应用无线传感器的湿度准确检测与控制系统设计

胡 诚

（苏州高博软件技术职业学院，江苏 苏州 215163）

0 引言

湿度的检测与控制无论是在科研、实验生产还是对物品的存储都具有重要意义，而对湿度的准确检测与控制就显得尤为重要，特别对湿度要求较高的室内，如实验室与仓库等。一般提高检测与控制的准确度的方法有选性能优良的元器件，对系统进行优化设计等。要有准确的控制首先要有准确的测量数据，本设计采用多个无线湿度传感器节点对空间的多点位湿度进行测量，最后将这些测量数据进行汇总处理。通过无线湿度传感器节点的合理分布，以及根据检测数据合理放置湿度控制设备可有效的改善湿度检测与控制的准确性，以此避免用单个传感器的测量数据来控制湿度控制设备“以偏概全”带来的测量误差。相比有线的多点测量传感器，无线传感器安装方便分布更广，位置调整简单，灵活多变，适合更大空间湿度的测量。

1 系统总体设计

本系统组成框图如图1所示。由无线湿度传感器节点将采集到的湿度信号发送到接收模块，经收发模块对信号进行滤波放大、解调、再放大后送入单片机，单片机将信号处理后将测量数据送显示电路由数码管显示。设定的湿度值由键盘输入，由此与测量值产生的误差信号作为单片机控制信号去控制加湿或去湿电路。本设计要求测量值与设定值的绝对误差控制在3%RH以内，如超出此范围单片机将发出报警信号给报警电路。本系统还可与上位机(PC机)通信，实现湿度数据的传输与打印及分析等功能，也能将报警信号传输给上位机。系统中的无线湿度传感器节点模块是根据实际的空间合理分布的，有多个功能相同的节点模块，本框图仅画出一个。

图1 湿度检测与控制系统框图

2 主要模块设计

2.1 无线湿度传感器节点

无线湿度传感器节点的组成如图2所示。它一般由湿度传感器模块、处理模块、无线收发模块和能量供应模块这4部分组成。

湿度传感器模块（由湿度传感器和模/数转换器组成）负责监测区域内信息的采集和数据转换；处理模块（由嵌入式系统构成，包括CPU、存储器、嵌入式操作系统等）负责控制整个传感器节点的操作、存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据；无线收发模块 （由无线通信器件组成）负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据；能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量，通常采用微型电池。

图2 无线湿度传感器节点的组成

本设计中由于被监控区域是室内大空间，所以可以根据实际空间的情况来合理布置无线传感器节点。如对于一个空间可以在六个面的中心部位及空间中心部位分别放置一个无线传感器节点，如果空间比较大可以以每个面为中心多放些无线传感器节点以提高测量准确度。

2.2 湿度检测电路

本设计采用了无线湿度传感器模块，该模块包含了湿度传感器、A/D转换器及无线收发模块，这里主要介绍一下湿度的采集及转换电路，其他如A/D转换器电路、无线收发模块、无线接收模块就不作详细介绍了。从无线湿度传感器模块发出的信号经接收模块对信号进行滤波放大、解调、再放大后送入单片机，单片机将信号处理后将测量数据送显示电路由数码管显示，从而检测出环境的湿度。

HS1101湿度传感器，在电路构成中等效于一个电容器件，其电容量随着所测空气湿度的增大而增大。电容值的变化转为与之呈反比的电压频率信号，经A/D转换器电路及无线收发模块发送出去，经接收模块对信号进行滤波放大、解调、再放大后送入单片机。

在电路中HS1101湿度传感器接NE555电路的6和1脚，通过HS1101两端的电容进行充放电，使NE555电路的3脚输出为“1”或“0”，从而输出一系列脉冲信号，当外界湿度变化时HS1101两端的电容也发生变化使充放电时间改变所以使输出脉冲的频率发生变化。所以只要测出NE555电路的输出频率，并根据湿度与输出频率的关系就可以求出环境的湿度值。

2.3 湿度控制电路

本设计湿度控制电路采用固态继电器SSR，当有输入信号光电耦合器的光电三极管饱和导通从而使SSR中的双向可控硅导通，所以其主回路呈导通状态，电热丝通电加热。无信号时主回路呈阻断状态电热丝断电。整个器件无可动部件及触点，可实现相当于常用电磁继电器一样的功能。

单片机端口输出的PWM方波控制固态继电器SSR的开断，从而控制湿度控制设备的开断频率，控制电热丝的通断，以达到加热目的。这里用的是电加热式加湿器。除湿的原理类似，是用单片机的另外的端口控制另一个固态继电器来实现。

3 系统程序流程图

系统流程图如图3所示。

图3 程序流程图

4 测试结果与分析

本设计采用多个无线湿度传感器节点对空间的多点位湿度进行测量，适合于大空间湿度的检测控制，所以将该系统的设备在一个大的仓库进行了测试。先将该仓库分成东西两个区，在每个区的中心位置放置该设备，然后对于东西二个空间六个面的四角和中心部位及空间中心部位分别放置一个无线传感器节点，如图4所示，图中是每个面传感器的放置位置，黑点为传感器。一般的不大的空间在中心部位放置一个传感器节点即可如图5所示，如果空间较大可在中心部位多放几个如图6所示为空间中层传感器节点的分布。

图4 各面传感器分布

图5 中心传感器分布

图6 中心层传感器分布

由于该仓库用来存储物品一般要求比较干燥，所以相对湿度控制在45%～55%RH，这里取中间值设定湿度为50%RH。下面表1是以东区为测试对象一天24小时不同时间点实测湿度的数据。

从以上数据来看湿度最大绝对对误差在±3%RH以内，湿度控制符合要求，设备在此时间段内没有发生报警。

表1 东区湿度显示值

5 结论

根据以上检测数据,湿度检测及控制符合要求。本设计是通过无线湿度传感器节点的合理分布处理大量的采集信息能够提高检测的准确度。除此之外，根据各监测点检测数据来重新布置传感器节点位置，使其在存储物品的空间内最大范围的分布节点，以及通过各监测点的检测数据合理放置湿度控制设备都可以提高检测的准确性。在实际使用时可根据实际空间的大小多分几个层面放置传感器节点，如图4所示，可以相隔几米设置一个类似层面；对于中心层面同样根据房顶的高度放置几层类似图6的传感器节点。对于各检测点湿度分布不均的情况，如个别点位湿度较大可使除湿设备接近这些点位以求达到除湿的最好效果。由于大量采用无线湿度传感器节点，在信号传输中容易受到干扰，所以要在这些节点模块里设置合适的抗干扰电路，以提高检测的准确性。