基于CXA1191和SHT11的無線溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)

王帥

（湖南懷化學院 物理與信息工程系，湖南 懷化 418008）

在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、氣象、環(huán)保等部門，經(jīng)常需要對環(huán)境溫度與濕度進行測量與控制。準確的溫濕度測量對生物制藥、食品加工和造紙等行業(yè)更是至關(guān)重要的[1]。隨著測量技術(shù)自動化和智能化程度的提高，各種溫濕度采集系統(tǒng)已得到了廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的溫濕度測量采用有線傳輸方式，一般使用模擬化的溫濕度傳感器直接將非電量轉(zhuǎn)換成電量，再送至PC機或單片機作后續(xù)處理。其缺點在于：一是布線工作量大，成本高，傳輸距離較遠時還會引入較大的誤差和干擾；二是模擬式濕度傳感器一般都要設(shè)計信號調(diào)理電路并需要經(jīng)過復雜的校準和標定過程，因此測量精度難以保證，且在線性度、重復性、互換性 、一致性等方面往往不盡人意。盡管目前已有一些無線溫濕度采集方案，但其傳輸部分多采用價格較高的專用無線模塊實現(xiàn)。當應(yīng)用中需要大量布設(shè)節(jié)點時采用專用模塊的系統(tǒng)造價會大大提高，難以滿足低成本、多節(jié)點應(yīng)用環(huán)境下的用戶需求，如一些規(guī)模不大的、個體的農(nóng)業(yè)環(huán)境控制。

為提高系統(tǒng)的性價比，本文提出了一種基于CXA1191的低成本溫濕度采集方案，主要面向精度高、數(shù)據(jù)量小、節(jié)點數(shù)多、成本敏感的應(yīng)用需求。該方案將廣播接收技術(shù)與現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)相結(jié)合，在深入研究CXA1191接收電路原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合編碼器件和單片機系統(tǒng)，實現(xiàn)了數(shù)字信號的低成本無線傳輸。系統(tǒng)用高性能的SHT11溫濕度傳感器實現(xiàn)溫濕度測量，利用其高集成度的特點簡化設(shè)計、降低成本，提高了系統(tǒng)的實用性。

1 概 述

溫濕度采集系統(tǒng)采用主從分布式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)由PC機、匯聚節(jié)點和分布于不同位置的多個無線子節(jié)點構(gòu)成。匯聚節(jié)點和子節(jié)點采用無線通信方式，PC機與匯聚節(jié)點通過RS232總線通信。匯聚節(jié)點從各子節(jié)點獲取現(xiàn)場溫濕度參數(shù)，并將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)RS232總線上傳至PC機處理和顯示。節(jié)點由發(fā)射和接收電路、編碼電路、單片機系統(tǒng)、鍵盤和顯示等部分組成。發(fā)射電路由分立元件搭建，采用AM調(diào)制方式。接收電路由CXA1191對射頻信號作放大、混頻和濾波處理，將無線信號變換到中頻，中頻處理由檢波電路和編解碼電路完成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和節(jié)點結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。圖2中RS232通信功能僅為匯聚節(jié)點獨有，SHT溫濕度采集器件僅為子節(jié)點獨有。

2 接收電路

目前無線數(shù)據(jù)通信多采用專用模塊實現(xiàn)，市面上已有多種無線數(shù)傳模塊可供選擇。這些專用模塊使用簡單，功能齊備，即使是射頻開發(fā)經(jīng)驗較少的設(shè)計者也能很快上手。其缺點是價格較高，當面對數(shù)據(jù)量小、功能要求不高且節(jié)點數(shù)又比較多的應(yīng)用時性價比不理想。但如果自行設(shè)計電路，則往往又受到射頻設(shè)計難度高、調(diào)試工作量大以及設(shè)計者經(jīng)驗缺乏等限制而難于實現(xiàn)，其中尤以接收電路結(jié)構(gòu)最為復雜?？紤]到以上因素，本文采用了一種折中的方案，即利用CXA1191的內(nèi)部電路，配以少許外部元件，既實現(xiàn)了射頻接收的功能，又簡化了結(jié)構(gòu)，開發(fā)者僅需基本的無線電知識即可獨立完成設(shè)計。

CXA1191是一款單片大規(guī)模收音電路，因其集成度高，外圍元件少，性能優(yōu)良，在我國相當流行，廣受歡迎的“德生”收音機內(nèi)部多數(shù)采用了這款芯片[2]。CXA1191包括了AM/FM收音機從天線輸入、高放、混頻、本振、中放、檢波直至音頻功放的全部功能。圖3顯示的是設(shè)計中用到的CXA1191調(diào)頻電路部分（圖中檢波解碼部分是本設(shè)計的擴展）。

當CXA1191處于調(diào)頻接收狀態(tài)時，無線信號先經(jīng)過帶通濾波，然后進入12腳在內(nèi)部完成高頻放大。放大后的信號與本振混頻產(chǎn)生10.7 MHz的中頻信號。在正常收音模式下（如圖中虛線所示），該中頻信號經(jīng)10.7 MHz陶瓷濾波器選頻后接至17腳，在內(nèi)部鑒頻、檢波和音頻放大，最后驅(qū)動揚聲器發(fā)聲。

通過以上分析不難發(fā)現(xiàn)，CXA1191的結(jié)構(gòu)可以分為兩部分:1）低噪放、混頻、濾波部分（即獲取10.7 MHz中頻信號的電路），這是一般的超外差式接收機的通用結(jié)構(gòu)；2）鑒頻、檢波和放大，這是其專有的用于音頻信號解調(diào)處理的結(jié)構(gòu)。其通用結(jié)構(gòu)完全可以用作數(shù)字通信的射頻前端。例如，如果有一ASK（振幅鍵控）信號，載頻在87～109 MHz以內(nèi)，該信號能通過帶通濾波器進入高放和混頻電路。適當調(diào)節(jié)本振，可以在陶瓷濾波器輸出端獲得10.7 MHz的ASK信號，此信號仍保留著原始的調(diào)制信息只是載頻有所降低，這正是希望得到的中頻ASK信號。對這個信號再做檢波和解碼處理，即可得到所需的數(shù)字信號。經(jīng)實驗驗證，這個設(shè)想是可行的。

具體設(shè)計如圖3所示。改造方法十分簡單，在原CXA1191調(diào)頻電路的基礎(chǔ)上，斷開10.7 MHz濾波器與17腳的連接，將濾波器的輸出接至后面的檢波電路。CXA1191的其他功能如中波和短波接收均未用到，與之關(guān)聯(lián)的電路皆可省去，使設(shè)計和調(diào)試的任務(wù)大大減輕。實際調(diào)試時要注意適當調(diào)節(jié)高放和本振的兩個調(diào)諧回路，同時觀察陶瓷濾波器的輸出，盡量使輸出幅度最大，噪聲和失真最小。

3 發(fā)射電路

進行數(shù)據(jù)發(fā)送時，單片機首先將待發(fā)數(shù)據(jù)送至PT2262編碼。PT2262的17腳輸出已編碼的脈沖，高頻振蕩器在此脈沖調(diào)制下產(chǎn)生ASK信號經(jīng)天線發(fā)射出去。如圖4所示，脈沖信號控制發(fā)射管基極導通與關(guān)斷，振蕩器輸出振幅也隨之變化，且只有最大值和零值兩種狀態(tài)，即得到所需的ASK信號。振蕩器接成克拉潑形式，其中利用了基極－射級電容和集電極－射級電容。采用聲表面波器件SAW穩(wěn)頻，使電路具有很高的穩(wěn)定性。SAW工作在串聯(lián)諧振狀態(tài)，使L1的部分電感接至基極－集電極之間構(gòu)成電容三點式振蕩器。振蕩器工作頻率計算公式為，本設(shè)計將振蕩頻率設(shè)定在 90 MHz。

4 編解碼電路

編解碼功能由PT2262/PT2272完成。PT2262/PT2272是一對帶地址、數(shù)據(jù)編碼功能的無線發(fā)射接收芯片[3]。其7、8、10～13腳是數(shù)據(jù)端，1～6腳是地址端，14腳為低電平時啟動發(fā)射，17腳串行輸出包含地址和數(shù)據(jù)的編碼脈沖信號。圖5為解碼電路。

解碼時，來自10.7 MHz濾波器的ASK信號先經(jīng)VD、C1、R2檢波，再通過LM358放大后送入PT2272的解碼輸入14腳。解碼成功時VT由低變高，解碼后的數(shù)據(jù)出現(xiàn)在數(shù)據(jù)引腳上供單片機讀取。需要注意的是，發(fā)射和接收芯片地址碼設(shè)置必須相同，PT2272對收到的信號要進行2次地址比對，只有地址正確才有有效數(shù)據(jù)輸出。

5 溫濕度采集電路

溫濕度采集以SHT11為核心，它是Sensirion公司推出的基于CMOSensTM技術(shù)的新型溫濕度傳感器。SHT11將溫度傳感器、濕度傳感器、信號調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、標定參數(shù)及I2C總線接口全部集成到傳感器內(nèi)部，既提高了傳感器的性能，又降低了成本、減少了體積，同時也非常便于和微控制器接口，是嵌入式系統(tǒng)溫濕度測試的理想選擇[4-5]。

SHT11 接口十分簡單，僅包括電源（Vdd）、地（GND）、串行時鐘輸入（SCK）、串行數(shù)據(jù)（DATA）4個引腳。每次測量都需要 “啟動傳輸”、“發(fā)送命令”、“讀取數(shù)據(jù)”3個過程，DATA在SCK下降沿之后改變狀態(tài)，SCK上升沿時有效。

“啟動傳輸”用于初始化SHT11，由 SCK和DATA的一個特定時序完成，如圖6所示。在SCK時鐘上升沿DATA翻轉(zhuǎn)為低電平，下一次SCK上升沿到來時DATA翻轉(zhuǎn)為高電平，從而完成“啟動傳輸”時序。

接下來要發(fā)送的是1個字節(jié)的命令，包括3個地址位和5個命令位。命令的傳輸需要8個SCK周期。命令傳輸完成后，SHT11會在第8和第9個SCK下降沿間給出一個DATA低電平脈沖，表示正確接收。

如果發(fā)送的是測量命令（“00000101”表示相對濕度RH，“00000011”表示溫度 T），外部控制器要等待測量結(jié)束。SHT11通過給出DATA低電平脈沖表示測量的結(jié)束。接著傳輸2個字節(jié)的測量數(shù)據(jù)和 1個字節(jié)的 CRC奇偶校驗。外部控制器需要通過下拉DATA為低電平，以確認每個字節(jié)。數(shù)據(jù)傳輸時序如圖7所示。

得到溫濕度的數(shù)字量后，需要根據(jù)SHT11手冊提供的公式轉(zhuǎn)換成實際物理量。SHT11的溫度傳感器采用的是能隙材料PTAT，線性性能極好，可以直接按以下公式將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為溫度值：

其中SOT為測量值，d1、d2取值如表1所示。

表1 溫度轉(zhuǎn)換系數(shù)Tab.1 Conversion coefficients of temperature

濕度傳感器具有非線性，需要按以下修正公式計算實際值：

SORH為傳感器相對濕度測量值，系數(shù) c1c2c3的取值如表2所示。

表2 濕度轉(zhuǎn)換系數(shù)Tab.2 Conversion coefficients of humidity

實際測量溫度與25℃相差較大時，應(yīng)考慮濕度傳感器的溫度修正系數(shù)：

溫度修正系數(shù)如表3所示。

表3 濕度修正系數(shù)Tab.3 Humidity correction coefficients

6 系統(tǒng)控制

節(jié)點以單片機系統(tǒng)為核心，控制各功能單元協(xié)調(diào)工作。單片機的控制任務(wù)主要有4個：

1）控制收發(fā)電路完成數(shù)據(jù)的接收和傳送；

2）將匯聚節(jié)點發(fā)來的命令解釋成相應(yīng)的控制動作（子節(jié)點具備），收集存儲各子節(jié)點的數(shù)據(jù)（主節(jié)點具備）；

3）定時控制SHT11完成溫濕度數(shù)據(jù)采集；

4）與PC機通信，上傳溫濕度數(shù)據(jù)。

單片機選擇低功耗的MSP430。MSP430是一個16位的、具有精簡指令集的、超低功耗的混合型單片機[6]，具有極低的功耗、豐富的片內(nèi)外設(shè)和方便靈活的開發(fā)手段，十分適合嵌入式應(yīng)用。

匯聚節(jié)點與子節(jié)點采用簡單的主從通信協(xié)議。匯聚節(jié)點定時輪流向各節(jié)點發(fā)出含有節(jié)點地址碼的查詢命令。從節(jié)點都編有互不相同的地址，僅對與自身地址相符的命令作出回應(yīng)，將采集的溫濕度數(shù)據(jù)發(fā)回主節(jié)點。為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，軟件中引入了出錯重發(fā)機制。匯聚節(jié)點向子節(jié)點發(fā)查詢命令后，如果在指定時間內(nèi)未收到數(shù)據(jù)，則再次發(fā)起查詢命令，3次查詢失敗則認為節(jié)點故障并記下節(jié)點號。得到各從節(jié)點的數(shù)據(jù)后，匯聚節(jié)點將數(shù)據(jù)打包上傳給PC機。PC端采用VC6.0設(shè)計了上位機軟件，使用MSComm控件實現(xiàn)與匯聚節(jié)點的串口通信，實現(xiàn)了溫濕度顯示界面，同時對測量的數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波處理，有效地提高測量精度。匯聚節(jié)點和主節(jié)點軟件流程圖如圖8、圖9所示。

7 結(jié)束語

無線溫濕度測量在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域有著廣泛的需求，基于專用無線模塊的方案難以滿足低成本的應(yīng)用需求。本文提出了利用CXA1191實現(xiàn)射頻前端的新思路，結(jié)合數(shù)字技術(shù)和高性能的SHT11溫濕度采集器，設(shè)計了一個具有較高性價比的無線溫濕度測量系統(tǒng)。經(jīng)實際檢驗，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，數(shù)據(jù)精度在3%以內(nèi)，能很好地滿足實際應(yīng)用需求。

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