一種多點(diǎn)無線溫度監(jiān)測報警及調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計

摘 要： 在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖領(lǐng)域，溫度是一個非常重要的影響因素。為了對所在區(qū)間的溫度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和適時調(diào)控，設(shè)計一種基于增強(qiáng)型51單片機(jī)、DS18B20數(shù)字溫度傳感器、NRF905無線通信芯片、串口通信、Visual Basic 2010的多點(diǎn)無線溫度監(jiān)測報警及調(diào)控系統(tǒng)。該監(jiān)測裝置通過無線模塊將采集到的溫度信息以及檢測裝置中電池的剩余電量發(fā)送給接收裝置，接收裝置通過串口通信再將溫度和電量信息發(fā)送給上位機(jī)軟件，上位機(jī)軟件向用戶顯示各種信息，同時用戶可以通過計算機(jī)軟件控制每個監(jiān)測裝置所連接的溫度調(diào)控設(shè)備。仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度監(jiān)測、溫度報警、溫度調(diào)控、無線傳輸?shù)裙δ埽绕湓诂F(xiàn)代養(yǎng)殖領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞： 無線通信； NRF905； 溫度報警； 溫度調(diào)控

中圖分類號： TN915?34； TH811 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）18?0057?04

Abstract： Temperature is a very important factor in the fields of modern agriculture and cultivation. In order to perform the temperature monitoring in real time and control at proper moment in the region， a multi?point wireless temperature monitoring and control system based on enhanced 51 MCU， digital temperature sensor DS18B20， wireless communication chip NRF905， serial communication and Visual Basic 2010 was designed. The monitoring system sends the temperature information collected by the wireless module and the remained energy in battery in the detection device to the receiving device. The receiving device sends the temperature and remained energy information to the host computer software through the serial communication. The PC software displays a variety of information to users. The users can control the temperature regulating device connected to each monitoring device by computer software. The simulation results show that the system can realize multi?point temperature monitoring， temperature alarm， temperature control， wireless transmission and other functions， and especially has a wide application prospect in the field of the modern cultivation.

Keywords： wireless communication； NRF905； temperature alarm； temperature control

0 引 言

現(xiàn)代化的農(nóng)業(yè)如養(yǎng)殖場等，養(yǎng)殖密度高且規(guī)模大[1?2]，在高密度養(yǎng)殖的情況下容易出現(xiàn)溫度不適引起家畜病死的現(xiàn)象，尤其是夏天，一旦養(yǎng)殖場房內(nèi)的溫度過高，家畜就會大量的中暑死亡，給養(yǎng)殖者帶來很大的經(jīng)濟(jì)損失。

常規(guī)的監(jiān)測方法是用溫度計進(jìn)行檢測，工作人員隔一段時間就去看一下室內(nèi)溫度，以此來決定是否要開啟調(diào)溫設(shè)備，規(guī)模大的養(yǎng)殖場不僅費(fèi)力耗時，而且效率也不高。本文所設(shè)計的系統(tǒng)采用無線通信的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[3?4]，可以進(jìn)行多點(diǎn)無干擾的測量[5?6]。上位機(jī)顯示和操控界面采用Visual Basic 2010作為上位機(jī)軟件開發(fā)工具，軟件界面簡潔易懂。系統(tǒng)的溫度采集由DS18B20[7?8]數(shù)字溫度傳感器完成，該溫度傳感器體積小硬件電路簡單。系統(tǒng)整體成本低且功能多，既可實(shí)現(xiàn)溫度的遠(yuǎn)程監(jiān)控，又可實(shí)現(xiàn)溫度報警和溫度調(diào)控，同時還能向用戶顯示監(jiān)測裝置的電量，以便及時地更換節(jié)點(diǎn)的電源。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)主要包含三個部分：監(jiān)測裝置、接收裝置、上位機(jī)軟件。監(jiān)測裝置的功能是采集溫度信息和電量信息同時控制調(diào)溫設(shè)備，接收裝置的功能有：將監(jiān)測裝置發(fā)送來的數(shù)據(jù)通過串口傳輸給上位機(jī)；將上位機(jī)傳輸過來的數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)測裝置；協(xié)調(diào)所有的監(jiān)測裝置進(jìn)行無線通信不產(chǎn)生沖突。系統(tǒng)的監(jiān)測裝置與接收裝置原理如圖1所示。

2 主要元器件選型

2.1 處理器

系統(tǒng)所使用的處理器是STC15F2K60S2單片機(jī)封裝形式為SOP?28，該單片機(jī)是增強(qiáng)型51單片機(jī)且不需要外部晶振和復(fù)位電路，片內(nèi)集成了A/D轉(zhuǎn)換模塊和SPI接口模塊。A/D轉(zhuǎn)換模塊可以用來檢測電池剩余的電量；SPI接口可以和NRF905無線模塊進(jìn)行通信，同時該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理量并不大，無需16位或32位的單片機(jī)，因此選擇該型號單片機(jī)既節(jié)約成本又做到了物盡其用。

2.2 溫度傳感器

系統(tǒng)的溫度傳感器為DS18B20，該溫度傳感器體積小，硬件電路簡單，采用單總線接口與單片機(jī)通信，既節(jié)約單片機(jī)I/O口又簡化了系統(tǒng)的硬件電路。

2.3 無線通信芯片

系統(tǒng)使用的NRF905無線通信芯片既可以發(fā)送數(shù)據(jù)又可以接收數(shù)據(jù)，該芯片采用SPI接口與單片機(jī)通信，擁有4個字節(jié)的可編程地址，芯片的無線通信自帶循環(huán)冗余校驗(yàn)，保證了數(shù)據(jù)的真確性。由于NRF905芯片只有一種封裝形式且以作者的實(shí)驗(yàn)條件無法對其進(jìn)行焊接，因此本系統(tǒng)直接采用了以NRF905芯片制作的模塊。

2.4 串口通信芯片

串口通信芯片采用CH340G，該芯片外圍電路簡單，通過USB接口與計算機(jī)連接，計算機(jī)只需要安裝CH340驅(qū)動程序便能識別串口，操作十分簡便，同時USB接口還能給接收裝置供電，省去了給接收裝置提供額外電源的麻煩。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)的監(jiān)測裝置由5 V穩(wěn)壓模塊、3.3 V穩(wěn)壓模塊、溫度測量模塊、電量測量模塊、繼電器控制模塊、無線通信與處理器模塊構(gòu)成，接收裝置由3.3 V穩(wěn)壓模塊、串口通信模塊、無線通信與處理器模塊構(gòu)成。監(jiān)測裝置采用9 V干電池供電，接收裝置采用USB供電，系統(tǒng)硬件電路原理圖如圖3所示。

3.1 穩(wěn)壓模塊

系統(tǒng)的5 V穩(wěn)壓模塊主要由L7805穩(wěn)壓芯片和穩(wěn)壓二極管組成，5 V穩(wěn)壓模塊將9 V的電壓穩(wěn)定到5 V輸出。3.3 V穩(wěn)壓模塊主要由AMS1117 3.3 穩(wěn)壓芯片和穩(wěn)壓二極管組成，3.3 V穩(wěn)壓模塊將5 V的電壓穩(wěn)定到3.3 V輸出，供無線模塊使用。

3.2 電量測量模塊

電池電量的測量通過測量電池兩端的電壓來完成，干電池的輸出電壓與電池電量有一定的關(guān)系，輸出電壓越小，電池電量越低。對電池電壓的測量采用A/D轉(zhuǎn)換，由于使用了處理器自帶的A/D轉(zhuǎn)換功能而參考電壓為處理器工作的5 V電壓，因此為了測量9 V電池的輸出電壓，本系統(tǒng)采用兩個10 kΩ的電阻分壓，將測量結(jié)果乘2即可得到電池兩端的電壓。

3.3 串口通信模塊

串口通信模塊以CH340G為核心，外接12 MHz的晶振，芯片的D+、D-引腳與USB接口的D+、D-引腳相連，TxD，RxD引腳與單片機(jī)的串口通信引腳相連接。

3.4 溫度測量模塊

DS18B20的外圍電路十分簡單，只需要在數(shù)據(jù)傳輸線上加一個4.7 kΩ的上拉電阻即可。

3.5 繼電器控制模塊

系統(tǒng)的監(jiān)測裝置采用繼電器來控制溫度調(diào)控設(shè)備，溫度調(diào)控設(shè)備可以是加熱裝置也可以是通風(fēng)扇等，繼電器允許通過的最大電流是10 A，這就意味著繼電器可以直接控制2 000 W以內(nèi)的單相用電器。如果是三相設(shè)備或者單相大于2 000 W的設(shè)備，則可以通過繼電器控制三相交流接觸器來間接控制溫度調(diào)控設(shè)備。由于單片機(jī)I/O口的輸出電流不足以驅(qū)動繼電器，因此繼電器控制模塊利用三極管將電流放大，放大后的電流便可驅(qū)動繼電器，同時在繼電器的線圈兩端加上了一個二極管，這個二極管的作用是釋放掉線圈中的感應(yīng)電流從而消除感應(yīng)電流對電路的沖擊。

3.6 無線通信與處理器模塊

本系統(tǒng)所使用的處理器無需外部晶振和復(fù)位電路，因此只要給處理器供電，處理器便能正常工作，無線模塊的SPI接口引腳直接與處理器的SPI接口引腳相連，只需要對處理器操作SPI相關(guān)的寄存器便可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，從而不需要用I/O口模擬SPI總線時序。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 電量測量

本系統(tǒng)將電池的電量分成10個階段顯示，即100%，90%，…，10%，電池輸出電壓與電量的關(guān)系并不是線性關(guān)系，因此根據(jù)電池的電量隨著輸出電壓的降低而減少的特性，將電壓與電量近似的擬合成一個二次函數(shù)關(guān)系，以y表示電池的電量，x表示輸出電壓，其兩者的關(guān)系為y=-4.44x2+80x-350（x∈[7.5，9]），當(dāng)電池的輸出電壓降低到7.5 V時可以視為電池沒電了，此時y的值為0，當(dāng)輸出電壓大于等于9 V時，y的值為10，此時向用戶顯示電量為100%，同理y=9時顯示電量為90%。之所以把輸出電壓的下限定為7.5 V是由于L7805穩(wěn)壓芯片的最小輸入電壓是7 V，當(dāng)輸入電壓小于7 V時，L7805的輸出電壓將不再是5 V。為了保證系統(tǒng)正常運(yùn)行，當(dāng)電池的輸出電壓降低到7.5 V時便可提醒用戶更換電池。核心代碼如下：

5 仿真測試

用兩個監(jiān)測裝置和一個接收裝置實(shí)驗(yàn)，模擬多點(diǎn)的溫度監(jiān)測，經(jīng)測試系統(tǒng)無線通信的距離在空曠地帶可達(dá)100 m，因此該系統(tǒng)可以用在較大的養(yǎng)殖空間中。多點(diǎn)的無線通信容易造成數(shù)據(jù)沖突，例如兩個監(jiān)測裝置同時向接收裝置發(fā)送數(shù)據(jù)，這時無線信號就會相互產(chǎn)生干擾，本系統(tǒng)通過接收裝置控制監(jiān)測裝置發(fā)送數(shù)據(jù)的順序協(xié)調(diào)無線通信，測試期間沒有出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸中斷和無效數(shù)據(jù)的情況。串口通信方面，發(fā)送數(shù)據(jù)采用查詢方式，接收數(shù)據(jù)采用中斷方式，并在處理器空閑時處理串口接收到的數(shù)據(jù)并通過無線模塊發(fā)送給監(jiān)測裝置，通過這樣的方法避免了接收裝置在進(jìn)行無線通信時收到來自串口的控制信息，成功的實(shí)現(xiàn)了在任意時刻可以通過上位機(jī)軟件控制監(jiān)測裝置上的繼電器器。

系統(tǒng)工作時上位機(jī)軟件的頁面如圖4所示。

該系統(tǒng)可以分別對單個監(jiān)測裝置和平均溫度進(jìn)行報警監(jiān)測，對溫度的上下限分別設(shè)置一個閾值，一旦超出這個閾值監(jiān)測溫度的范圍，程序會調(diào)用一個音頻文件使計算機(jī)的聲音設(shè)備發(fā)出警報聲直到用戶關(guān)閉對應(yīng)的溫度報警按鈕。

6 結(jié) 語

本文設(shè)計了一個多點(diǎn)無線溫度監(jiān)測報警及調(diào)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)在考慮可靠性、實(shí)用性、簡便性的基礎(chǔ)上設(shè)計。該系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計穩(wěn)定可靠，在可實(shí)用的范圍內(nèi)能進(jìn)行較好的測量，該溫度采集系統(tǒng)具有非接觸、響應(yīng)快和精度高等特點(diǎn)。仿真實(shí)驗(yàn)表明其測量精度可達(dá)±0.2 ℃，能進(jìn)行適時的監(jiān)控及報警，但在使用時還需要根據(jù)特定的環(huán)境進(jìn)行改善，這樣就能克服傳感器對測量環(huán)境要求高的弊端。

本系統(tǒng)在盡量節(jié)約成本的同時實(shí)現(xiàn)了多個功能，采用上位機(jī)軟件顯示提高了系統(tǒng)的可視化程度，即使是非專業(yè)人員也可以很輕松的使用該系統(tǒng)。該系統(tǒng)在家畜養(yǎng)殖領(lǐng)域有很好的推廣前景。

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