嵌入式以太网远程温湿度监控系统的设计

钟滨 王亚星 童莲

摘  要：该文以AM2301/DHT21数字温湿度传感器模块为例，具体介绍了I2C通信，串行通信以及网络通信的过程和方式。讨论了基于单片机的嵌入式以太网远程温湿度监控系统的设计方案，提出了嵌入式以太网远程温湿度监控的一种设计方法。通过本设计方法，温湿度传感器采集温湿度信号后传输到控制单元，所采集的信号数据经控制单元处理后传输到本地液晶，以及本地终端和远程终端。系统能够实时监测温、湿度数据，提供本地液晶显示、本地终端显示、网络远程终端显示三种工作方式，提供可配置的温度、湿度独立上下限报警和温湿度混合报警功能，提供连续环境监测记录、查询、报警提示功能，系统还可以扩展自动调节温湿度功能。

关键词：温湿度监控;AM2301;以太网;嵌入式

中图分类号：TP277      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）24-0189-03

Abstract：This article takes the AM2301 / DHT21 digital temperature and humidity sensor module as an example，and specifically introduces the processes and methods of I2C communication，serial communication，and network communication. The design scheme of remote temperature and humidity monitoring system based on embedded Ethernet based on single chip microcomputer is discussed，and a design method of remote temperature and humidity monitoring based on embedded Ethernet is proposed. Through this design method，the temperature and humidity sensor collects temperature and humidity signals and transmits them to the control unit. The collected signal data is processed by the control unit and transmitted to the local LCD，local terminal，and remote terminal. The system can monitor temperature and humidity data in real time，provide local LCD display，local terminal display，network remote terminal display three working modes，provide configurable temperature and humidity independent upper and lower limit alarms and temperature and humidity mixed alarm functions，and provide continuous environmental monitoring records，query，alarm prompt function. The system can also be extended with automatic temperature and humidity adjustment.

Keywords：temperature and humidity monitoring;AM2301;Ethernet;embedded

0  引  言

该文的主要目的是在温湿度传感器、单片机以及网络应用的理论知识的基础上，选用TI公司的MSP430F149完成一种可以提供不间断监控记录，能够提供网络远程终端、本地主机终端和本地液晶三种工作方式以及能够报警的远程网络温湿度监控系统。

本系统主要是温湿度传感器采集温湿度信号后传输到控制单元，所采集的信号数据经控制单元处理后传输到本地液晶、本地终端和远程终端分别显示，本地终端将接收到的数据进行显示和存储，终端上位机可以设置温湿度阈值并进行报警。本系统能够实时监测温湿度数据，提供多种终端显示工作方式，提供可配置的温度、湿度独立上下限报警和温湿度混合报警功能，提供连续环境监测记录、查询功能。系统由温湿度传感器模块，主控制模块、副控制模块、电源模块、本地液晶显示模块、以太网控制芯片模块、RS232转USB模块、网络变压器模块、RJ45网络接口模块、电脑终端显示与报警模块，以及远程电脑终端显示模块共11部分组成。

1  系统电路设计

系统电路的主芯片采用TI（德州仪器）公司的MSP430 F149 Flash单片机。低电压范围1.8V～3.6V供电，本设计采用3.3V的电压供电。MSP430F149的运行模式以先进的方式支持超低功率和超低能耗的各种要求。这是通过各模块的智能化运行管理和CPU的状态组合而成的。

本设计在RST/NMI管脚上接100KΩ的上拉电阻，再接0.1μf的电容，电容的一端接地，可以使复位更加可靠。再在电阻上并接一个型号为IN4008的二极管，可以有效地实现系统断电后立即上電。LFXT1接低频振荡器，接32768Hz的振荡器，直接接在XIN与XOUT之间，此时振荡器不需要接负载电容。XT2接8MHZ的标准晶体振荡器。在本系统中，温湿度传感器采用单总线传输形式，SDA接5.1K电阻上拉后与单片机器的I/O端口相连。采用5V电源供电。如图1所示。

2  串口电路设计

本系统主控制芯片和终端采用串口通信方式，串口波特率为9600，无奇偶校验位，8位数据位，1位停止位。接收使能端EN接地，时钟有效;掉电模式控制引脚force off接

地，force on接高电平，此时，自动掉电功能起作用，若器件未感应到接收器输入端的一个有效的RS-232信号，则驱动器输出端被禁止。MSP430F149单片机USART0的TXD脚（P3.4）与MAX3221的11脚T1IN相连，USART0的RXD脚（P3.5）与MAX3221的第9脚R1OUT相连。转换后的RS-232信号分别通过MAX3221的第13脚（T1OUT）和第八脚（R1IN）输出和输入，可以与DB9的第2和第3引脚相连，从而通过串口延长线直接与PC机相连。

3  软件设计方案

系统软件运行总体设计流程如下：上电后系统初始化，显示开机画面，系统每2s中断一次，在中断中读取和处理温湿度数据，并在本地液晶上实时显示数据信息，同时系统将处理后的数据通过UART0和UART1传送给本地主机和副控制芯片，副控制芯片接收到数据后进入串口中断，在中断中修改全局变量temper，修改后的变量经CS8900A以太网芯片发送给远程主机。

温湿度接受子程序主要用于接收AM2301模块发送的串行数据。这个程序在定时器中断里面完成。通信的波特率默认为9600，1个起始位，1个停止位，无奇偶校验位。由于温湿度模块一次性发送40位数據，前16位为湿度数据，17到32位为温度数据，后8位为校验数据。

4  串口上位机的设计

该串口上位机程序包含温湿度监控单元、温湿度设置单元、温湿度查询单元。上位机默认设置为串口1，波特率9600，无校验位，8位数据位，1位停止位，报警温湿度为70%RH，17℃。如图2所示，系统登录界面默认用户名和密码为“admin”，点击登录后，软件进入监控界面，点击“打开端口”按钮，如果电脑没有连接硬件，软件会弹窗警告;如果已连接硬件，点击打开端口后，登录状态灯会变成绿色，同时温湿度监控单元里面的温湿度显示框会2s更新一次当前环境温湿度数据。如果当前温湿度超过温湿度设置单元里设定的温湿度阈值，温湿度监控单元中的温湿度显示框里的数值会变成红色，同时报警灯会变成红色报警。上位机软件能够实时存储接收到的温湿度数据，数据存储到当前目录下的DATA.txt文本中，温湿度查询单元可以查询DATA.txt文本中存储温湿度数据，在查询界面中的“时间”输入框中输入时间，如“2019/3/1422.40.56”，点击“确定”按钮后DATA.txt文本中记录的该时刻的温湿度数据就会显示在查询界面的“湿度”和“温度”的显示框中。存储的数据可以导出和备份。下次使用时，可以直接放到软件当前目录下，软件可以直接查询到。

5  以太网上位机的设计

该以太网上位机包含端口设置单元、温湿度显示单元、报警设置单元。端口设置单元用于设置嵌入式服务器的IP地址，TCP连接的本地端口和目的端口，系统默认本地端口4000，目的端口2025，目的IP 192.168.1.190。连接硬件后，点击“连接”按钮，如果本地端口已占用，本地端口自动加1;如果本地端口没被占用，连接状态灯变成绿色，按钮状态变成“断开”，同时“获取温湿度”按钮被激活，点击“获取温湿度”按钮，软件上位机会自动连接硬件获取温湿度数据并显示在温湿度显示单元中的“温度”和“湿度”显示框中。如果当前温湿度超过温湿度设置单元里设定的温湿度阈值，温湿度显示单元中“温度”和“湿度”显示框里面的数值会变成红色同时报警灯会变成红色报警。报警设置单元用于设置报警温湿度阈值，分别在设置框中填写完后，点击“设置”按钮，报警温湿度就会被设定成设定值。软件上位机还能自动每2s更新一次当前温湿度数据，如果把“自动获取”前面的框打上勾，上位机就能自动每2s更新一次当前温湿度数据。该以太网上位机还能自动存储温湿度数据，数据存储到当前目录下的DATA.txt文本中，数据可以导出和备份。

6  结  论

本系统提供多种工作方式以及监控和报警功能。但是本设计还有许多可以改进和扩展的地方，比如增加温湿度传感器个数，设计成多路温湿度监控，还可以添加温湿度自动调节模块增加风机和加热模块使监控场所的温湿度保持在设定范围内，使本设计更具有实际应用价值。

参考文献：

[1] 刘宝元，张玉虹，姜旭，等.基于单片机的温湿度监控系统设计 [J].国外电子测量技术，2009，28（12）：77-80+83.

[2] 宋庆国.基于以太网的分布式温湿度智能监控系统 [D].青岛：中国海洋大学，2007.

[3] 老盛林，何式健.MAX6675在K型热电偶温度测量中的应用 [J].现代信息科技，2019，3（8）：195-196.

作者简介：钟滨（1972-），男，汉族，江苏建湖人，总经理，中级职称，硕士，研究方向：工业自动化控制。