溫濕度數(shù)據(jù)實時采集與傳輸系統(tǒng)設計

摘要：文章主要研究了基于LoRa模塊的溫濕度數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)。系統(tǒng)包括一個數(shù)據(jù)傳輸設備和一個監(jiān)測設備。通過對數(shù)據(jù)傳輸設備和監(jiān)測設備進行調試，文章將數(shù)據(jù)傳輸設備的數(shù)據(jù)通過LoRa無線傳輸?shù)缴衔粰C或監(jiān)測設備，完成監(jiān)測設備對傳輸設備的溫濕度數(shù)據(jù)進行處理和顯示，實現(xiàn)對溫濕度數(shù)據(jù)的采集和溫濕度數(shù)據(jù)的實時傳輸，實現(xiàn)在監(jiān)測設備上實時查看當前溫濕度狀態(tài)的目的。

關鍵詞：單片機；數(shù)據(jù)采集；無線傳輸

中圖分類號：TP39 "文獻標志碼：A

0 引言

溫濕度監(jiān)測在氣象觀測、倉儲管理及人們日常生活中發(fā)揮著不可或缺的作用，本文設計的溫濕度數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)通過提高數(shù)據(jù)采集和傳輸效率，實現(xiàn)遠程監(jiān)控和管理、優(yōu)化倉儲管理和降低運營成本等，廣泛適用于各種需要環(huán)境監(jiān)測和控制的場景，如農業(yè)、倉儲物流、工業(yè)自動化和智能家居等領域。

1 系統(tǒng)總方案設計

1.1 系統(tǒng)總設計思想

本數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)由利用無線通信采集目標區(qū)域溫濕度的無線采集設備和能夠進行對傳輸數(shù)據(jù)顯示和處理的監(jiān)測設備組成。系統(tǒng)無線采集設備的功能分為溫濕度采集和無線發(fā)送2部分。系統(tǒng)監(jiān)測設備功能分為無線接收和溫濕度顯示2部分。

溫濕度采集的方法是采用數(shù)字傳感器來探測溫度，上傳到單片機來獲取外界環(huán)境溫濕度。數(shù)據(jù)傳輸是通過無線傳輸?shù)姆绞絺鬏敂?shù)據(jù)。無線發(fā)送是將采集到的溫濕度數(shù)據(jù)通過無線方式發(fā)送到監(jiān)測設備上，再通過監(jiān)測設備的無線接收模塊對數(shù)據(jù)進行接收，最后到監(jiān)測設備主控處理，將溫濕度數(shù)據(jù)在監(jiān)測設備上顯示［1］。

1.2 數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)總體設計方案

本設計核心部分是數(shù)據(jù)采集與傳輸，采集要保證數(shù)據(jù)的準確性，數(shù)據(jù)通過無線傳輸，要防止丟幀或和其他數(shù)據(jù)發(fā)生碰撞導致數(shù)據(jù)出錯。

數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)的整體設計方案如圖1所示。采集設備和監(jiān)測設備兩者之間的數(shù)據(jù)是通過無線的方式進行傳輸。采集設備通過數(shù)字式溫度傳感器采集溫濕度數(shù)據(jù)，上傳到采集設備的主控當中對數(shù)據(jù)進行處理，處理完成后通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到無線傳輸模塊，無線傳輸模塊最終將數(shù)據(jù)發(fā)出。

監(jiān)測設備主要是用來體現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性，監(jiān)測設備也搭載了無線傳輸模塊，用來接收采集模塊采集到的溫濕度數(shù)據(jù)。將無線模塊接收到的數(shù)據(jù)進行判斷，最終顯示在顯示模塊上，反映數(shù)據(jù)的實時性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性。在整體工作過程中，采集設備通過電池供電，監(jiān)測設備通過TYPE-C供電模塊進行供電。

系統(tǒng)的主要設計思路是，首先通過電池對采集設備的傳感器、單片機最小系統(tǒng)、無線模塊進行供電。數(shù)據(jù)采集是通過數(shù)字式溫濕度傳感器，將環(huán)境溫度進行采集。其次是采集設備將采集到的溫濕度數(shù)據(jù)上傳給單片機，單片機將處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綗o線模塊，同時保證數(shù)據(jù)的完整性和快速性。數(shù)據(jù)傳輸通過無線傳輸模塊傳輸數(shù)據(jù)，最終將數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)測室的監(jiān)測設備上。

本文具體的實施方法如下：

（1）對采集設備的硬件及程序進行設計，對能夠讀取數(shù)字式溫濕度傳感器數(shù)據(jù)信息的程序進行設計。

（2）對監(jiān)測設備的硬件進行設計，對顯示和數(shù)據(jù)處理的程序進行設計，能夠顯示采集設備發(fā)來的數(shù)據(jù)以及通過串口的數(shù)據(jù)傳輸。

（3）對無線發(fā)送的程序進行設計，要保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和快速性。

（4）對系統(tǒng)進行檢測和調試，實現(xiàn)預期功能。

2 數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)的硬件設計

2.1 系統(tǒng)總體硬件設計

系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集設備和數(shù)據(jù)監(jiān)測設備。數(shù)據(jù)采集設備主控選擇了STC89C51，采集設備通過DHT11進行溫濕度數(shù)據(jù)采集，通過LoRa模塊進行無線數(shù)據(jù)傳輸，完成數(shù)據(jù)采集的各項功能。監(jiān)測設備主控選擇STM32，無線數(shù)據(jù)接收為 LoRa模塊，單片機將數(shù)據(jù)顯示在OLED上，以確保數(shù)據(jù)的完整性和實時性［2］。

2.2 采集設備主要模塊選型及電路設計

采集設備的硬件分為4個部分，最核心的就是主控，即單片機。其余分為溫濕度數(shù)據(jù)采集、無線數(shù)據(jù)傳輸、系統(tǒng)供電3個部分。

2.2.1 采集主控STC89C單片機系統(tǒng)

STC15W408A是STC公司生產的一款芯片，能夠完全兼容8051代碼，擁有1T的機器周期，具有8MHz的內部振蕩器，使單片機能夠具有極高的工作速度?？梢詼p少電路成本，節(jié)約系統(tǒng)的晶振電路。該款單片機采用上電自復位方式，內部已經集成了復位電路。工作電壓為2.2～5.0 V，內部具有8 K的程序存儲器，硬件擁有獨立的串口用作與無線模塊通信，解決了電路所需的接口，極大地降低了設計成本和難度［3］。

2.2.2 數(shù)字溫濕度傳感器

DHT11是數(shù)字式溫濕度傳感器，內部自帶已經過校準的信號溫濕度傳感器，有專門的數(shù)字模塊采集溫濕度傳感器技術，以保證設備的極高穩(wěn)定性和長期使用性能。DHT11的供電電壓為3.0～5.5 V。但在DHT11上電后要等待DHT11度過不穩(wěn)定狀態(tài)，大概需要1 s，此時不能進行操作和訪問。在傳感器模塊的電源和地之間并聯(lián)一個電容，用作濾波。

DHT11的接線方式非常簡單，只須要將數(shù)據(jù)引腳和單片機IO連接起來，數(shù)據(jù)引腳進行上拉處理防止引腳出現(xiàn)不確定狀態(tài)。

2.2.3 數(shù)據(jù)傳輸模塊

該模塊具有體積小、功耗低等特點。其抗干擾能力強，傳輸距離最遠可以達到5 km，工作電壓范圍低，能夠滿足采集設備便攜以及安全性要求。LoRa模塊通過串口進行數(shù)據(jù)通信完成數(shù)據(jù)傳輸，將TX和RX分別接在單片機的RX和TX上，無線傳輸模塊的發(fā)送對單片機的接收，單片機的發(fā)送對無線傳輸模塊的接收，這樣兩者之間就完成了相互通信［4］。

2.2.4 供電模塊電路

采集設備采用鋰電池為系統(tǒng)進行供電。鋰電池不但可以充電，還能重復利用以保護環(huán)境，同時體積小，便攜性高。系統(tǒng)通過J3撥動按鍵作為電壓總開關。打開開關就可為系統(tǒng)輸出DC 4.2～3.7 V電壓。而后通過LC濾波電路為系統(tǒng)后級電路濾波，在最后加入一個小電容來濾除高頻干擾。

2.3 監(jiān)測設備主要模塊及電路設計

2.3.1 監(jiān)測設備主控單片機系統(tǒng)

監(jiān)測設備作為數(shù)據(jù)的終端處理，中控能力要達到要求，采集設備使用的STC單片機已經不能滿足系統(tǒng)的功能需求。為了提高性能，本文選用ST公司推出的STM32系列的F103單片機。該單片機擁有72 MHz的頻率，將8MHz的晶振分頻到72MHz，擁有極高的數(shù)據(jù)處理能力，在實時顯示和數(shù)據(jù)判斷上都能夠快速反應并處理。ST 有獨立的 HAL 庫，利用官方的CUBEMX 軟件能夠極大地節(jié)省開發(fā)時間且降低開發(fā)難度。

2.3.2 OLED液晶顯示

3.2 cm（0.96寸）OLED 內部驅動 IC 為 SSD1306，模塊通過 2.54 mm 排針和單片機最小系統(tǒng)連接。通信方式一般為 IiC。本次設計選用了 IIC 協(xié)議與單片機進行通信，主要是根據(jù) BS0、BS1和BS2 3個管腳的電平邏輯通過 IIC 協(xié)議向屏幕傳送顯示內容。

2.3.3 供電及串口數(shù)據(jù)傳輸電路

監(jiān)測設備系統(tǒng)所需供電為3.3 V，USB接口的供電VUSB為5 V不能滿足系統(tǒng)所需供電要求。系統(tǒng)在設計時通過降壓模塊將5 V電壓轉為3.3 V電壓。將VCC（即VUSB）的電壓通過電感、電容濾波后使AMS1117-3.3 V模塊降壓到3.3 V。通過LED等指示電壓狀態(tài)是否正常，最后通過電容將穩(wěn)定的3.3 V電壓輸出。

3 系統(tǒng)總流程設計

系統(tǒng)總流程設計如圖2所示。系統(tǒng)開始時采集設備進行初始化，采集設備系統(tǒng)和監(jiān)測設備系統(tǒng)的初始化完成后，采集設備開始采集溫濕度。系統(tǒng)程序子模塊介紹如下。

3.1 溫濕度數(shù)據(jù)采集程序設計

圖3為溫濕度采集的程序流程，先將數(shù)據(jù)總線拉低18ms?？偩€有上拉電阻，只須要延時20 μs。主機判斷是否有低電平響應，若響應說明通信成功。若未響應則重新訪問。通信成功后，等到80 μs后開始進入數(shù)據(jù)采集階段。最后將采集到的數(shù)據(jù)返回給單片機。

3.2 數(shù)據(jù)采集與傳輸程序設計

系統(tǒng)最重要的就是數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)傳輸。在系統(tǒng)初始化完成后，首先是采集設備對數(shù)據(jù)進行采集，之后進行數(shù)據(jù)判斷。若采集完成則將數(shù)據(jù)通過無線傳輸模塊發(fā)出，若采集未完成則返回繼續(xù)采集數(shù)據(jù)。

監(jiān)測設備在數(shù)據(jù)采集完成后通過定義的數(shù)據(jù)幀來對數(shù)據(jù)進行判斷，當數(shù)據(jù)判斷正確時將數(shù)據(jù)放入OLED顯示的區(qū)域顯示當前數(shù)據(jù)值，即顯示溫濕度值。當數(shù)據(jù)不正確，則不接受采集設備發(fā)來的該數(shù)據(jù)，重新進行接收，再判斷。最終數(shù)據(jù)讀取完成后重新返回繼續(xù)讀取數(shù)據(jù)［5］。

4 系統(tǒng)調試

4.1 采集設備及監(jiān)測設備調試

在系統(tǒng)工作前對采集設備硬件進行調試和檢測。首先將單片機焊接完成，對單片機進行檢測，利用STC官方提供的軟件對單片機進行檢測。

單片機功能正常后將DHT11焊接，通過肉眼觀察法檢測引腳是否焊接正確。若正確，則通過串口打印數(shù)據(jù)。最后對數(shù)據(jù)傳輸部分進行檢測，將2個LoRa接在不同的電腦，通過串口助手發(fā)送對應的數(shù)據(jù)幀格式，能夠正常通信［6］。至此采集設備調試完成。

系統(tǒng)采用最小系統(tǒng)板，上電后通過keil5對單片機進行訪問和讀取，系統(tǒng)監(jiān)測設備的主控模塊調試完成。其次對系統(tǒng)的顯示模塊進行調試，上電后檢測各個引腳連接是否正確。對UI進行設計，完成后OLED正確顯示預先設定的交互界面。

4.2 系統(tǒng)總體調試

將設定的軟件錄入采集和監(jiān)測設備后，將LoRa連接至電腦，通過串口助手讀取采集設備發(fā)送的數(shù)據(jù)，能夠正確地發(fā)送溫度和濕度數(shù)據(jù)，也能夠完整地發(fā)送數(shù)據(jù)幀［7］。

4.3 測試結果分析

實物焊接完成后，對系統(tǒng)上電進行調試。將采集設備放到室外和室內環(huán)境中，再將監(jiān)測設備放到室內，對比其與真實環(huán)境的溫度數(shù)據(jù)如表1所示。再將采集設備放到室內和洗浴間，監(jiān)測設備同樣放在室內，對比其與真實環(huán)境的濕度數(shù)據(jù)如表2所示。

5 結語

本文設計了溫濕度數(shù)據(jù)實時采集與無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。系統(tǒng)包括一個數(shù)據(jù)傳輸設備和一個監(jiān)測設備。數(shù)據(jù)傳輸設備采用DHT11數(shù)字式溫濕度傳感器、STC單片機、LoRa無線串口作為數(shù)據(jù)傳輸設備的主要部件。監(jiān)測設備是能夠將采集設備的數(shù)據(jù)進行監(jiān)測并顯示的設備，主要組成部件有OLED模塊、STM32單片機、LoRa無線串口。無線數(shù)據(jù)的采集和傳輸為人們提供了諸多便捷，目前廣泛應用在軍事、醫(yī)療、環(huán)境復雜危險的領域，為解決實際問題起到了重要作用。

參考文獻

［1］LUNDAN M，IGOR D，CURCIO D．Optimal 3GPP packet-switched streaming service （PSS） over GPRS network ［J］．Multimedia Tools and Applications，2007（3）：285-310.

［2］畢衛(wèi)紅，陳鑫.基于GSM的智能溫室監(jiān)測系統(tǒng)［J］.電子測量技術，2009（3）：114-116.

［3］郭濤，嚴家明.基于CC2430的ZigBee無線數(shù)傳模塊設計［J］.微處理機，2010（8）：105-109.

［4］孟振飛，趙亞靈，侯貽帥.基于ZigBee技術的無線數(shù)傳模塊設計［J］.電子元器件應用，2010（4）：37-43.

［5］王偉，李樹榮.基于8051單片機溫度采集及無線發(fā)送［J］.現(xiàn)代電子技術，2011（1）：146-149.

［6］顧簡，施云波，修德斌.基于GPRS的環(huán)境溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設計［J］.黑龍江大學自然科學學報，2010（6）：832-840.

［7］張正平，夏斌，劉橋.基于單片機的GPRS無線數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)的設計［J］.四川理工學院學報，2010（5）：18-22.

（編輯 王永超編輯）

Design of data acquisition and transmission system

WANG" Qinzhu

（Xi’an Kedagaoxin University， Xi’an 710109， China）

Abstract： The article mainly studies the temperature and humidity data acquisition and transmission system based on LoRa module. The system includes a data transmission device and a monitoring device. By debugging the data transmission equipment and monitoring equipment， the data of the data transmission equipment is wirelessly transmitted to the upper computer or monitoring equipment through LoRa， so that the monitoring equipment can process and display the temperature and humidity data of the transmission equipment， realize the real-time transmission and collection of the temperature and humidity data， and achieve the purpose of viewing the current temperature and humidity status on the monitoring equipment in real time.

Key words： singlechip; data acquisition; wireless transmission