應用于倉儲中溫濕度記錄儀的系統軟硬件設計
來(lái)源： http://www.tsanaklidou.com/ 類(lèi)別：實(shí)用技術(shù) 更新時(shí)間：2013-02-19 閱讀次
【本資訊由中國糧油儀器網(wǎng)提供】 在倉儲、食品加工等行業(yè)經(jīng)常需要對環(huán)境溫度與濕度進(jìn)行測量及控制，而傳統的基于現場(chǎng)總線(xiàn)的溫濕度監控系統存在布線(xiàn)復雜和傳輸距離受限的問(wèn)題，這些問(wèn)題都不利于對分散的溫濕度監控地點(diǎn)進(jìn)行統一的溫濕度管理。而在通信領(lǐng)域，隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )技術(shù)（WSN）及傳感器技術(shù)的發(fā)展，使得研制低成本的無(wú)線(xiàn)溫濕度監測網(wǎng)絡(luò )成為現實(shí)。通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信方式形成一個(gè)采集、處理傳輸網(wǎng)絡(luò )覆蓋區域內的環(huán)境溫濕度信息，并報告給用戶(hù)，形成一個(gè)無(wú)線(xiàn)溫濕度監測平臺。該平臺采用NRF9E5為無(wú)線(xiàn)收發(fā)及控制核心，結合溫濕度傳感器DHT21實(shí)現。本系統便于安裝，具有較好的實(shí)用價(jià)值。
溫濕度記錄儀由溫濕度監測點(diǎn)和匯聚點(diǎn)組成。溫濕度監測點(diǎn)的作用是檢測溫濕度，并將溫濕度數據發(fā)送給匯聚點(diǎn)。它由NRF9E5、傳感器模塊、存儲模塊構成。匯聚點(diǎn)的作用是接收監測點(diǎn)的溫濕度數據，并將數據通過(guò)RS232串行接口傳送到PC。它由NRF9E5、存儲模塊、MAX3232構成。射頻傳輸芯片NRF9E5是一款內嵌8051的無(wú)線(xiàn)傳輸芯片。它的主要指標：內置NRF905收發(fā)器，傳輸頻率可調（433／868／915MHZ）；輸出功率為－20～10DBM，可通過(guò)軟件編程控制其傳輸輸出功率；具有載波監聽(tīng)功能，具有自動(dòng)地址檢測匹配功能；低電壓工作方式，電源供電范圍為1.9～3.6V，具有內部電源管理器；封裝為32PIN QFN 5×5MM。與通用80C51不同，NRF9E5內嵌處理器的存儲單元比較特殊，它是由一塊與80C52兼容的256ｂRAM和512bROM及一個(gè)4K的RAM組成。512ｂ的ROM中包含一個(gè)初始裝載程序，當系統上電或程序復位時(shí)，這個(gè)初始裝載程序將引導系統通過(guò)SPI接口將用戶(hù)編寫(xiě)的放在一塊外部串行EEPROM程序存儲器中的程序調入內部4K的RAM中，然后系統根據調入RAM中的程序運行。
溫濕度傳感器溫濕度傳感器采用的是DHT21。DHT21是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合型傳感器。傳感器包括一個(gè)NTC測溫元件和一個(gè)電容式感濕元件，并與一個(gè)高性能8位單片機相連接。DHT21采用單線(xiàn)制串行接口，使系統集成變得簡(jiǎn)易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達20M以上。傳感器供電范圍為3.3～5V。傳感器為4針單排引 腳封裝，其 管腳 分 別 為：VDD、DATA、ＧND、NC。溫濕光三參數記錄儀的硬件電路溫濕度監測點(diǎn)電路。該電路使用NRF9E5芯片，外接DHT21溫濕度傳感器、25AA320E2PROM用戶(hù)程序存儲器。NRF9E5電路采用單端連接50Ω天線(xiàn)通過(guò)使用差分單端匹配網(wǎng)絡(luò )。NRF9E5的P00接發(fā)光二極管1ED經(jīng)1KΩ上拉電阻接＋3.3V電源，1ED用于表示發(fā)送狀態(tài)，每發(fā)送1ｂ數據1ED點(diǎn)亮20MS；NRF9E5的P0７經(jīng)1KΩ上拉電阻接DHT21的DATA，用于讀取溫濕度數據。NRF9E5的MOSI、MISO、SCK、EECSN分別接至25AA320的SI、SO、SCK、CS。25AA320為32K－ｂ E2PROM程序存儲器，用于存儲用戶(hù)編寫(xiě)的程序。25AA320的（HO1D）腳為輸入保持線(xiàn)，經(jīng)10KΩ電阻接到＋3.3V電源，25AA320的（ＷP）腳為狀態(tài)寄存器寫(xiě)保護，經(jīng)100KΩ電阻接地。當NRF9E5系統上電或程序復位時(shí)，初始裝載程序將引導系統通過(guò)SPI接口將25AA320E2PROM中用戶(hù)程序調入內部4K的RAM中，然后系統根據調入到RAM中的程序運行。
匯聚點(diǎn)電路。該電路同樣使用NRF9E5芯片，與溫度照度記錄儀的測點(diǎn)電路不同點(diǎn)在于：去掉外接DHT21溫濕度傳感器，增 加MAX3232串口電路，電源采用AMS11７。MAX3232供電范圍為2.5～5.5V，其作用用于將匯聚點(diǎn)接收的溫濕度數據通過(guò)串口通信傳送到電腦上位機進(jìn)行處理。AMS11７其作用用于將外部直流輸入4.8～6.5V轉化為3.3V給系統供電。溫度照度記錄儀的軟件設計系統上電后主程序首先完成對系統的初始化，然后點(diǎn)亮1ED 10MS表示系統初始化完成，接著(zhù)讀取DHT21溫濕度數據，完成校驗后，程序通過(guò)TX＿EN置高電平激活NRF905進(jìn)行發(fā)送，直至一幀數據發(fā)送完畢。其中RAC－SN＝0使能SPI口，然后SPI口將接收節點(diǎn)的地址寫(xiě)入NRF905，接著(zhù)將有效數據寫(xiě)入NRF905，然后設置TX＿EN置高電，延時(shí)1MS左右待1ｂ數據發(fā)送完畢TRX＿CE拉低結束發(fā)送。溫濕度監測點(diǎn)程序流程。
匯聚點(diǎn)軟件設計系統上電后主程序首先完成對系統的初始化，同樣用1ED點(diǎn)亮10MS表示系統初始化完成，接著(zhù)通過(guò)TRX＿CE置高，TX＿EN置低電平激活NRF905進(jìn)行接收，當NRF905接收到有效數據包（CRC校驗正確時(shí)），NRF905去掉前導碼、地址、CRC位，數據準備就緒DR被置高電平，然后RACSN置低使能SPI口，MCU通過(guò)SPI口讀出數據，然后設置RACSN置高，TRX＿CE置低電平，并將接收到數據通過(guò)串行接口發(fā)送至上位機進(jìn)行處理。匯聚點(diǎn)程序流程。上位機軟件設計倉儲溫濕度記錄儀上位機軟件是在VB6.0中文版環(huán)境下設計調試完成的。匯聚點(diǎn)收到的溫濕度數據，實(shí)時(shí)地通過(guò)串口傳送給PC。PC響應ONCOMM事件，并在事件的處理程序中將數據處理后送VＢ的MSF1EXGRID控件顯示，同時(shí)保存在設定的文件中。
本系統主要對通信的成功率做了測試。測試時(shí)間2012年6月22日，測試地點(diǎn)陜西理工學(xué)院實(shí)驗室，系統開(kāi)機后，上位機軟件在50M范圍內均能正確接收到來(lái)自溫濕度監測點(diǎn)發(fā)來(lái)的溫濕度數據。測量溫濕度數據表明該系統運行正常，NODE001、NODE002分別為溫濕度監測點(diǎn)1、2的測量數據。實(shí)驗結果表明該系統運行穩定，滿(mǎn)足倉儲等行業(yè)無(wú)線(xiàn)溫濕度監測的需要。
溫濕度記錄儀由溫濕度監測點(diǎn)和匯聚點(diǎn)組成。溫濕度監測點(diǎn)的作用是檢測溫濕度，并將溫濕度數據發(fā)送給匯聚點(diǎn)。它由NRF9E5、傳感器模塊、存儲模塊構成。匯聚點(diǎn)的作用是接收監測點(diǎn)的溫濕度數據，并將數據通過(guò)RS232串行接口傳送到PC。它由NRF9E5、存儲模塊、MAX3232構成。射頻傳輸芯片NRF9E5是一款內嵌8051的無(wú)線(xiàn)傳輸芯片。它的主要指標：內置NRF905收發(fā)器，傳輸頻率可調（433／868／915MHZ）；輸出功率為－20～10DBM，可通過(guò)軟件編程控制其傳輸輸出功率；具有載波監聽(tīng)功能，具有自動(dòng)地址檢測匹配功能；低電壓工作方式，電源供電范圍為1.9～3.6V，具有內部電源管理器；封裝為32PIN QFN 5×5MM。與通用80C51不同，NRF9E5內嵌處理器的存儲單元比較特殊，它是由一塊與80C52兼容的256ｂRAM和512bROM及一個(gè)4K的RAM組成。512ｂ的ROM中包含一個(gè)初始裝載程序，當系統上電或程序復位時(shí)，這個(gè)初始裝載程序將引導系統通過(guò)SPI接口將用戶(hù)編寫(xiě)的放在一塊外部串行EEPROM程序存儲器中的程序調入內部4K的RAM中，然后系統根據調入RAM中的程序運行。
溫濕度傳感器溫濕度傳感器采用的是DHT21。DHT21是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合型傳感器。傳感器包括一個(gè)NTC測溫元件和一個(gè)電容式感濕元件，并與一個(gè)高性能8位單片機相連接。DHT21采用單線(xiàn)制串行接口，使系統集成變得簡(jiǎn)易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達20M以上。傳感器供電范圍為3.3～5V。傳感器為4針單排引 腳封裝，其 管腳 分 別 為：VDD、DATA、ＧND、NC。溫濕光三參數記錄儀的硬件電路溫濕度監測點(diǎn)電路。該電路使用NRF9E5芯片，外接DHT21溫濕度傳感器、25AA320E2PROM用戶(hù)程序存儲器。NRF9E5電路采用單端連接50Ω天線(xiàn)通過(guò)使用差分單端匹配網(wǎng)絡(luò )。NRF9E5的P00接發(fā)光二極管1ED經(jīng)1KΩ上拉電阻接＋3.3V電源，1ED用于表示發(fā)送狀態(tài)，每發(fā)送1ｂ數據1ED點(diǎn)亮20MS；NRF9E5的P0７經(jīng)1KΩ上拉電阻接DHT21的DATA，用于讀取溫濕度數據。NRF9E5的MOSI、MISO、SCK、EECSN分別接至25AA320的SI、SO、SCK、CS。25AA320為32K－ｂ E2PROM程序存儲器，用于存儲用戶(hù)編寫(xiě)的程序。25AA320的（HO1D）腳為輸入保持線(xiàn)，經(jīng)10KΩ電阻接到＋3.3V電源，25AA320的（ＷP）腳為狀態(tài)寄存器寫(xiě)保護，經(jīng)100KΩ電阻接地。當NRF9E5系統上電或程序復位時(shí)，初始裝載程序將引導系統通過(guò)SPI接口將25AA320E2PROM中用戶(hù)程序調入內部4K的RAM中，然后系統根據調入到RAM中的程序運行。
匯聚點(diǎn)電路。該電路同樣使用NRF9E5芯片，與溫度照度記錄儀的測點(diǎn)電路不同點(diǎn)在于：去掉外接DHT21溫濕度傳感器，增 加MAX3232串口電路，電源采用AMS11７。MAX3232供電范圍為2.5～5.5V，其作用用于將匯聚點(diǎn)接收的溫濕度數據通過(guò)串口通信傳送到電腦上位機進(jìn)行處理。AMS11７其作用用于將外部直流輸入4.8～6.5V轉化為3.3V給系統供電。溫度照度記錄儀的軟件設計系統上電后主程序首先完成對系統的初始化，然后點(diǎn)亮1ED 10MS表示系統初始化完成，接著(zhù)讀取DHT21溫濕度數據，完成校驗后，程序通過(guò)TX＿EN置高電平激活NRF905進(jìn)行發(fā)送，直至一幀數據發(fā)送完畢。其中RAC－SN＝0使能SPI口，然后SPI口將接收節點(diǎn)的地址寫(xiě)入NRF905，接著(zhù)將有效數據寫(xiě)入NRF905，然后設置TX＿EN置高電，延時(shí)1MS左右待1ｂ數據發(fā)送完畢TRX＿CE拉低結束發(fā)送。溫濕度監測點(diǎn)程序流程。
匯聚點(diǎn)軟件設計系統上電后主程序首先完成對系統的初始化，同樣用1ED點(diǎn)亮10MS表示系統初始化完成，接著(zhù)通過(guò)TRX＿CE置高，TX＿EN置低電平激活NRF905進(jìn)行接收，當NRF905接收到有效數據包（CRC校驗正確時(shí)），NRF905去掉前導碼、地址、CRC位，數據準備就緒DR被置高電平，然后RACSN置低使能SPI口，MCU通過(guò)SPI口讀出數據，然后設置RACSN置高，TRX＿CE置低電平，并將接收到數據通過(guò)串行接口發(fā)送至上位機進(jìn)行處理。匯聚點(diǎn)程序流程。上位機軟件設計倉儲溫濕度記錄儀上位機軟件是在VB6.0中文版環(huán)境下設計調試完成的。匯聚點(diǎn)收到的溫濕度數據，實(shí)時(shí)地通過(guò)串口傳送給PC。PC響應ONCOMM事件，并在事件的處理程序中將數據處理后送VＢ的MSF1EXGRID控件顯示，同時(shí)保存在設定的文件中。
本系統主要對通信的成功率做了測試。測試時(shí)間2012年6月22日，測試地點(diǎn)陜西理工學(xué)院實(shí)驗室，系統開(kāi)機后，上位機軟件在50M范圍內均能正確接收到來(lái)自溫濕度監測點(diǎn)發(fā)來(lái)的溫濕度數據。測量溫濕度數據表明該系統運行正常，NODE001、NODE002分別為溫濕度監測點(diǎn)1、2的測量數據。實(shí)驗結果表明該系統運行穩定，滿(mǎn)足倉儲等行業(yè)無(wú)線(xiàn)溫濕度監測的需要。
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