黄大荣1,2赵 栋1吴华东2赵 玲1楚晓艳2

(重庆交通大学信息科学与工程学院1，重庆 400074； 重庆智酷热能设备有限公司智酷热能研发中心2，重庆 400053 )

为解决传统电采暖温度控制系统无法实时监控及控制温度的缺陷，结合重庆智酷热能设备有限公司的发明专利智能薄型自限温电采暖系统，设计了一种基于AT89S52+NRF24L01+LCD1602A+SIM900A模块+手机控制模块的智能无线温度监控和控制系统。利用DS18B20温度传感器获取温度信号，将必须测量的温度信号自动转化为数字信号，通过无线收发模块NRF24L01传送到控制端，由控制端的单片机控制LCD显示温度；与此同时，数据信息会传送到手机控制模块，进而实现对暖通设备的监控和智能控制。实际工程案例表明，基于此类模式的无线控制不仅操作方便，而且抗干扰性能强，能满足自适应控制和调节的需要。

物联网 无线通信 温度 控制 智能 自适应 调节

0 引言

随着移动技术和网络技术的迅猛发展，远程数据采集逐渐成为学术及工程领域重要的数据采集手段之一，这也是大数据处理分析的必然趋势。目前市场上的大多数远程温度控制系统都只能实现监控功能，必须连接上位机进行在线控制，并基于单点控制来完成设备温度监控[1-2]。在智慧社区的设计和实现过程中，暖通设备多数需满足多点控制的需求[3-4]，并要解决多点控制间的信息平衡问题。因此，亟需采用新思想、新技术进行设计、改进的温控设备系统[5]，以满足企业的生产需要。

为解决这一问题，运用物联网的相关功能和概念，对单点温度控制系统进行改进，基于无线协同通信技术，设计了一种温度远程控制系统。

1 系统组成及其工作原理

本系统主要由温度传感器模块、小型微处理器(MCU)模块、NRF24L01无线发送模块、NRF24L01无线接收模块、液晶显示屏模块、蜂鸣器报警模块、GPRS无线通信模块、按键模块、LED灯显示模块、手机控制模块组成。其系统结构框图如图1所示。

由图1可知，系统可通过温度传感器感知暖通设备温度的变化，由无线模块发送给MCU并把感知的温度显示在液晶显示屏上。当温度超标时，由手机进行短信提示和蜂鸣器报警，以实现监控功能。手机控制模块可根据传送来的检测数据，自动调节暖通设备的温度。

图1 系统结构框图

2 系统硬件电路设计

2.1 微控制器

系统选用AT89S52微处理器，它是一种功耗小、性能高的8位微控制器，是大部分情况下的首选。可编程存储器有8 KB的存储空间，采用国外先进的存储技术和应用技术，其引脚和指令在80C51系列的单片机上同样适用。片上Flash允许程序储存器在系统可编程，亦适用于常规编程器。AT89S52系列的单片机为嵌入式开发提供了便利的条件及许多高效的解决方案，用户可根据自身情况进行选择。AT89S52有两种工作状态：工作状态和空闲状态。当处于空闲状态时，中央处理器停止工作，这时计数器、定时器、串口、中断继续工作。但是一旦遇到断电的状态，存储器里面的数据并不会丢失，而是会记忆并存储RAM里的内容，振荡器会失去工作的能力，停止工作；紧接着，单片机所有的端口都会停止工作，原有的工作状态也会停止；直到下一个中断或计数器的复位，单片机各个端口才会重新开始工作，并继续存储器原有的工作状态。

2.2 温度传感器模块

本系统中温度传感器采用的型号是DS18B20，能有效地感知外界温度。DS18B20[6]可通过程序设定9～12位的分辨率，出厂默认12位，精度为±0.5 ℃。若试验没有特殊要求，应尽量选用封装更小、电压范围更宽的温度传感器。通常把用户设定的温度界限和屏幕的分辨率存储在EPROM中，当突然断电时，将即时记录其中的数据信息并实时存储。DS18B20适用于性能要求和成本相对较低的控制应用，是一种经济型产品，已被广泛接受。

DS18B20的主要特性如下：

①更为广泛的电压调节范围，在寄生电源方式下可以使用数据线供电；

②具有特殊的单线接口方式，只需一条口线即可实现和微处理器的连接，并可进行双向通信；

③可以组网进行温度的测量，多个温度传感器能并联在唯一的三线上；

④外围基本无需多余的元器组件，只要把所有的传感器和必须转换的电路集成在一起，放在专门配置的三极管组成的电路系统中；

⑤温度范围为-55～+125 ℃，在-10～+85 ℃时的精度为±0.5 ℃；

⑥可编程温度传感器的分辨率变化范围在9～12位，并且每个变化率都对应相应的温度，可以实现温度的精确测量；

⑦ 9位分辨率和12位分辨率中温度传感器都能把感知的模拟信号转换为数字信号，但12位分辨率的转换速度比9位分辨率更快，耗时相对更短；

⑧最终输出结果会以数字信号的形式显示，并把所获取的温度的信号信息通过一线总线的形式传给处理信息的核心单元单片机，同时能实时检测出多余的冗余码，从而很好地排除外界对系统的干扰；

⑨电源接反时，不会烧坏芯片，但传感器不能进行工作，具有很强的负电压特性。

2.3 NRF24L01无线传输模块

NRF24L01[7]是由外国的硬件公司开发研制的一种专门用来实现两个芯片之间无线数据通信的装置，其根据硬件特点自行制定内部协议，可以实现一对一或一对多的无线数据通信，无线通信速度可以达到2 Mbit/s。在试验中要借助单片机实现芯片之间的数据通信，因为数据的存储和读取都要通过单片机的端口进行，所以要为单片机预留6个端口，其中1个端口用于中断输入，这样就可以实现无线数据的高效通信，使最终的结果更加精确，进而实现一对多的无线数据通信。利用无线模块，可实现对多个房间暖通设备的温度控制。由于无线模块具有收、发两种功能，所以根据无线模块所组成各引脚的功能不同，总结出无线模块主要特点如下：

①采用高斯频移键控进行调制,硬件都在互联网的数据链路层中集成；

②能自动接收数据信号，也能自动发送数据信号；

③片内生成报头并检验冗余码；

④数据传输率为l Mbit/s或2 Mbit/s；

⑤SPI速率为0～10 Mbit/s；

⑥引脚可以和其他相似系列的射频发射器通用；

⑦QFN20引脚采用4 mm×4 mm封装；

⑧供电电压为1.9～3.6 V。

此系统可以把发送端接收到的模拟信号转化为数字信号，通过无线接收模块接收，并由MCU在液晶显示屏显示感知到的温度信息。

2.4 SIM900A模块

SIM900A通常由GSM和GPRS两个工作模块组成，工作频段和编码的格式严格按照国际标准的格式，在不同工作状态下的模块编码格式也不同。SIM900A在正常使用时特别省电，在休眠状态下消耗的电流仅1 mA。此系统模块有根据系统硬件的特点制定的TCP/IP协议，用户可根据协议扩展的命令轻松使用此协议，为后续数据信号传输的应用提供便利。SIM900A模块体积特别小，可满足大多数用户的空间需求。该模块的硬件端口主要有：控制输入数据的键盘串口和接收数据信号信息的外设端口；控制主要数据信息的串口和用来调试信号的串口；一路音频接口，包含一个麦克风输入和一个扬声器输出；可编程通用输入输出端口。此模块可以和移动通信设备进行高效的实时数据交流，使用户获取实时数据信息，以便控制控制器。

本系统需进行GSM和MCU通信，并把接收到的信息发送到手机控制模块。因此，只需把单片机的TXD连接到SIM900A模块[8]的RXD接口，单片机的RXD连接到SIM900A模块的TXD接口，即可实现数据的读入和接收。其中，最重要的一点就是一定要共地。

2.5 手机控制模块

手机控制模块是本系统控制部分最重要的模块。用户检测到的数据都要传送到手机终端上，并根据预先设置的温度进行运作，从而有效地控制暖通设备的温度变化。用户可根据自己的喜好和需求随意调节暖通设备的温度，并控制暖通设备的开关状态，实现了对暖通设备的远程控制。

3 系统软件设计

3.1 温度检测模块

温度检测模块DS18B20的软件设计要严格按照单总线的协议执行测温原理，必须确保通信数据的精确性。单片机要按照时序写入和读出DS18B20中的数据信息，其中包含初始化状态、读一、读零、写一、写零等各种操作。当传感器置零时，相应的应答信号会被接收，数据如跳过ROM中所包含的序列号，即代表温度转换的这个模块将要被启动；等温度转换停止后，一定要保存数据。如此重复，直到完成所有的操作。以下是温度检测模块的部分程序。

ReadTemperature(void)

unsigned char a=0;

unsigned char b=0;

unsigned int t=0;

Init_DS18B20();

WriteOneChar(0xCC);

//进行序列号的跳转操作

WriteOneChar(0x44);

//启动温度转换

delay_18B20(100);

Init_DS18B20();

WriteOneChar(0xCC);

//进行序列号的跳转操作

WriteOneChar(0xBE);

//读取实时温度的数据信息

设计的温度检测模块流程如图2所示。

图2 温度检测模块流程图

3.2 无线发送模块

无线发送模块具体工作流程如下：先进行初始化操作，设置单片机的I/O和SPI相关存储器的端口，让这两部分的相关端口可以和NRF24L01进行数据通信[9]。通过SPI端口调置相射频芯片，使无线发送模块进入精准的工作状态。在发射数据时，要先将无线模块的工作模式改为发射状态，在无线传感器模块的缓冲区通过对应的流程图写入将要发射的数据信息的目标地址。以下为无线发送模块部分程序。

void nRF24L01_TxPacket(unsigned char * tx_buf)

//发送 tx_buf中数据

CE=0;

//StandBy I模式

SPI_Write_Buf(WRITE_REG + RX_ADDR_P0,TX_ADDRESS,TX_ADR_WIDTH);

//装载接收端地址

SPI_Write_Buf(WR_TX_PLOAD,tx_buf,TX_PLOAD_WIDTH);

//装载数据

SPI_RW_Reg(WRITE_REG + CONFIG,0x0e);

//完成中断响应

CE=1;

//置高CE，激发数据发送

程序设计流程图如图3所示。

图3 无线发送端软件设计流程图

3.3 无线接收模块

无线接收模块具体工作流程如下。先把无线模块的工作状态调置成接收状态，这里的接收状态指待接收状态，实际上要延迟一段时间才能等到从无线发射模块发送的数据信息。这时，接收模块进入接收数据信息的阶段，接收模块的端口会检测出对模块有用的数据信号地址信息和CRC[10]，并会把接收到的数据信号信息先暂存到堆栈中。与此同时，需将中断寄存器的中断标志位RX-DR调置成高电位，以产生相应的中断，使IRQ引脚转变成低电平；接下来是和单片机进行数据信息的交换，通知MCU读取接收端所发送过来的数据信号信息。以下是无线接收模块的部分程序。

RX_ADR_WIDTH);

//写接收端地址

SPI_RW_Reg(WRITE_REG + EN_AA,0x01);

//频道0自动ACK应答允许

SPI_RW_Reg(WRITE_REG + EN_RXADDR,0x01);

//只有0频道可以接收地址

SPI_RW_Reg(WRITE_REG + RF_CH,0);

//把收和发的信道频率都设置成2.4GHZ

SPI_RW_Reg(WRITE_REG + RX_PW_P0,RX_PLOAD_WIDTH);

//把接收数据的长度设置成32位

SPI_RW_Reg(WRITE_REG + RF_SETUP,0x07);

//设定发射速率和最大发射功率，分别为1 MHz和0 dB

无线接收模块具体的设计流程图如图4所示。

图4 无线接收端软件设计流程图

4 系统总体软件设计

系统总体软件设计包含发送端软件总体设计和接收端软件总体设计。发送部分的软件设计是由温度传感器DS18B20感知外界温度，然后把感知的温度数据转换为十进制数写入到发送数据组，最后将温度信息传送到主机系统。接收部分的软件设计是对发送过来的数据进行分析：若在设定的温度范围内，系统正常工作；若不在设定的温度范围内，蜂鸣器会进行报警，同时SIM900A中的SIM会把超标数据信息发送到手机终端，等待手机进行控制。

系统接收端的软件流程图如图5所示。

图5 接收端软件总体设计流程图

5 试验论证及工程应用

本系统依托重庆智酷热能设备有限公司最新研发成功的智能薄型自限电地暖系统[11]，把温度传感器模块有效地加入到碳纤维[12]电地暖中，实现温度的远程控制。目前，该系统已大量运用于公共场所、家庭等各种供暖工程中，如全国重点文物保护单位四川青城山普照寺、重庆金沙时代南苑、重庆九村绿地新都会、重庆阳光华庭、中交丽景香漫岭等。实际使用证明：本系统的温度无线远程控制能有效控制和调节所安装暖通系统的温度。

6 结束语

本文基于NRF24L01无线数据收发模块、SIM900A无线数据通信模块和手机控制模块，很好地实现了对暖通设备温度的监控，并能有效地进行智能控制。此系统结构简单、实用性强、维护成本相对较低且具有良好的扩展性，可以应用到其他设备上，并有效监控其他设备的温度变化，实现了对设备温度的远程控制。

[1] 顾海勤,杨奕,全毅. PLC与智能仪表在热泵远程监控系统中的应用[J]. 自动化仪表,2013,34(11):39-42.

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[3] 艾红. 多点温度监测系统与组态软件的数据通信[J]. 自动化仪表，2014,35(10):37-41.

[4] 张坤,薛文玲,王振朝,等. 基于NRF24L01的pH值监控系统的设计[J]. 计算机测量与控制,2014,22(3):734-744.

[5] 黎冠,马婕,卜祥丽. STM32单片机在室内环境监测系统中的应用[J]. 自动化仪表,2014,35(7):29-31.

[6] 孔庆光. 基于DS18B20多点无线温度采集系统设计[J]. 宁德师范学院学报,2013,25(1):55-59.

[7] 王晓红,左蔚,段艳丽.基于AMBE1000和NRF24L01的电台训练器实现[J].计算机测量与控制,2013,21(7):2002-2004.

[8] 郑增兵,赵峰. 基于GSM的远程心率监控系统设计[J]. 计算机应用,2012,32(7):2082-2084.

[9] 樊详现,袁平.NRF24L01无线通信数据传输可靠性技术的应用[J]. 自动化技术与应用,2008,27(7):71-73.

[10]侯杏娜,陈寿宏,唐万顺.基于NRF24L01的降雨量实时采集无线监测系统[J].算机测量与控制,2014,22(8):2372-2376.

[11]黄大荣,苏明.智能薄型自限温电地暖系统:10392933.6[P].2014-03-20.

[12]黄大荣,苏明.一种碳纤维与金属导线连接接头:20492573.2[P].2012-07-11.

Temperature Control System Based on Wireless Cooperative Communication Technology for Internet of Things

The traditional temperature control system of electric heating is unable to implement monitoring and control temperature in real time.To solve this defect,combining with the intelligent thin self-temperature-limiting electric floor heating system,which is the Patent of Chongqing Wisdom Heat Energy Equipment Co.,Ltd,the intelligent wireless temperature monitoring and control system based on AT89S52+NRF24L01+LCD1602A+SIM900A module+mobile phone control module is designed. The temperature signals are acquired using DS18B20 temperature sensor,the temperature signals to be measured are automatically converted into digital signals,and transmitted to control end through wireless transceiver module NRF24L01,the temperature is displayed under control of the single chip computer at control end. In addition,the data information can be transmitted to mobile phone control module,thus the monitoring and intelligent control for the ventilating equipment is realized. The practical engineering cases indicate that such kind of wireless control is easy to operate and provides strong anti-interference capability,and the requirements of adaptive control and regulation can be satisfied.

Internet of things Wireless communication Temperature Control Intelligent Self-adaption Regulation

国家自然科学基金资助项目(编号：61004118,61304104)；

重庆市研究生教改重点基金资助项目(编号：yjg152011) ；

重庆市高等教育学会教改基金资助项目(编号：CQGJ15010C)；

重庆市高等学校优秀人才支持计划基金资助项目(编号：2014-18)。

黄大荣(1978—)，男，2006年毕业于重庆大学控制理论与控制工程专业，获博士学位，教授；主要从事故障诊断与预测、可靠性与容错控制方向的研究。

TH86;TP273

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201608013

修改稿收到日期：2016-01-26。