无线温湿度监测系统设计文献综述.docx
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无线温湿度监测系统设计文献综述
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。
)
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(temperaturetransducer)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。
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、锰和铑等材料制造热电阻[2]。
湿度传感器(humiditytransducer)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。
温湿度传感器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、集成高精度A/D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、IrDA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10m左右,隔墙穿透力不好。
802.11b因为功耗高而应用不多,Bluetooth工作在2.4GHz频段,传输速率可达10Mbps;缺点是传输距离只有10m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32KB,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,Figure8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2.4GHz无线传输芯片有MC13191、MC13192、MC13193;该公司还提供配套的开发套件。
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
50kHz~5.8GHz
<5
—
200
ZigBee
2.4GHz
10~75
低
250
IrDA
Infrared
1
低
16000
UWB
3.1~10.6GHz
10
低
100000
RF
300~1000MHz
10*x~100*x①
低
10*x
①x表示数字1~9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、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153.6kbps,支持OOK、FSK和GFSK调制方式;Micaz节点则采用CC2420ZigBee芯片。
还有一类无线芯片本身集成了处理器,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
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