1、 1 本科毕业设计 (论文 )文献综述 电子信息 工程 无线温湿度监测系统设计 摘要 ： 针对传统监铡系统的局限性，结合单片机控制技术和射频无线通信技术， 介绍 了基于无线数据收发芯片 、 以 单片机 为主处理 器 的无线 温湿度 监测系统，阐述 相关 原理并对部分模块 电路和软件流程进行了介绍。无线监测系统相比有线监测系统应用灵活，可移动性强，将是未来监测系统发展的主要方向。 关键词 ：温湿度、无线、传感器、单片机 一、 引言 温湿度与生产及生活密切相关，像仓库、农田、塑料大篷以及其他生产过程，湿度过大会引起霉变和变质 ； 温度变化会影响品质 ； 精密仪器、 半导体器件，温度过高或者湿度过大
2、会导致性能降低 ， 另外 ， 人们的生活质量提高 ， 对室内环境的高要求也需要对温湿度的适时监控，由此可见，温湿度的测量应用范围是很广的。以往的温湿度传感器都是有线方式传送数据，线路冗余复杂，不适合大范围或者异地多数量放置，连线成本高，线路的老化问题也影响了其可靠性。随着大量、廉价和高度集成的无线模块的普及，以及其它无线通信技的运用，实现无线的高效温湿度测量已经成为现实。 无线温湿度测量系统的基本构成和工作原理无线温湿度测量系统构成 ： 主要有两大部分，上位机处理器控制系统、下位机测量系统。 上位机处理器控制系统是控制系统的核心，是负责与下位机通信并完成显示任务和控制功能的；下位机测量系统负责
3、对测量点的温湿度测量，并根据上位机的控制要求，把测量点的信息返回给上位机控制系统 1。 温湿度监测系统的下位机硬件框图如图 l所示，包括微处理器及其外围电路 (处理器模块、串口通信 RS232、温湿度传感器、无线收发模块、数码管显示和按键。 ) 2 图 1 硬件系统框图 下面着重介绍了温湿度传感器模块、无线收发模块、微处理模块和电源，以及程序设计。 二、 温湿度传 感器原理 当将单片机用作测控系统时，系统总要有被测信号输入，由计算机拾取必要的输入信息。对于测量系统而言 和 测控系统来讲，对被控对象状态的测试和对控制条件的监察是不可缺少的环节。传感器是实现测量与控制的首要环节，是测控系统的关键部
4、件，如果没有传感器对原始被测信号进行准确可靠的捕捉和转换，一切准确的测量和控制都将无法实现 ，传感器就好比是人的眼睛和耳朵。系统中将会用到测试环境温度和湿度的传感器，下面我们来介绍一下温度传感器和湿度传感器的原理和分类。 温度传感器（ temperature transducer）是 利用 物质各种物理性质随温度变化的规律把温度转换为电量的传感器。按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。 热电偶测温基本原理是将两种不同材料的导体或半导体 A和 B 焊接起来，构成一个闭合回路，如图 2 所示，当导体 A和 B的两个执着点 1 和 2 之间存在温差时，两者之间便产生电动势，因而在回路中
5、形成一个大小的电流，这种现象称为热电效应。温度传感器热电偶就是利用这一效应来工作的。 温湿度传感器模块 无线收发模块 处理器模块 MCU 串口通信RS232 数码管显示 按键模块 电源供应管理电路 报警器 3 图 2 热电偶测温基本原理图 热电阻 是指 导体的电阻值随温度变化而改变，通过测量其阻值推算出被测物体的温度，利用此原理构成的传感器就是电阻温度传 感器，这种传感器主要用于 -200 500 温度范围内的温度测量。热电阻材料热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，此外，现在已开始采用镍、锰和铑等材料制
6、造热电阻 2。 湿度传感器 （ humidity transducer）指 能感受气体中水蒸气含量，并转换成可用输出信号的传感器。湿敏元件是最简单的湿度传感器。湿敏元件主要有电阻式、电容式两大类。湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜 上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等。当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。 因为需要测试温度和湿度，可以考虑分别采用一个温度传感器和湿度传
7、感器来采集环境的温度和湿度数据，或使用一个集合了温度和湿度的传感器来采集数据。例如： 方案一：采用热电阻温度传感器 来采集温度数据 。 方案二：采用 AD590 传感器采集 ，它的测温范围在 -55 +150 之间，而且精度高。可以承受 44V正向电压和 20V反向电压，因而器件反接也不会损坏 ， 使用可靠 3。 方案三：采用温湿度传感器 DHT11， DHT11 数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。 综合比较方 三个方案 ， 方案三更为适合。因为方案三种的温湿度传感器 DHT11 既能测试温度也能测试湿度，同时是一款 数字温湿度传感器 ，这样方便了数据的传送和处理
8、 。 温湿4 度传感器 DHT11 它 是 应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术 ， 确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个 电阻式感湿元件和一个 NTC 测温元件，并与一个高性 8 位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个 DHT11 传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在 OTP 内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20 米以上，使其成为各类应用甚至 最为苛刻的应用场合的最佳选则。产品为
9、 4 针单排引脚封装。连接方便，特殊封装形式可根据用户需求而提供 4。 DHT11 数字 温湿度传感器 性能如表一所示。 NTC 测温元件是指负温度系数热敏电阻。它是以锰 (Mn)、钴 (Co)、镍 (Ni)、铜 (Cu)和铝 (Al)等金属氧化物为主要材料，采用陶瓷工艺制造而成的。 传感器阻值随温度的升高而减小。 表一 DHT11 数字温湿度传感器 性能表 三、 处理器单元 处理器单元是传感器网络节点的核心，和其他单元一起完成数据的采集、处理和收发。微处理器的功能，一方面负责数据采集，另一方面负责将采集到数据通过无线通信的方式传5 输给中心节点。系统设计要求单片机运行速度快、功耗低、集成高精
10、度转换器等。 同时 无线 传感器网络的应用受能量有限限制，要求网络节点尽可能节能 5。 从处理器的角度看，无线传感器网络节点基本可以分为两类：一类采用以 ARM处理器为代表的高端处理器。该类节点的能量消耗比采用微控制器大很多，多数支持 DVS（动态电压调节）或 DFS（动态频率调节）等节能策略，但是其处理能力也强很多，适合图像等高数据量业务的应用；此外，采用高端处理器来作为网关节点也是不错的选择。另一类是以采用低端微控制器为代表的节点。该类节点的处理能力较弱，但是能量消耗功率也很小。在选择处理器时应该首先考虑系统对处理能力的需要，然后再考 虑功耗问题。 单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规
11、模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器 CPU 随机存储器 RAM、只读存储器ROM、多种 I/O 口和中断系统、定时器 /计时器等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统 6。 这里介绍 选用 STC89C52 单片机 为核心处理器。 STC89C52 单片机 是一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K在系统可编程Flash 存储器。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash，使得 STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效 的解决方案 7。 四、 无线传输技术及芯片 在许多测控现场，传统数据传输都是通过有线电缆实现的。随
12、着射频、集成电路技术的发展，无线通信功能的实现更容易，数据传输速率更快，抗干扰能力更强，因此，许多应用采用了无线传输技术 13。无线数据传输与有线数据传输相比，有诸多优点： 1、 是成本低，省去大量布线 。 2、 是建网快捷，只需在每个终端连接无线数据传输模块和架设适当高度天线 。 3、 是适应性好，可应用于某些特殊环境 。 4、 是扩展性好，只需将设备与无线数据传输模块相连接。 因此，无线传输是一种有效数据传输方式 。 可 以利用的传输媒体有空气、红外、激光、超声波等，常用的无线通信技术有： 802.11b、802.15.4(ZigBee)、 Bluetooth、 UWB、 RFID、 Ir
13、DA等；还有很多芯片双方通信的协议由用户自己定义，这些芯片一般工作在 ISM免费频段，如表 2 所列。利用激光作为传输媒体，功耗比用电磁波低，更安全。缺点是：只能直线传输；易受大气状况影响；传输具有方向性。这些缺点决定这不是一种理想的传输介质。红外线的传输也具有方向性，距离短，不需要天线。芯片 83F88S 是一种符合 IrDA 标准的无线收发芯片。 UWB 具有发 射信号功率谱密度6 低、系统复杂度低、对信道衰落不敏感、安全性好、数据传输率高、能提供数 cm 的定位精度等优点；缺点是传输距离只有 10 m 左右，隔墙穿透力不好。 802.11b 因为功耗高而应用不多， Bluetooth 工
14、作在 2.4GHz 频段，传输速率可达 10 Mbps；缺点是传输距离只有 10 m 左右，完整协议栈有 250KB，不适合使用低端处理器，多用于家庭个人无线局域网，在无线传感器网络中也有所应用。在无线传感器网络中应用最多的是 ZigBee 和普通射频芯片。 ZigBee 是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低 成本的双向无线通信技术，完整的协议栈只有 32 KB，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。以上特点决定 ZigBee技术非常适合应用在无线传感器网络中。目前市场上常见的支持 ZigBee 协议的芯片制造商有 Chipcon 公司和 Freescale 半导体公司， Fig
15、ure8 公司还专门开发了 ZigBee 协议栈。 Chipcon公司的 CC2420 芯片应用较多， Toles 节点和 XYZ节点都是采用该芯片； Chipcon 公司提供包含 Figure8 公司开发的 ZigBee 协议的完整开发套件。 Freescale 半导体公司提供 ZigBee 的2.4 GHz 无线传输芯片有 MC13191、 MC13192、 MC13193；该公司还提供配套的开发套件。 x 表示数字 19 表 2 常见无线类型数据表 普通的射频芯片也是一种理想的选择，可以自定义通信协议，比较有代表性的 MAC 协议有 TMAC、 SMA、 CWiseMAC、 BMAC、
16、DMAC 等。路由协议有 Gossiping、 SPIN 协议、LEACH协议、 TEEN 协议等。从性能、成本、功耗方面考虑， RFM公司的 TR1000 和 Chipcon公司的 CC1000 是理想的选择。这两种芯片各有所长， TR1000 功耗低一些， CC1000 灵敏度高一些， 传输距离更远。 WeC、 Renee 和 Mica 节点均采用 TR1000 芯片； Mica2 采用 CC1000芯片； Mica3 采用 Chipcon 公司的 CC1020 芯片，传输速率可达 153.6 kbps，支持 OOK、 FSK和 GFSK调制方式； Micaz 节点则采用 CC2420 Z
17、igBee 芯片。还有一类无线芯片本身集成了无线技术 频 率 距离 /m 功 耗 传输速率 /kbps Bluetooth 2.4GHz 10 低 10000 802.11b 2.4GHz 100 高 11000 RFID 50kHz5.8GHz 5 200 ZigBee 2.4GHz 1075 低 250 IrDA Infrared 1 低 16000 UWB 3.110.6 GHz 10 低 100000 RF 3001000 MHz 10*x100*x 低 10*x 7 处理器，例如 CC2430 是在 CC2420 的基础上集成了 51 内核的单片机； CC1010 是在 CC1000
18、 的基础上集成了 51 内核的单片机，使得芯片的集成度进一步提高。 WiseNet 节点采用的是CC1010 芯片。常 见的无线芯片还有 Nordic 公司的 nRF905、 nRF2401 等系列芯片，因为功耗较高，接收灵敏度比较低，开发难度较大，在实际的无线传感器网络中应用较少。常用无线芯片的主要参数比较如表 3 所列。 芯片 /参数 频段 /MHz 速率 /kbps 电流 /mA 灵敏度 /dB 功率 /dBm 调制 TR1000 916 115 3.0 -106 1.5 OOK/FSK CC1000 3001000 76.8 5.3 -110 -2010 FSK CC1010 4029
19、04 153.6 19.9 -118 -2010 GFSK CC2420 2400 250 19.7 -94 -3 O-QPSK nRF905 433915 100 12.5 -100 10 GFSK nRF2401 2400 1000 15 -85 -200 GFSK 表 3 常用无线芯片主要参数比较 射频工程是无线网络设计和实现的基础，也是决定无线网络功能和性能的关键技术之一。射频（ RF）是 Radio Frequency 的缩写，表示可以辐射到空间的电磁频率，频率范围从300KHz 30GHz 之间。 如果无线芯片本身的传输距离不能满足设计 的需要，我们就可以通过加装 RF 模块来增加
20、传输距离。 射频简称 RF 就是射频电流，它是一种高频交流变化电磁波的简称。每秒变化小于 1000 次的交流电称为低频电流，大于 10000 次的称为高频电流，而射频就是这样一种高频电流。无论是无线网络架构师、无线网络产品设计师还是无线网络工程师都需要深入了解无线网络中的射频工程，具体包括用于无线网络的接收机和发射机、天线、复杂环境下的电波传播以及射频对无线网络总体性能的影响等 9。 无线模块（ RF wireless module）是利用无线技术进行无线传输的一种模块。它被广泛地应用于电脑无线网络，无线通讯，无线控制等领域。无线模块主要由发射器，接收器和控制器组成 10。 下面三种无线模块都
21、可以用于无线系统的设计： 1、 nRF905 是 Nordic VLSI 公司推出的单片射频收发器，工作电压为 1.9V 3.6V。工作于 433MHz、 868MHz、 915MHz 3 个 ISM频段，频道转换时间小于 650s，最大数据速率为100Kbit s。 nRF905 由频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和 GFSK 调制器组成。无需外加声表面滤波器， ShockBurst 工作模式，自动处理字头和 CRC，使用 SPI接口与微控制器通信，配置方便。此外，其功耗低，以 -10dBm 输出功率发射时电流仅 11mA，8 工作在接收模式时电流为 12.5 mA，具有空闲模
22、式与关机模式，易于实现功率管理。 2、 CC1100 微功率无线数传模块，采用 Chipcon 公司的高性能 CC1100 无线通信芯片，最大传输数率达 500kbps，并可软件修改波特率，开阔地传输距离达到 300-500 米，具有无线唤醒等功能，灵敏度达到 -110dBm，可靠性高，可广泛应用于各种场合的短距离无线通信等 领域 11。 3、 Zigbee 模块， Zigbee 是 IEEE 802.15.4 协议的代名词。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设
23、备。简而言之，ZigBee 就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。 三个模块中 Zigbee 模块的芯片性能最强， ZigBee 大规模的组网能力每个网络 65000个节点 ，但 传输 距离近 -传输范围一般介于 10 100m 之间 且价格上也比 CC1100 和nRF905 高 。 CC1100 无线模块 在价格和性能上 都比较适中， CC1100 微功率无线数传模块传输距离 较远（ 开阔地传输距离达到 300-500 米 ）， CC1100 是一种低成本真正单片的 UHF 收发器，为低功耗无线应用而设计。电路主要设定为在 315、 433、 868 和 915MHz 的 ISM
24、（工业，科学和医学）和 SRD（短距离设备）频率波段，也可以容易地设置为 300-348MHz、400-464MHz 和 800-928MHz 的其他频率。 RF 收发器集成了一个高度可配置的调制解调器。这个调制解调器支持不同的调制格式，其数据传输率可达 500kbps。通过开启集成在调制解调器上的前 向误差校正选项，能使性能得到提升。 CC1100 为数据包处理、数据缓冲、突发数据传输、清晰信道评估、连接质量指示和电磁波激发提供广泛的硬件支持。 CC1100 的主要操作参数和 64 位传输 /接收 FIFO（先进先出堆栈）可通过 SPI 接口控制。在一个典型系统里， CC1100 和一个微控
25、制器及若干被动元件一起使用。 CC1100 基于 0.18 微米 CMOS 晶体的 Chipcon 的 SmartRF04 技术 12。 五、 电源模块 电池种类很多，电池储能大小与形状、活动离子的扩散速度、电极材料的选择等因素有关。无线传感器网络节点的电池一 般不易更换，所以选择电池非常重要， DCDC 模块的效率也至关重要；另外，还可以利用自然界的能源来补充电池的能量。 按照能否充电，电池可分为可充电电池和不可充电电池；根据电极材料，电池可以分为镍铬电池、镍锌电池、银锌电池和锂电池、锂聚合物电池等。一般不可充电电池比可充电电池能量密度高，如果没有能量补给来源，则应选择不可充电电池。在可充电
26、电池中，锂电池9 和锂聚合物电池的能量密度最高，但是成本也比较高；镍锰电池和锂聚合物电池是唯一没有毒性的可充电电池。无线传感器网络节点一般工作在户外，可以利用自然能源来补给电池的能量 。自然界可利用的能量有太阳能、电磁能、振动能、核能等。由于可充电电池的次数是有限的，而且大多数可充电电池有记忆效应，因此利用自然界的能量不能频繁对电池充电，否则会大大缩短电池的使用寿命。 六、 程序设计 软件的设计在系统中也是至关重要的一环，少了必要的程序整个系统也将无法运行。如图 4 以 CC1100 为例的 软件系统的整体数据处理流程 。 图 4 CC1100 软件系统的整体数据处理流程 在程序的设计中应该采
27、用模块化 设计， 模块化的设计使程序结构清晰，易理解、易调试、易修改。同时也方便实现团队的分工和合作开发。 这个示例中所有程序采用模块化设计，包括 DHT11 温湿度数据采集子程序、单片机系统的实时时钟、数据存储和串口通讯子程序以及 CC1100 无线收发子程序 3 大模块。系统上电复位后，经过初始化进入 STC89C52 单片机的低功耗模式。子程序都是通过时钟以中断的方式唤醒单片机，定时采集环境温湿度数据、存储数据和处理数据，然后调用 CC1100 无线发送子程序将处理好的数据发送出去。采用定时中断的方式进行数据的采集和发送，这样不仅能 够降低系统功耗，而且能够满足环境温湿度数据采集的实时性
28、。设计采用 Keil uVISION3开发环境来开发单片机程序。 CCl100 无线收发模块是无线温湿度监测系统实现的关键，这里需要运用 CC1100 包处理机制 14。包处理的过程中，还使用了数据白化功能，即在传输数据之前将其白化，在接收器里进行反白化，极大地提高了数据传输的准确率。 在 PC机上使用 VC6 0 设计对应的人机对话界面，实现在 PC机中实时观测、记录、和对警报报警值的设定。 用户界面非常重要，因为它 直接 影响到用户 的 感觉，情绪 15，所以这个界面设 计也需要仔细的制作。 温湿度采集 CC1100 接收 CC1100 发送 外部设备 表格统计分析 10 结语 总的来说，
29、无线温湿度监控系统相对于传统的有线系统有着很大优势，无线温湿度监控系统成本低、可靠性强、效率高、而且扩展方便，易于安装。随着网络化越来越普及，远程无线的运用也更加显得重要。 参考文献： 1 黄双成 ,张秋红著 基于单片机的无线温湿度测量系统的设计和实现 J 科技信息（学术版） 2007 5 2 赵燕 著 传感器原理及应用 M 北京 ： 北京大学出版社 2010 2 3 AD590 芯片资料手册 EB/OL， 2011-05-29 http:/ 4 DHT11 中文资料及 C例程 EB/OL， 2011-08-16 http:/ 5 胡亚琦单片机原理及应用系统设计 M西安：电子科技大学出版社 2
30、010 9: 6 田希晖，薛亮儒 C51 单片机技术教程 M人民邮电出版社 2009 12 7 宏晶科技 STC89C51RC/RD+系列单片机器件手 册 EB/OL http:/ 8 AT89S52 单片机中文资料 EB/OL http:/ 9 多布金 无线网络射频工程硬件天线和电波传播 M 北京： 人民邮电出版社 2008 10 10 夏华 无线通信模块设计与物联网应用开发 M 北京： 电子工业出版社 2010 6 11 邓专，陈维，王春麟射频收发芯片 CC1100 及其应用 J机械工程与自动化2010 8:168-169 12 CC1100 Single Chip Low Cost Low Power RF Transceiver EB/OL http:/ 13 Steven Powell J P Shim Wireless Technology:Applcations， Management and Security Springer 2009 11： 29-33 14 潘旭兵，林中基于 CC1100 的无线手持终端的设计 J电子技术应用， 2007 10： 29-33 15 Joel Spolsky User Interface Design for Programmers 2008 10
