溫濕度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于藍(lán)牙的無(wú)線溫濕度采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析

目前，現(xiàn)有的溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，傳感器采集到的溫濕度數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)抗干擾能力強(qiáng)，技術(shù)成熟的有線串口（ＲＳ－２３２或ＲＳ－４８５）方式傳送到上位機(jī)上。如果采集點(diǎn)比較多，傳感器與上位機(jī)之間需要大量的數(shù)據(jù)線進(jìn)行有線連接，有線連接的這種方式會(huì)造成很大的不便；如果需要建立的是臨時(shí)性的溫濕度數(shù)據(jù)采集，用傳統(tǒng)的有線連接方式會(huì)造成成本的增加；同時(shí)有線連接的方式在惡劣環(huán)境下會(huì)給施工造成很大的不便。因此需要一種成本低，穩(wěn)定性高的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸方式取代現(xiàn)有的有線數(shù)據(jù)傳輸方式。

無(wú)線通訊是在開(kāi)放的空間通過(guò)輻射和接收電磁波進(jìn)行通信的，一方面受自然界中各種干擾和噪聲的影響比有線更為嚴(yán)重；另一方面一定區(qū)域范圍內(nèi)的無(wú)線通訊信號(hào)也會(huì)互相干擾。為了克服無(wú)線通信信號(hào)之間的干擾，必須把可用的無(wú)線信道分為若干互不相干的子信道在分別分給各個(gè)用戶。雖然相比有線通信，無(wú)線通信在傳輸質(zhì)量、傳輸速率等方面存在著較大不足，但是無(wú)線通信具有不受連線束縛、組網(wǎng)迅速靈活等優(yōu)點(diǎn)，特別是能提供移動(dòng)通信，使無(wú)線通訊技術(shù)成為研究最為活躍的通信技術(shù)領(lǐng)域。

藍(lán)牙作為一種低成本、低功耗、近距離的無(wú)線通信技術(shù)，正廣泛應(yīng)用于固定設(shè)備與移動(dòng)設(shè)備間的通信。

藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸速率可高達(dá)１Ｍｂ／ｓ，采用跳頻／時(shí)分復(fù)用技術(shù)，具有進(jìn)行一對(duì)一和一對(duì)多的通信方式。因此本文提出了一種基于藍(lán)牙的無(wú)線溫濕度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析方案。

一、溫濕度采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集是工業(yè)系統(tǒng)中不可缺少的重要組成部分，是進(jìn)行工業(yè)控制的根本依據(jù)。隨著科技的發(fā)展大規(guī)模集成電路、單片機(jī)、計(jì)算機(jī)等在工業(yè)控制領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，使數(shù)字化的數(shù)據(jù)采集在工業(yè)控制領(lǐng)域中成為必然。本設(shè)計(jì)由下位機(jī)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸部分及上位機(jī)的數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)處理部分組成。如圖１系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖所示。下位機(jī)主要由單片機(jī)和藍(lán)牙模塊組成，數(shù)據(jù)采集主要是ＤＨＴ１１溫濕度傳感器；數(shù)據(jù)傳輸部分主要通過(guò)藍(lán)牙模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸，將數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙模塊傳輸?shù)缴衔粰C(jī)上，在由上位機(jī)進(jìn)行處理。

二、溫濕度采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用Ａｒｄｕｉｎｏ單片機(jī)作為下位機(jī)的主控單片機(jī)。系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要分為３個(gè)部分：Ａｒｄｕｉｎｏ單片機(jī)控制部分、ＤＨＴ１１溫濕度傳感器、藍(lán)牙無(wú)線通訊模塊。Ａｒｄｕｉｎｏ單片機(jī)具有豐富的接口，有數(shù)字Ｉ／Ｏ口，模擬Ｉ／Ｏ口，同時(shí)它支持ＳＰＩ，ＩＩＣ，ＵＡＲＴ等通信方式?？梢酝ㄟ^(guò)外接多種不同類型的傳感器，可以控制燈光、馬達(dá)等多種設(shè)備。Ａｒｄｕｉｎｏ單片機(jī)與普通的單片機(jī)比起來(lái)沒(méi)有復(fù)雜的底層代碼，具有豐富的庫(kù)函數(shù)，可以通過(guò)調(diào)用不同的庫(kù)函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的功能，具有編程方便的特點(diǎn)。而且它有專門的集編程下載環(huán)境ＩＤＥ，方便了開(kāi)發(fā)人員對(duì)Ａｒｄｕｉｎｏ單片機(jī)的二次開(kāi)發(fā)。

２.１ＤＨＴ１１傳感器

溫濕度采用ＤＨＴ１１溫濕度傳感器進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量的溫度精度達(dá)到±５％ＲＨ，溫度±２℃，測(cè)量的濕度范圍為２０－９０％ＲＨ，溫度范圍為０～＋５０℃。ＤＨＴ１１溫濕度傳感器是一款含有數(shù)字信號(hào)輸出的復(fù)合傳感器。ＤＨＴ１１溫濕度傳感器內(nèi)含一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)ＮＴＣ測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能８位單片機(jī)相連接。同時(shí)傳感器具有單線制串行接口，傳感器采集到的溫濕度信息可以通過(guò)單線串行接口傳送到Ａｒｄｕｉｎｏ單片機(jī)中。

由于ＤＨＴ１１傳感器與Ａｒｄｕｉｎｏ單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)單線串行接口，為了保證數(shù)據(jù)的完整性，一次通訊時(shí)間被設(shè)定在４ｍｓ左右，數(shù)據(jù)分為小數(shù)部分和整數(shù)部分兩部分，一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為４０ｂｉｔ，高位先出。

數(shù)據(jù)格式：８ｂｉｔ濕度整數(shù)數(shù)據(jù)＋８ｂｉｔ濕度小數(shù)數(shù)據(jù)＋８ｂｉｔ溫度整數(shù)數(shù)據(jù)＋８ｂｉｔ溫度小數(shù)數(shù)據(jù)＋８ｂｉｔ校驗(yàn)和數(shù)據(jù)傳送正確時(shí)校驗(yàn)和數(shù)據(jù)等于“８ｂｉｔ濕度整數(shù)數(shù)據(jù)＋８ｂｉｔ濕度小數(shù)數(shù)據(jù)＋８ｂｉｔ溫度整數(shù)數(shù)據(jù)＋８ｂｉｔ溫度小數(shù)數(shù)據(jù)”所得結(jié)果的末８位。當(dāng)Ａｒｄｕｉｎｏ單片機(jī)向ＤＨＴ１１傳感器發(fā)送開(kāi)始信號(hào)后，傳感器從低功耗待機(jī)模式立即轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ髂Ｊ?，ＤＨＴ１１傳感器向單片機(jī)發(fā)送響應(yīng)信號(hào)，發(fā)出４０ｂｉｔ溫濕度數(shù)據(jù)。

２.２藍(lán)牙通訊模塊

本設(shè)計(jì)應(yīng)用的是采用英國(guó)ＣＳＲ公司ＢｌｕｅＣｏｒｅ４－Ｅｘｔ芯片的ＨＣ－０５藍(lán)牙模塊。該模塊支持ＵＡＲＴ，ＵＳＢ，ＳＰＩ，ＰＣＭ，ＳＰＤＩＦ等接口，并支持ＳＰＰ藍(lán)牙串口協(xié)議，具有主從一體功能，內(nèi)置ＰＣＢ射頻天線，而且可以連接７個(gè)從設(shè)備，同時(shí)該模塊的工作電壓為３。３－６Ｖ，所以此模塊具有成本低、體積小、功耗低、收發(fā)靈敏性高等優(yōu)點(diǎn)。

由于ＨＣ－０５藍(lán)牙模塊具有具有兩種工作模式：命令響應(yīng)工作模式和自動(dòng)連接工作模式。在自動(dòng)連接工作模式下模塊又可分為主（Ｍａｓｔｅｒ）、從（Ｓｌａｖｅ）和回環(huán)（Ｌｏｏｐｂａｃｋ）三種工作角色。當(dāng)模塊處于自動(dòng)連接工作模式時(shí)，將自動(dòng)根據(jù)事先設(shè)定的方式連接的數(shù)據(jù)傳輸；當(dāng)模塊處于命令響應(yīng)工作模式時(shí)能執(zhí)行ＡＴ操作命令，可以通過(guò)電腦向模塊發(fā)送ＡＴ指令，為模塊設(shè)定控制參數(shù)或發(fā)布控制命令。通過(guò)控制模塊外部引腳輸入電平的高低可以實(shí)現(xiàn)模塊工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。

三、溫濕度采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

Ａｒｄｕｉｎｏ單片機(jī)編程為了保證編寫(xiě)程序的可讀、簡(jiǎn)潔性采用Ｃ語(yǔ)言進(jìn)行編程。Ａｒｄｕｉｎｏ單片機(jī)采用了定時(shí)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，即每隔１秒向ＤＨＴ１１溫濕度傳感器發(fā)送采樣信號(hào)，同時(shí)ＤＨＴ１１將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)單線串口接口將數(shù)據(jù)傳送到單片機(jī)中，然后將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到單片機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)器中等待藍(lán)牙模塊通過(guò)無(wú)線方式發(fā)送。

連接到Ａｒｄｕｉｎｏ單片機(jī)的藍(lán)牙模塊通過(guò)串口方式將單片機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)取出，然后按照設(shè)定好的通訊方式向上位機(jī)發(fā)送溫濕度數(shù)據(jù)。

３.１上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)系統(tǒng)采用現(xiàn)在圖形編程比較廣泛的Ｃ＃語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)，Ｃ＃是一種安全的、穩(wěn)定的、簡(jiǎn)單的編程語(yǔ)言，它是由Ｃ和Ｃ＋＋衍生出來(lái)的一種面向?qū)ο缶幊陶Z(yǔ)言。它繼承了Ｃ和Ｃ＋＋的功能的同時(shí)去掉了他們的復(fù)雜性。同時(shí)Ｃ＃編程語(yǔ)言結(jié)合了ＶＢ編程語(yǔ)言的可視化圖形界面和Ｃ＋＋語(yǔ)言的高效運(yùn)行效率。首先系統(tǒng)進(jìn)行初始化，建立藍(lán)牙連接，如果連接不成功則進(jìn)行重新建立連接。連接成功后開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，如果無(wú)法接收數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)接收失敗，重新開(kāi)始數(shù)據(jù)接收，直到數(shù)據(jù)可以成功接收。

由于經(jīng)過(guò)藍(lán)牙無(wú)線模塊傳輸給上位機(jī)的信息是同串口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的，所以在上位機(jī)中要設(shè)置接收串口號(hào)，波特率，校驗(yàn)位，數(shù)據(jù)位和停止位。點(diǎn)擊開(kāi)始接收系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)每５秒會(huì)接收一次信息。如果需要進(jìn)行手動(dòng)采集可以直接點(diǎn)擊手動(dòng)采集進(jìn)行自動(dòng)與手動(dòng)之間的切換。采集到的信息會(huì)顯示在右側(cè)框中，格式分別是時(shí)間，溫度，濕度。

如果需要對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存方便以后的分析整理可以點(diǎn)擊保存數(shù)據(jù)，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將數(shù)據(jù)保存為ＴＸＴ格式的文件。

總結(jié)

本文主要是設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)基于藍(lán)牙的無(wú)線溫濕度采集系統(tǒng)。通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線通信方式，把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)采集系統(tǒng)中，采集系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)的接收處理、信息提取、保存?？紤]到實(shí)際應(yīng)用中的通訊特點(diǎn)，文中的通訊方式采用了藍(lán)牙無(wú)線通訊與串口通訊相結(jié)合的方式。分別對(duì)藍(lán)牙通信的建立和實(shí)現(xiàn)、串口通信實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹。上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)采用了Ｃ＃語(yǔ)言進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的初始化，建立藍(lán)牙通訊，數(shù)據(jù)接收等進(jìn)程管理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)可靠性強(qiáng)，實(shí)用性強(qiáng)，軟件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單方便進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，可以滿足不同情況下的數(shù)據(jù)采集和通訊要求。

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