單總線分布式溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

引言
    對環(huán)境條件要求高的場合，需要精密地測量相對濕度與溫度，尤其是實驗室中很多實驗數(shù)據(jù)需要與溫濕度一一對應(yīng)。然而，監(jiān)測環(huán)境一般是幾十到上百平方米的范圍，僅監(jiān)測一點的溫濕度是不夠的，需要分布多個傳感器節(jié)點，將各個節(jié)點的傳感結(jié)果平均值作為環(huán)境參數(shù)。通常的方法是構(gòu)建RS485分布式現(xiàn)場總線，每個傳感器節(jié)點都需要單片機和通信器件，成本較高。
    DHT22數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。每個DHT22傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進(jìn)行校準(zhǔn)。濕度測量范圍為0～100％RH，精度為±2％RH；溫度測量范圍為-40～125℃，精度為±0．5℃。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。DHT22具有體積小、功耗低、超快響應(yīng)、抗干擾能力強、性價比高等特點，信號傳輸距離可達(dá)20 m以上，適合于分布式應(yīng)用。
    但是，DHT22的單總線不支持尋址，也就是說單總線僅能掛接單個DHT22傳感器。若每個傳感器都單獨布線，勢必造成浪費。因此，合理的傳感器接口方式是設(shè)計的關(guān)鍵。本文采用4個DHT22單總線智能溫濕度傳感器實現(xiàn)分布式溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計。

1 監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及接口設(shè)計
    系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及接口如圖1所示。4個DHT22傳感器需要4根數(shù)據(jù)線，加上電源和地線共6根線。系統(tǒng)采用雙絞線作為分布式連接線路，RJ45作為接口器件。核心板設(shè)計了4個RJ45接口，4個傳感器可分別接入4個接口。核心板的4個RJ45接口內(nèi)部連接一致，當(dāng)布線不超過20 m時，傳感器可采用咬尾式接口方式(即僅接入核心板的1個接口)，當(dāng)超過20 m時單獨布線，大幅節(jié)約了布線成本，降低了布線難度。

    也就是說，每個傳感器節(jié)點的內(nèi)部結(jié)構(gòu)需要具備兩個功能：
    ①每個傳感器節(jié)點具有兩個直通連接的RJ45接口，以實現(xiàn)咬尾式連接；
    ②每個傳感器節(jié)點能夠設(shè)定通信線路，因為每個傳感器獨享1根線路。

    傳感器節(jié)點內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。4個傳感器DHT22的DATA引腳通過4位撥碼開關(guān)分別連接至4根數(shù)據(jù)線即可。

2 DHT22的總線接口協(xié)議
    DHT22采用OC門單總線通信協(xié)議，因此單總線必須接上拉電阻，建議為5．1kΩ。
    對DHT22進(jìn)行一次40 bit數(shù)據(jù)的通信，時間為5 ms左右，采用MSB方式，但采樣周期間隔不得低于2 s。40bit數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)格式為：
    40 bit數(shù)據(jù)=16bit濕度數(shù)據(jù)+16 bit溫度數(shù)據(jù)+8 bit校驗和(前4個字節(jié)的和) 
    16 bit濕度數(shù)據(jù)為無符號數(shù)，16 bit溫度數(shù)據(jù)為有符號數(shù)原碼表示，兩數(shù)據(jù)都為放大10倍后的真實物理量值。例如：0000 0010+1000 1100+0000 0001+0101 1111=1110 1110，對應(yīng)濕度=65．2％RH，溫度=35．1℃。
    用戶主機(MCU)發(fā)送一次開始信號后，DHT22從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式；主機開始信號結(jié)束后，DHT22發(fā)送響應(yīng)信號，送出40 bit的數(shù)據(jù)，并觸發(fā)一次信號采集。

    DHT22的單總線握手信號時序如圖3所示。空閑時總線為高電平，通信開始時主機(MCU)拉低總線1～10ms后釋放總線，延時20～40μs后主機開始檢測從機DHT22的響應(yīng)信號(一個80μs左右的低電平)，隨后從機拉高總線80μs左右準(zhǔn)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。每bit數(shù)據(jù)都是由一個低電平時隙和一個高電平組成。低電平時隙固定為一個50μs左右的低電平，它代表數(shù)據(jù)位的起始；其后的高電平的長度決定數(shù)據(jù)位所代表的數(shù)值，較長的(70μs)高電平代表1，較短(26～28μs)的高電平代表0。40bit數(shù)據(jù)序列傳送完畢后，從機將再次拉低總線50μs左右，隨后釋放總線，由上拉電阻拉高。
    AVR單片機讀取單個DHT22的子程序如下：
    
    

3 核心板軟件設(shè)計
    核心板軟件包括3個部分：4個傳感器信息采集及處理、液晶顯示和PC溫濕度信息上傳。這里僅討論4個傳感器信息的采集及處理。
    單片機每隔2 s就分別讀取4個傳感器的溫度與濕度信息，并分別作平均得到溫度值和濕度值。為進(jìn)一步實現(xiàn)準(zhǔn)確測量，建立兩個8成員的數(shù)組，系統(tǒng)引入8階FIR濾波器。根據(jù)采樣頻率fs=1／(2s)=0．5 Hz，截止頻率fc=0．1 Hz，利用Matlab環(huán)境的firl函數(shù)獲取濾波器系數(shù)：
    b=firl(8-1，2fc／fs)
    可得：
    b=-0．0072 0．0000 0．1351 0．3721 0．3721 0．1351 0．0000 -0．0072
    軟件流程如圖4所示。

結(jié)語
   本文采用4個DHT22單總線智能溫濕度傳感器實現(xiàn)了分布式溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，安裝調(diào)試方便，在同類儀表的開發(fā)中具有廣闊的應(yīng)用前景，特別適合于在工業(yè)加工的精密測試中心、實驗室以及對加工材料的存放有較高要求的環(huán)境中使用，還可以應(yīng)用于居住環(huán)境的監(jiān)測。本系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用，性能穩(wěn)定可靠，測量精度高，智能化程度高，使用簡便，性能價格比高，受到了用戶的普遍歡迎。