基于CXA1191和SHT11的無(wú)線溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

摘要：為降低設(shè)計(jì)成本，利用CXA1191和SHT11實(shí)現(xiàn)了一個(gè)無(wú)線溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在CXA1191原有的廣播接收功能的基礎(chǔ)上，巧妙結(jié)合編碼技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸功能，并選擇SHT11實(shí)現(xiàn)高性能的溫濕度采集。系統(tǒng)的特色在于將成熟的廣播接收技術(shù)與數(shù)字技術(shù)相融合，具有較高的性?xún)r(jià)比，很好地滿(mǎn)足了無(wú)線溫濕度數(shù)據(jù)采集需求。
關(guān)鍵詞：無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸；CXA1191；編碼；SHT11

    在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、氣象、環(huán)保等部門(mén)，經(jīng)常需要對(duì)環(huán)境溫度與濕度進(jìn)行測(cè)量與控制。準(zhǔn)確的溫濕度測(cè)量對(duì)生物制藥、食品加工和造紙等行業(yè)更是至關(guān)重要的。隨著測(cè)量技術(shù)自動(dòng)化和智能化程度的提高，各種溫濕度采集系統(tǒng)已得到了廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的溫濕度測(cè)量采用有線傳輸方式，一般使用模擬化的溫濕度傳感器直接將非電量轉(zhuǎn)換成電量，再送至PC機(jī)或單片機(jī)作后續(xù)處理。其缺點(diǎn)在于：一是布線工作量大，成本高，傳輸距離較遠(yuǎn)時(shí)還會(huì)引入較大的誤差和干擾；二是模擬式濕度傳感器一般都要設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路并需要經(jīng)過(guò)復(fù)雜的校準(zhǔn)和標(biāo)定過(guò)程，因此測(cè)量精度難以保證，且在線性度、重復(fù)性、互換性、一致性等方面往往不盡人意。盡管目前已有一些無(wú)線溫濕度采集方案，但其傳輸部分多采用價(jià)格較高的專(zhuān)用無(wú)線模塊實(shí)現(xiàn)。當(dāng)應(yīng)用中需要大量布設(shè)節(jié)點(diǎn)時(shí)采用專(zhuān)用模塊的系統(tǒng)造價(jià)會(huì)大大提高，難以滿(mǎn)足低成本、多節(jié)點(diǎn)應(yīng)用環(huán)境下的用戶(hù)需求，如一些規(guī)模不大的、個(gè)體的農(nóng)業(yè)環(huán)境控制。
    為提高系統(tǒng)的性?xún)r(jià)比，本文提出了一種基于CXA1191的低成本溫濕度采集方案，主要面向精度高、數(shù)據(jù)量小、節(jié)點(diǎn)數(shù)多、成本敏感的應(yīng)用需求。該方案將廣播接收技術(shù)與現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)相結(jié)合，在深入研究CXA1191接收電路原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合編碼器件和單片機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字信號(hào)的低成本無(wú)線傳輸。系統(tǒng)用高性能的SHT11溫濕度傳感器實(shí)現(xiàn)溫濕度測(cè)量，利用其高集成度的特點(diǎn)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、降低成本，提高了系統(tǒng)的實(shí)用性。

1 概述
    溫濕度采集系統(tǒng)采用主從分布式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)由PC機(jī)、匯聚節(jié)點(diǎn)和分布于不同位置的多個(gè)無(wú)線子節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。匯聚節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)采用無(wú)線通信方式，PC機(jī)與匯聚節(jié)點(diǎn)通過(guò)RS232總線通信。匯聚節(jié)點(diǎn)從各子節(jié)點(diǎn)獲取現(xiàn)場(chǎng)溫濕度參數(shù)，并將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)RS232總線上傳至PC機(jī)處理和顯示。節(jié)點(diǎn)由發(fā)射和接收電路、編碼電路、單片機(jī)系統(tǒng)、鍵盤(pán)和顯示等部分組成。發(fā)射電路由分立元件搭建，采用AM調(diào)制方式。接收電路由CXA1191對(duì)射頻信號(hào)作放大、混頻和濾波處理，將無(wú)線信號(hào)變換到中頻，中頻處理由檢波電路和編解碼電路完成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。圖2中RS232通信功能僅為匯聚節(jié)點(diǎn)獨(dú)有，SHT溫濕度采集器件僅為子節(jié)點(diǎn)獨(dú)有。

2 接收電路
    目前無(wú)線數(shù)據(jù)通信多采用專(zhuān)用模塊實(shí)現(xiàn)，市面上已有多種無(wú)線數(shù)傳模塊可供選擇。這些專(zhuān)用模塊使用簡(jiǎn)單，功能齊備，即使是射頻開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)較少的設(shè)計(jì)者也能很快上手。其缺點(diǎn)是價(jià)格較高，當(dāng)面對(duì)數(shù)據(jù)量小、功能要求不高且節(jié)點(diǎn)數(shù)又比較多的應(yīng)用時(shí)性?xún)r(jià)比不理想。但如果自行設(shè)計(jì)電路，則往往又受到射頻設(shè)計(jì)難度高、調(diào)試工作量大以及設(shè)計(jì)者經(jīng)驗(yàn)缺乏等限制而難于實(shí)現(xiàn)，其中尤以接收電路結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜?？紤]到以上因素，本文采用了一種折中的方案，即利用CXA1191的內(nèi)部電路，配以少許外部元件，既實(shí)現(xiàn)了射頻接收的功能，又簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)者僅需基本的無(wú)線電知識(shí)即可獨(dú)立完成設(shè)計(jì)。
    CXA1191是一款單片大規(guī)模收音電路，因其集成度高，外圍元件少，性能優(yōu)良，在我國(guó)相當(dāng)流行，廣受歡迎的“德生”收音機(jī)內(nèi)部多數(shù)采用了這款芯片。CXA1191包括了AM／FM收音機(jī)從天線輸入、高放、混頻、本振、中放、檢波直至音頻功放的全部功能。圖3顯示的是設(shè)計(jì)中用到的CXA1191調(diào)頻電路部分(圖中檢波解碼部分是本設(shè)計(jì)的擴(kuò)展)。

    當(dāng)CXA1191處于調(diào)頻接收狀態(tài)時(shí)，無(wú)線信號(hào)先經(jīng)過(guò)帶通濾波，然后進(jìn)入12腳在內(nèi)部完成高頻放大。放大后的信號(hào)與本振混頻產(chǎn)生10．7 MHz的中頻信號(hào)。在正常收音模式下(如圖中虛線所示)，該中頻信號(hào)經(jīng)10．7 MHz陶瓷濾波器選頻后接至17腳，在內(nèi)部鑒頻、檢波和音頻放大，最后驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲。
    通過(guò)以上分析不難發(fā)現(xiàn)，CXA1191的結(jié)構(gòu)可以分為兩部分：1)低噪放、混頻、濾波部分(即獲取10．7 MHz中頻信號(hào)的電路)，這是一般的超外差式接收機(jī)的通用結(jié)構(gòu)；2)鑒頻、檢波和放大，這是其專(zhuān)有的用于音頻信號(hào)解調(diào)處理的結(jié)構(gòu)。其通用結(jié)構(gòu)完全可以用作數(shù)字通信的射頻前端。例如，如果有一ASK(振幅鍵控)信號(hào)，載頻在87～109 MHz以?xún)?nèi)，該信號(hào)能通過(guò)帶通濾波器進(jìn)入高放和混頻電路。適當(dāng)調(diào)節(jié)本振，可以在陶瓷濾波器輸出端獲得10．7 MHz的ASK信號(hào)，此信號(hào)仍保留著原始的調(diào)制信息只是載頻有所降低，這正是希望得到的中頻ASK信號(hào)。對(duì)這個(gè)信號(hào)再做檢波和解碼處理，即可得到所需的數(shù)字信號(hào)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，這個(gè)設(shè)想是可行的。
    具體設(shè)計(jì)如圖3所示。改造方法十分簡(jiǎn)單，在原CXA1191調(diào)頻電路的基礎(chǔ)上，斷開(kāi)10．7 MHz濾波器與17腳的連接，將濾波器的輸出接至后面的檢波電路。CXA1191的其他功能如中波和短波接收均未用到，與之關(guān)聯(lián)的電路皆可省去，使設(shè)計(jì)和調(diào)試的任務(wù)大大減輕。實(shí)際調(diào)試時(shí)要注意適當(dāng)調(diào)節(jié)高放和本振的兩個(gè)調(diào)諧回路，同時(shí)觀察陶瓷濾波器的輸出，盡量使輸出幅度最大，噪聲和失真最小。

3 發(fā)射電路
    進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，單片機(jī)首先將待發(fā)數(shù)據(jù)送至PT2262編碼。F12262的17腳輸出已編碼的脈沖，高頻振蕩器在此脈沖調(diào)制下產(chǎn)生ASK信號(hào)經(jīng)天線發(fā)射出去。如圖4所示。脈沖信號(hào)控制發(fā)射管基極導(dǎo)通與關(guān)斷，振蕩器輸出振幅也隨之變化，且只有最大值和零值兩種狀態(tài)，即得到所需的ASK信號(hào)。振蕩器接成克拉潑形式，其中利用了基極一射級(jí)電容和集電極一射級(jí)電容。采用聲表面波器件SAW穩(wěn)頻，使電路具有很高的穩(wěn)定性。SAW工作在串聯(lián)諧振狀態(tài)，使L1的部分電感接至基極-集電極之間構(gòu)成電容三點(diǎn)式振蕩器。振蕩器工作頻率計(jì)算公式為，本設(shè)計(jì)將振蕩頻率設(shè)定在90MHz。

4 編解碼電路
    編解碼功能由PT2262／PT2272完成。PT2262／PT2272是一對(duì)帶地址、數(shù)據(jù)編碼功能的無(wú)線發(fā)射接收芯片。其7、8、10～13腳是數(shù)據(jù)端，1～6腳是地址端，14腳為低電平時(shí)啟動(dòng)發(fā)射，17腳串行輸出包含地址和數(shù)據(jù)的編碼脈沖信號(hào)。圖5為解碼電路。

    解碼時(shí)，來(lái)自10．7 MHz濾波器的ASK信號(hào)先經(jīng)VD、C1、R2檢波，再通過(guò)LM358放大后送入PT2272的解碼輸入14腳。解碼成功時(shí)VT由低變高，解碼后的數(shù)據(jù)出現(xiàn)在數(shù)據(jù)引腳上供單片機(jī)讀取。需要注意的是。發(fā)射和接收芯片地址碼設(shè)置必須相同，PT2272對(duì)收到的信號(hào)要進(jìn)行2次地址比對(duì)，只有地址正確才有有效數(shù)據(jù)輸出。

5 溫濕度采集電路
    溫濕度采集以SHT11為核心，它是Sensirion公司推出的基于CMOSensTM技術(shù)的新型溫濕度傳感器。SHT11將溫度傳感器、濕度傳感器、信號(hào)調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、標(biāo)定參數(shù)及I2C總線接口全部集成到傳感器內(nèi)部，既提高了傳感器的性能，又降低了成本、減少了體積，同時(shí)也非常便于和微控制器接口，是嵌入式系統(tǒng)溫濕度測(cè)試的理想選擇。
    SHT11接口十分簡(jiǎn)單，僅包括電源(Vdd)、地(GND)、串行時(shí)鐘輸入(SCK)、串行數(shù)據(jù)(DATA)4個(gè)引腳。每次測(cè)量都需要“啟動(dòng)傳輸”、“發(fā)送命令”、“讀取數(shù)據(jù)”3個(gè)過(guò)程，DATA在SCK下降沿之后改變狀態(tài)，SCK上升沿時(shí)有效。
    “啟動(dòng)傳輸”用于初始化SHT11，由SCK和DATA的一個(gè)特定時(shí)序完成，如圖6所示。在SCK時(shí)鐘上升沿DATA翻轉(zhuǎn)為低電平，下一次SCK上升沿到來(lái)時(shí)DATA翻轉(zhuǎn)為高電平，從而完成“啟動(dòng)傳輸”時(shí)序。

    接下來(lái)要發(fā)送的是1個(gè)字節(jié)的命令，包括3個(gè)地址位和5個(gè)命令位。命令的傳輸需要8個(gè)SCK周期。命令傳輸完成后，SHT11會(huì)在第8和第9個(gè)SCK下降沿間給出一個(gè)DATA低電平脈沖，表示正確接收。
    如果發(fā)送的是測(cè)量命令(“00000101”表示相對(duì)濕度RH，“00000011”表示溫度T)，外部控制器要等待測(cè)量結(jié)束。SHT11通過(guò)給出DATA低電平脈沖表示測(cè)量的結(jié)束。接著傳輸2個(gè)字節(jié)的測(cè)量數(shù)據(jù)和1個(gè)字節(jié)的CRC奇偶校驗(yàn)。外部控制器需要通過(guò)下拉DATA為低電平，以確認(rèn)每個(gè)字節(jié)。數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序如圖7所示。

    得到溫濕度的數(shù)字量后，需要根據(jù)SHT11手冊(cè)提供的公式轉(zhuǎn)換成實(shí)際物理量。SHT11的溫度傳感器采用的是能隙材料PTAT，線性性能極好，可以直接按以下公式將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為溫度值：
   
    其中SOT為測(cè)量值，d1、d2取值如表1所示。

    濕度傳感器具有非線性，需要按以下修正公式計(jì)算實(shí)際值：
   
    SORH為傳感器相對(duì)濕度測(cè)量值，系數(shù)c1c2c3的取值如表2所示。

    實(shí)際測(cè)量溫度與25℃相差較大時(shí)，應(yīng)考慮濕度傳感器的溫度修正系數(shù)：
   
    溫度修正系數(shù)如表3所示。

6 系統(tǒng)控制
    節(jié)點(diǎn)以單片機(jī)系統(tǒng)為核心，控制各功能單元協(xié)調(diào)工作。單片機(jī)的控制任務(wù)主要有4個(gè)：
    1)控制收發(fā)電路完成數(shù)據(jù)的接收和傳送；
    2)將匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的命令解釋成相應(yīng)的控制動(dòng)作(子節(jié)點(diǎn)具備)，收集存儲(chǔ)各子節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)(主節(jié)點(diǎn)具備)；
    3)定時(shí)控制SHT11完成溫濕度數(shù)據(jù)采集：
    4)與PC機(jī)通信，上傳溫濕度數(shù)據(jù)。
    單片機(jī)選擇低功耗的MSP430。MSP430是一個(gè)16位的、具有精簡(jiǎn)指令集的、超低功耗的混合型單片機(jī)，具有極低的功耗、豐富的片內(nèi)外設(shè)和方便靈活的開(kāi)發(fā)手段，十分適合嵌入式應(yīng)用。
    匯聚節(jié)點(diǎn)與子節(jié)點(diǎn)采用簡(jiǎn)單的主從通信協(xié)議。匯聚節(jié)點(diǎn)定時(shí)輪流向各節(jié)點(diǎn)發(fā)出含有節(jié)點(diǎn)地址碼的查詢(xún)命令。從節(jié)點(diǎn)都編有互不相同的地址，僅對(duì)與自身地址相符的命令作出回應(yīng)，將采集的溫濕度數(shù)據(jù)發(fā)回主節(jié)點(diǎn)。為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，軟件中引入了出錯(cuò)重發(fā)機(jī)制。匯聚節(jié)點(diǎn)向子節(jié)點(diǎn)發(fā)查詢(xún)命令后，如果在指定時(shí)間內(nèi)未收到數(shù)據(jù)，則再次發(fā)起查詢(xún)命令，3次查詢(xún)失敗則認(rèn)為節(jié)點(diǎn)故障并記下節(jié)點(diǎn)號(hào)。得到各
從節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)后，匯聚節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)打包上傳給PC機(jī)。PC端采用VC6．0設(shè)計(jì)了上位機(jī)軟件，使用MSComm控件實(shí)現(xiàn)與匯聚節(jié)點(diǎn)的串口通信，實(shí)現(xiàn)了溫濕度顯示界面，同時(shí)對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波處理，有效地提高測(cè)量精度。匯聚節(jié)點(diǎn)和主節(jié)點(diǎn)軟件流程圖如圖8、圖9所示。

7 結(jié)束語(yǔ)
    無(wú)線溫濕度測(cè)量在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域有著廣泛的需求，基于專(zhuān)用無(wú)線模塊的方案難以滿(mǎn)足低成本的應(yīng)用需求。本文提出了利用CXA1191實(shí)現(xiàn)射頻前端的新思路，結(jié)合數(shù)字技術(shù)和高性能的SHT11溫濕度采集器，設(shè)計(jì)了一個(gè)具有較高性?xún)r(jià)比的無(wú)線溫濕度測(cè)量系統(tǒng)。經(jīng)實(shí)際檢驗(yàn)，系統(tǒng)工作穩(wěn)定。數(shù)據(jù)精度在3％以?xún)?nèi)，能很好地滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用需求。