基于無線傳輸的車載溫濕度測量系統設計

陳星晨,張麗萍

(福州大學 機械工程及自動化學院，福州 350116)

基于無線傳輸的車載溫濕度測量系統設計

陳星晨,張麗萍

(福州大學 機械工程及自動化學院，福州 350116)

為了克服傳統溫濕度靜態點測量的局限性大、靈活性差的問題，設計了一種基于無線傳輸的車載溫濕度測量系統;用戶通過計算機來無線遙控小車，可以進行人體無法進入或帶有危險性質場所的溫濕度測量;使用了DHT11數字式溫濕度傳感器進行溫濕度的測量,并利用NRF905收發模塊實現了數據的無線傳輸;上位機采用Labview圖形化開發工具，控制面板上可以進行溫濕度歷史數據的查詢，以曲線、數字、量程三種不同的形式顯示實時溫濕度數據，當溫濕度超過預警值時能夠報警，同時能實時顯示小車運動軌跡;整個系統人機界面簡潔，系統工作穩定，適應性強。

無線傳輸；動態點測量；溫濕度測量；Labview

0 引言

溫度和濕度是工業生產、倉儲技術、農林牧業、家居生活中的一個非常重要的參數。它影響著我們生活的方方面面。經過調查和查詢相關資料發現，單個靜態點溫濕度的測量[1]和多個靜態點溫濕度的測量[2]都已經有了較多的研究成果，并且測量方法[3]也有了很大提升。但也存在一些問題，有線的溫濕度采集系統，布線成本高，后期改造困難；而智能化的溫濕度無線監控系統造價較高，特別是在測量點比較多的情況。為此本文設計了將無線遙控小車作為載具，搭乘溫濕度測量裝置，用戶可通過PC機操控小車并通過無線的方式獲得溫濕度數據，將溫濕度的靜態點檢測變為一定范圍內動態點檢測，具有較高的靈活性和適應性。

1 基于無線傳輸的車載溫濕度測量裝置總體方案設計

基于無線傳輸的溫濕度測量儀由兩個部分構成：小車部分和PC機部分。小車部分由溫濕度傳感器DHT11，單片機STC89C52RC，液晶顯示屏LCD1602，NRF905無線收發模塊[4]，小車組件(含底盤、車輪和直流電機等)、電機驅動模塊L298N組成。PC機部分由單片機STC89C52RC，NRF905無線收發模塊，PL2303模塊以及PC機組成。

對小車軌跡進行控制時，PC機部分作為小車控制指令發射端。用戶通過操作上位機控制面板發送動作信號給單片機，再由單片機控制無線模塊傳輸數據。小車部分無線模塊接收來自PC機的小車動作信號并傳送給車載的單片機，單片機根據信號對電機驅動模塊發出控制指令，進而驅動電機，實現運動。執行溫濕度數據信號采集功能時，小車部分作為數據信號發送端，通過DHT11采集現場溫濕度信號，將測得信號發送給單片機STC89C52RC，單片機將收到的溫濕度信號傳送給無線模塊NRF905并顯示在液晶顯示屏LCD1602上，PC機部分則通過無線模塊NRF905接收現場傳來的信號后，通過單片機和PL2303模塊轉換信號傳輸給PC機進行顯示和處理。系統的方塊圖如圖1所示。

圖1 系統的方塊圖

2 硬件設計

2.1 車載端電路

小車端電路需要實現的功能：溫濕度數據信號的采集、顯示和傳輸；小車控制信號的接收以及小車驅動。設計中使用DHT11溫濕度傳感器來采集數據信號，液晶顯示屏LCD1602顯示采集到的溫濕度數據，NRF905無線模塊來發送溫濕度數據信號并且接收來自上位機的小車控制信號，L298N電機驅動模塊[5]用于驅動小車兩個車輪的直流電機。

單片機STC89C52RC的電源電壓是5 V，NRF905無線模塊的電源電壓是3.3 V，采用降壓芯片AMS1117-3.3 V來滿足NRF905無線模塊的供電需求。主控芯片和與無線傳輸模塊NRF905之間采用I/O口模擬SPI進行控制，其通訊采用Master與Slave結合的框架模式實現串行數據線MOSI與MISO的數據通訊。其中NRF905芯片選用430MHzISM工作頻段，配合內置的無線通訊協議和CRC校驗功能，可以自動完成編碼解碼功能，另外，由于該芯片擁有較強的抗干擾能力強，受環境影響小的高斯頻移鍵控調制方式，使其在復雜的環境中通信無礙[4]。小車端無線傳輸電路和電機驅動電路如圖2和圖3所示。

圖2 小車端無線傳輸電路圖

圖3 小車端電機驅動電路圖

2.2 PC機端電路

PC機端電路需要實現的功能：溫濕度信號的接收和控制指令的發送。設計中采用NRF905無線模塊接收溫濕度信號并且發送小車控制指令信號，單片機與PC機之間的串口通訊使用PL2303模塊[6]來實現。NRF905無線模塊的接線同車載端電路相同，可參見小車端的無線傳輸電路，串口通訊電路如圖4所示。

圖4 PC機端串口通訊電路圖

3 軟件設計

3.1 下位機無線傳輸軟件設計

在設計中車載端和PC機端都需要發送和接收數據信號，無線傳輸程序首先需要對NRF905無線模塊進行初始化[7]和寄存器配置，配置頻段在430MHZ，輸出功率為10db。芯片ShockBurst RX接收模式與ShockBurst TX發送模式的切換只需控制上電控制引腳PWR_UP、芯片狀態標志位引腳TRX_CE，模式設定引腳TX_EN這三個引腳就能夠完成。在ShockBurst TX發送模式中，設置TRX_CE=0、TX_EN=1以及PWR_UP=1，使得芯片處于空閑狀態，待有數據發送時，通過I/O口模擬SPI總線將接收信息的微控制器地址和數據發送給NRF905，再使得端口TRX_CE=0，激活 ShockBurstTX 模式。此時，NRF905將校驗信息與數據合并打包發送，待數據就緒引腳DR=1時，表示數據發送成功，將引腳TRX_CE置低，返回初始狀態。在ShockBurst RX接收模式中，先設置芯片為空閑等待模式。當引腳TRX_CE=1，進入數據接收模式。延時650 μs等待數據接收，隨后檢測總線載波信號，當檢測到信號時，載波檢測標志位CD置高。接收地址與數據地址匹配相同時，引腳AM 置高。等到CD和AM引腳都置高時，開始接收傳輸數據，接收完畢后，進行CRC位校驗，校驗正確后引腳DR自動置高表示數據信號正確且接收成功，此時將TRX_CE引腳置低進入空閑模式等待下一次數據接收。

數據的交換采用載波監聽(CSMA)[7]的方法來保證系統有效運行。在發送數據信號時，采用載波檢測的方法防止單片機部分和PC機部分同時發送無線數據造成信道沖突。在發送數據前，單片機需要先判斷無線模塊CD引腳是否為高電平，若為低電平，說明空間中不存在同頻率的載波，可以立即發送數據；若為高電平，說明空間中存在相同頻率的載波，需要避讓一段時間再嘗試發送數據。避讓時間的選擇采用非堅持算法[7]，即等待一個由概率分布決定的隨機重發延遲時間(延時時間是由程序產生的隨機數)，再監測無線模塊NRF905的CD引腳的電平，進而決定發送數據或者是再進行隨機延時。采用隨機的重發延遲時間可以減少數據發送過程中產生信道沖突發生的可能性，避免程序運行周期接近導致的反復數據丟失。無線傳輸的發送流程圖如圖5所示，無線傳輸的接收流程圖如圖6所示。

圖5 無線傳輸發送流程圖

圖6 無線傳輸接收流程圖

3.2 上位機軟件設計

上位機采用Labview編寫，Labview程序由程序框圖和前面板組成。前面板是用戶和程序交互使用的界面。程序框圖寫出的代碼能夠通過前面板以圖形的方式顯示出來，利于用戶直觀地理解各種界面的功能[8]。為了界面簡潔，便于操作，采用了如圖7的軟件程序結構。

該軟件系統主要包括以下功能：

1)從下位機采集到溫濕度數據，并對數據進行處理和顯示；

2)將采集到的數據連接到文本中，進行數據存儲；

3)發送對小車的控制信號，并顯示小車運行軌跡；

4)提供一個人機交互的界面以選擇需要調整的參數和功能(小車控制或監測狀態，溫濕度預警值)。

小車運行軌跡的計算是采用相對坐標的方法。假設小車運行時間為t，直線速度為v，旋轉角速度為ω。初始位置的坐標設定為(x0,y0)，小車位置的坐標為(x1,y1)。

前進和后退按鍵所對應的小車位置坐標為：

(1)

左右旋轉按鍵所對應的小車位置坐標為：

(2)

每次運動完成后，將小車運動結束位置設置為新的初始位

圖7 系統軟件結構

置，初始的坐標系隨著小車移動進行平移或者旋轉生成新的坐標系。直線運動以及旋轉運動坐標系變化如圖8和圖9所示。坐標位置點計算完成后采用Labview里圖片繪制，將每次坐標轉化的小車坐標用直線連接起來，并創建局部變量保留所有的軌跡連線，形成小車軌跡的顯示。

圖8 直線軌跡坐標系變化示意圖

圖9 曲線軌跡坐標系變化示意圖

4 系統調試

在某一房間中進行溫濕度的動態點監測的現場實驗，通過PC端發送指令控制小車在房間內完成指定的軌跡運動，控制效果較好，小車運動軌跡和PC控制面板上顯示軌跡基本一致。小車端通過無線傳輸發送到PC端的溫濕度數據與使用溫濕度測量儀測出的數據一致，并且采集的數據平穩，可以滿足實驗條件。在試驗過程中，系統表現穩定，能長時間高速運行，采集的溫濕度數據實時顯示在系統的應用界面上，實現了多種的顯示形式：數值顯示、量程顯示、實時數據曲線。采集數據存儲于文檔中便于調取查詢。通過PC控制面板上多種顯示形式的溫濕度數據以及小車運行軌跡圖，操作人員能夠更為直觀的觀察到一定范圍內溫濕度動態點監測的狀態，發現異?，F象。

5 結論

針對市場的溫濕度測量儀一般只用于定點測量這一問題，提出了將無線遙控小車作為載具，搭乘溫濕度測量裝置的方案。文中設計了無線傳輸電路及小車驅動電路，為了實現無線傳輸的目的，編制了無線傳輸的發送與接收程序。采用LABVIEW進行上位機編程以實現與下位機的通信，并測量結果進行處理、顯示和儲存。通過現場實驗，該裝置可以實現一定區域內的溫濕度動態點的測量。

[1] 葉 鋼. 基于SHT11溫濕度測量儀的設計[J]. 國外電子測量技術, 2011, 30(12):66-68.

[2] 姚傳安. 無線溫濕度測量傳感器網絡設計[J]. 計算機測量與控制, 2007, 15(2):165-166.

[3] 王 歡,黃 晨. 高精度無線環境溫濕度測量系統設計研究[J]. 電子測量與儀器學報, 2013, 27(3):211-216.

[4] 李江全，賀 浩，王玉巍,等.單片機數據通信及測控應用技術詳解[M]. 北京：電子工業出版社,2011,12.

[5] 毛 鵬, 周宏豪, 蘇 洋,等. 手機藍牙遙控的溫濕度檢測車研制[J]. 信息技術, 2015(4):80-83.

[6] 李朝青．單片機原理及串行外接接口技術[M]．北京：北京航空航天大學出版社，2008．

[7] 李文仲.短距離無線數據通信入門與實戰[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2006,12.

[8] 顏園園, 張宏群. 基于LabVIEW的溫濕度測量系統[J]. 現代電子技術, 2009, 32(1):120-121.

Design of Vehicle Temperature and Humidity Measuring System Based on
Wireless Transmission

Chen Xingchen，Zhang Liping

(College of mechanical engineering and automation，Fuzhou University，Fuzhou 350116，China)

In order to overcome the limitation of the traditional temperature and humidity measurement and the problem of flexibility, a vehicle temperature and humidity measurement system based on wireless transmission is designed.The user is able to use the computer to control the car remotely by wireless commands, which can measure the temperature and humidity in some place where people can not enter or in hazardous conditions. The DHT11 digital temperature and humidity sensor is used to measure the temperature and humidity, and the wireless transmission of data is realized by using the NRF905 transceiver module. PC uses Labview graphical development tools to write programs, the user can check the temperature and humidity history data in the control panel, and which displays real-time temperature and humidity data in three different forms, curve, digital and range, when the temperature and humidity exceeds the warning value, the utility model can alarm, and the track of the car can be displayed in real time. The man-machine interface of the whole system is simple, the system is stable, and the adaptability is strong.

wireless transmission；wireless remote control；temperature and humidity measurement；Labview

2016-11-22；

2016-12-15。

陳星晨(1993-)，男，寧德人，碩士研究生，主要從事太赫茲，無損檢測，激光加工等方向的研究。

張麗萍(1972-)，女，莆田人，博士，副教授，主要從事自動檢測方向的研究。

1671-4598(2017)05-0042-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.05.013

TP3

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