基于RFID的控制柜降溫除濕系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王娟 張爾東 于廣艷

（哈爾濱石油學(xué)院 黑龍江省哈爾濱市 150029）

1 緒論

經(jīng)市場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前并沒有生產(chǎn)單位可以為設(shè)備運(yùn)維單位提供專用穩(wěn)定性比較高的設(shè)備，這也是讓運(yùn)維單位最痛苦的問題。而且按照發(fā)電站領(lǐng)導(dǎo)要求一旦需要應(yīng)急降溫的時(shí)候，必須要有專人看守，有時(shí)候天氣比較惡劣的時(shí)候，運(yùn)維人員必須要把風(fēng)扇搬回屋內(nèi)[1]。為了可以幫助運(yùn)維單位解決這個(gè)問題，設(shè)計(jì)一個(gè)基于RFID 的控制柜降溫除濕裝置。

2 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的基于RFID 的控制柜降溫除濕裝置其主要功能就是通過RFID 射頻無線通信模塊NRF24L01 完成信息的交互，其主要信息包括控制柜內(nèi)的溫濕度參數(shù)和一些特定的輔助功能包括將采集到的溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，按鍵設(shè)定控制柜內(nèi)的參數(shù)閾以及報(bào)警功能[2]。這些功能都通過主控制器STM32F103 進(jìn)行邏輯控制，如圖1所示主要研究了系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)。

系統(tǒng)方框圖簡述：其主控制器就是STM32F103RCT6 單片機(jī)，外圍是一些輔助電路包括時(shí)鐘振蕩電路、復(fù)位電路以及各種外部接口構(gòu)成單片機(jī)最小系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)采集功能的電路包括有溫濕度采集功能，為了用戶增加別的需求預(yù)留了I/O 口。數(shù)據(jù)的無線通信模塊是通過NRF24L01 模塊完成的，該無線模塊的原理是射頻。無線模塊接收到信息后會(huì)在顯示器上顯示供控制中心的人查看。然后控制柜上的顯示器也會(huì)將采集到的數(shù)據(jù)在控制柜上顯示，供巡邏的人查看。按鍵時(shí)用來讓變電站工作人員進(jìn)行參數(shù)閾值設(shè)定的，保證控制柜內(nèi)的環(huán)境參數(shù)不會(huì)超過設(shè)定的范圍?？刂乒駜?nèi)的調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)不了的時(shí)候則發(fā)出報(bào)警[3]。

3 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)

3.1 主控制器電路的設(shè)計(jì)

選擇使用的主控制器是STM32F103RCT6，有32 位的處理器，工作頻率最高可達(dá)72M，有非常豐富的存儲(chǔ)功能?？梢允荝AM、ROM、Flash 存儲(chǔ)器，本文需要一個(gè)比較大的程序存儲(chǔ)器，而STM32F103RCT6 內(nèi)部FLASH 有256K，并且其I/O 口數(shù)量達(dá)到100 以上，屬于發(fā)展比較迅速的ARM 處理器。開發(fā)難度較低，并可以在復(fù)雜的控制領(lǐng)域進(jìn)行使用[4]。

3.2 NRF24L01模塊電路

接收模式下NRF24L01 模塊可以接收最多6 路的信息，這幾個(gè)通路需要被配置為不同的地址，在進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的時(shí)候使用同一個(gè)頻段。這個(gè)配置就是說可以將6 個(gè)NRF24L01 模塊配置為發(fā)送模式，然后一個(gè)配置為接收模式，這個(gè)接收模式的模塊可以同時(shí)與這6 個(gè)模塊進(jìn)行通信，在進(jìn)行數(shù)據(jù)接收的時(shí)候會(huì)對(duì)這6 個(gè)發(fā)射端進(jìn)行識(shí)別。發(fā)射模式下只要主控制器將數(shù)據(jù)發(fā)送過來，NRF24L01 模塊就會(huì)啟動(dòng)增強(qiáng)ShockBurs 模式來完成數(shù)據(jù)發(fā)送[9]。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后緊接著會(huì)進(jìn)入接受模式，接收對(duì)方的應(yīng)答信號(hào)，如果沒有接收到對(duì)方的應(yīng)答信號(hào)，則證明發(fā)送失敗，該模塊會(huì)繼續(xù)發(fā)送信息[5]。

圖1：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3.3 顯示電路的設(shè)計(jì)

本文選擇的顯示器是目前比較流行的顯示屏LCD1602，該顯示屏主要的控制引腳包括使能端、讀寫、數(shù)據(jù)指令端、數(shù)據(jù)端，這些引腳都是需要與控制器進(jìn)行連接的，主控制器可以根據(jù)該顯示屏的讀寫時(shí)序進(jìn)行程序的開發(fā)，然后就可以控制數(shù)據(jù)的顯示。

3.4 溫濕度采集電路的設(shè)計(jì)

為了了解變電站控制柜內(nèi)的溫度濕度的情況?，F(xiàn)在比較常用的精度比較高的溫濕度傳感器就是DHT11。這種傳感器的不需要主控制器進(jìn)行AD 轉(zhuǎn)換，其內(nèi)部就可以完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，然后通過單總線的方式將數(shù)字量上傳到控制器，所以數(shù)據(jù)的采集比較簡單。

3.5 調(diào)節(jié)電路設(shè)計(jì)

為了保證控制柜內(nèi)部的環(huán)境參數(shù)在工作人員設(shè)定的范圍內(nèi)，本次設(shè)計(jì)在控制柜降溫除濕系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了溫度濕度調(diào)節(jié)裝置。由于這些裝置設(shè)備功率比較小，所以對(duì)這些設(shè)備的控制不是直接通過控制器的IO 口來完成的，是通過加繼電器的方式其原理就是利用繼電器線圈勵(lì)磁產(chǎn)生電磁力對(duì)繼電器開關(guān)接點(diǎn)進(jìn)行控制。從而間接對(duì)這些設(shè)備進(jìn)行控制?？梢栽谶@個(gè)閉合回路里加上加熱器除濕，利用繼電器輔助接點(diǎn)對(duì)加熱器開關(guān)進(jìn)行控制[6]。

3.6 鍵盤電路的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的基于RFID 的控制柜降溫除濕裝置中，按鍵的主要功能是讓變電站工作人員在變電站開始工作時(shí)，對(duì)控制柜內(nèi)的溫度、濕度的極限值進(jìn)行設(shè)定。由于本次設(shè)計(jì)選擇使用的是獨(dú)立按鍵，所以其相互之間都是獨(dú)立工作的，本文設(shè)計(jì)的按鍵電路時(shí)將其一端與地進(jìn)行連接，另一端與主控制器進(jìn)行連接，主控制器在正常工作的時(shí)候其IO 口都是高電平，但是按鍵一旦按下對(duì)應(yīng)的IO 口就會(huì)被拉低，控制器檢測(cè)到電平的變化就會(huì)知道按鍵被按下，然后執(zhí)行其控制的功能。

3.7 下載電路的設(shè)計(jì)

RS-232 作為現(xiàn)在比較流行的串行通信手段，因較簡單的通信方式所以被很多的地方都使用，這種串行通信接口在單片機(jī)中主要是被用來進(jìn)行程序燒寫的，另外有串口之間輸出的電平是不被識(shí)別的，所以需要進(jìn)行電平的變化，在微控制器中比較常用的就是MAXS3，由于其比較穩(wěn)定的輸出電平，而被廣泛的使用，盡管這種通信方式的速率不是很快，但單片機(jī)程序的燒寫也用不到那么快的速率，所以用該通信方式是非常合適的。

3.8 報(bào)警電路的設(shè)計(jì)

在本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)當(dāng)中報(bào)警電路主要是為了保證在當(dāng)降溫除濕系統(tǒng)不能調(diào)節(jié)控制柜內(nèi)的溫度濕度參數(shù)在設(shè)定范圍內(nèi)時(shí)，會(huì)發(fā)出警報(bào)提醒工作人員。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)完成的控制柜降溫除濕系統(tǒng)的功能，需要進(jìn)行軟件程序的開發(fā)，而且程序設(shè)計(jì)是否嚴(yán)謹(jǐn)對(duì)于后續(xù)的系統(tǒng)的功能穩(wěn)定是非常有幫助的，所以在正式進(jìn)行軟件開發(fā)之前需要對(duì)主程序及各個(gè)子程序的執(zhí)行流程進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4.1 主程序流程

該本文主要介紹的是基于RFID 的控制柜降溫除濕裝置的設(shè)計(jì)，通過按鍵對(duì)控制柜內(nèi)的溫度、濕度進(jìn)行設(shè)定。設(shè)計(jì)思路：用戶可通過按鍵選擇設(shè)置溫度、濕度參數(shù)，該裝置會(huì)實(shí)時(shí)采集控制柜內(nèi)的這些參數(shù)的值通過NRF24L01 模塊發(fā)送同時(shí)會(huì)通過顯示器顯示出來，一旦控制柜內(nèi)的參數(shù)不能控制在工作人員設(shè)定的范圍內(nèi)就會(huì)發(fā)出報(bào)警[7]。

4.2 RFID主模塊通信流程

基于RFID 的無線模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)，是通過主從的模式進(jìn)行數(shù)據(jù)控制的，主機(jī)主要是在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行工作，將主控制器采集到的數(shù)據(jù)通過主機(jī)通信模塊上傳到從機(jī)，其主要的工作流程為對(duì)通信模塊進(jìn)行初始化，然后識(shí)別是否有采集到的數(shù)據(jù)需要上傳，有則發(fā)送傳輸指令給從機(jī)，然后完成數(shù)據(jù)的傳輸[8]。

5 系統(tǒng)測(cè)試與分析

本章主要是對(duì)設(shè)計(jì)完成的系統(tǒng)的硬件電路進(jìn)行焊接，然后對(duì)軟件進(jìn)行在線調(diào)試，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)完成的控制柜降溫除濕系統(tǒng)是否滿足設(shè)計(jì)要求功能是否可以全部實(shí)現(xiàn)。

5.1 系統(tǒng)焊接

完成控制柜降溫除濕裝置的軟件設(shè)計(jì)之后，需要對(duì)硬件部分進(jìn)行焊接，主要包括對(duì)STM32 最小系統(tǒng)的焊接以及溫濕度采集電路、無線通信模塊、按鍵、顯示器的設(shè)計(jì)，這些硬件模塊都需要焊接在同一塊電路板上，因此各個(gè)元件之間相對(duì)比較密集，焊接者在電路焊接的時(shí)候如果不注意就會(huì)出現(xiàn)線路的斷路或者是短路情況，而這些情況的存在小則會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)工作不正常，大則會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)直接被燒毀。為了可以對(duì)這些問題加以防范，所以在進(jìn)行電路板上電之前，設(shè)計(jì)者應(yīng)該仔細(xì)觀察電路圖，然后用萬能表對(duì)所有的線路進(jìn)行檢測(cè)，以保證焊接精準(zhǔn)準(zhǔn)確無誤。系統(tǒng)焊接檢測(cè)完成后，對(duì)設(shè)計(jì)的控制柜降溫除濕系統(tǒng)上電，調(diào)試結(jié)果如圖2所示。

圖2：實(shí)物調(diào)試圖

6 結(jié)論

本次設(shè)計(jì)對(duì)設(shè)計(jì)控制柜降溫除濕裝置的原因做了介紹，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了基于RFID 的控制柜降溫除濕裝置，該裝置采集部分主要用到的技術(shù)是傳感器技術(shù)、模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)等。設(shè)計(jì)的難點(diǎn)是RFID 無線通信技術(shù)，由于要對(duì)高速的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，對(duì)主控制器要求比較苛刻，不僅要求其操作速度快，而且要求其內(nèi)部集成有比較大的程序存儲(chǔ)器FLASH，才能保證在采集的過程中數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。