第1章绪论
1、1研究的目的和意义
随着社会的进步和生产需要，利用无线传感进行温度数据采集的方式应用已经渗透到生活各个方面。
在工业现场，由于生产环境恶劣，工作人员不能长时间停留在现场观察设备是否运行正常，因此需要采集数据并传输数据到一个环境相对较好的操控室内，这样就会产生数据传输问题。
由于厂房过大、需要传输数据过多，使用传统的有线数据传输方式就需要铺设很多很长的通讯线。
这样浪费资源，占用空间，可操作性差，出现错误换线困难。
而且，当数据采集点处于运动状态、所处的环境不允许或时，数据甚至无法传输，此时便需要利用无线传输的方式进行数据收集。
在农业生产上，不论是温室大棚的温湿度监测，还是粮仓的管理，传统上都是采取分区取样的人工方法。
这样工作量大，可靠性差，而且大棚和粮仓占地面积大，检测目标分散，测点较多。
传统的方法已经不能满足当前农业发展的需要。
在当前的科技水平下，无线通信技术的发展使得温度采集测量更加精确，简便易行。
在日常生活中，随着人们生活水平不断的提高，居住条件也逐渐变得智能化。
如今很多家庭都会安装室内温湿度采集控制系统，其原理就是利用无线通信技术采集室内温湿度数据，并根据室内温度情况进行遥控通风等操作。
通过自动调节室内温度湿度，可以更好地改善人们的居住环境。
以上只是简单列举几个现实的例子，在现实生活中，这种无线温度采集系统已经被成功应用于工农业、军事国防、环境监测、机器人控制等许多重要领域。
而且类似于这种温湿度采集系统的无线通信网络已经被广泛的应用到民用和军事领域。
凡是布线繁杂或不允许布线的场合都希望能通过无线方案来解决。
为此，需要设计相应的接口系统，控制这些射频芯片工作，完成可靠稳定的无线数据传输，这样的研究也变得更加有意义了[1]。
1、2 国内外研究现状
在温湿度采集设备出现以前，人们都是分别使用温度计和湿度计进行
温度、湿度的测量。
最早的温度计是于1953年意大利科学家伽利略（1564~1642）发明的。
但该温度计因热胀冷缩的作用而受外界大气压强等环境因素的影响较大，所以测量的误差较大。
之后，法国人布利奥于1659年制造的温度计已经具备了现在温度计的雏形。
之后相继出现了列氏温度计、华氏温度计、摄氏温度计。
现在英、美国家多用华氏温度，德国多用列氏温度，中国、法国等大多数国家则多用摄氏温度。
15世纪在意大利里出生的里安纳度是第一个想出使用一个简易装置量度出空气中的水蒸气含量，这是最早的有关湿度测量的记录。
现在科学家使用一台称为的"psychrometer"仪器测量相对湿度。
"psychrometer"由两个绑在一起的温度计够成，用来进行湿度的测量。
国外集温湿度采集于一体的技术早于我国，进入21世纪以后，特别在我国加入到WTO后，国内产品面临巨大的挑战。
各行业特别是传统产业都急切地需要应用电子技术、自动控制技术进行改造和提升。
我国在逐步消化吸收国外有关技术之后，也发明制造了各类传感器。
按种类分有数字式温湿度传感器、无线温湿度传感器等，按应用技术的不同来分有基于AT89C52的温湿度采集设计、基于CAN总线智能温湿度传感器设计、基于AT89C52的温湿度传感器设计、基于MAX52102的电流型温湿度智能传感器设计等。
1、3 传感器技术发展现状
国标GB7665-87中将传感器定义为能够感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。
作为现代科技的前沿技术，传感器技术在国内国外得到迅速的发展，作为信息、采集的手段，传感器是现代高新科学技术发展的不可或缺的重要组成部分。
世界上许多的国家都将传感器技术作为现代科技发展的关键技术。
我国在“十五”计划中把传感器微电子作为重点发展的项目。
传感器技术是信息、技术的二大基础之一，自80年代起就得到了世界各国的重视。
在今后的发展中，新材料的开发化、加上技术微精细化、多功能化、集成化、智能化、性能高稳定、指标高精度化、高可靠及网络化将成为传感器技术的研究重点。
其中智能化和网络化体现了多种技术的结
合，是当今国际研究的热点之一。
随着网络时代的进步和信息化程度的不断提高，计算机网络技术与智能传感技术的结合日趋紧密，并由此产生了智能传感器网络技术[2]。
从传感器技术发展的趋势来看，应重视发展先进的传感器制造工艺技术，研制新型传感器产品。
当前应当大力发展MEMS工艺和微传感器，智能化技术和智能传感器，集成工艺和集成传感器，网络化技术和网络传感器[3]。
传感器的准确度、稳定性和可靠性以及数据处理的能力一直是用户最为关心的问题。
因此，长期以来人们不断致力于重新认识和发现新的物理、化学、生物现象。
试图在开发新材料，发展微细加工技术，以求在传感器硬件方面有更大的进展。
系统自动化程度的提高和复杂性的增加，使以微型计算机为基础的测控系统需要传感器提供数据以便做出实时决策，因而给传感器的综合精度、稳定性、可靠性和响应提出了越来越高的要求。
目前，人们把微处理器智能技术和微机械加工技术应用于传感器。
不再是仅仅依赖硬件的改进，而是用存放于微处理器中功能强大的软件对系统进行非线性自动校正、自校零、自补偿、自校准、自检验、抑制噪声。
此外，人工智能、专家系统、模糊逻辑、神经网络等也加强了对传感技术的影响，增强了传感器的“智能化”功能。
这就是智能传感器(smart sensor)或智能换能器(smart transducer)。
因而计算机的出现和微处理器技术应用在传感器是“dumb sensor”和“smart sensor”的分水岭。
将IP传感器布置于测控现场，处于控制网络中的最低级，其采集到的信息传输到控制网络中的分布智能节点，并由它处理，然后传感器数据散发到网络中。
网络中其它节点利用这些信息作出适当决策，如操作执行器、执行算法[4]。
集成电路和微机械工艺促进了传感器技术发展，改变了传感器作为单纯的物理量转换的传统概念。
目前，传感器的发展主要集中于集成化和智能化两个方面。
集成电路和各种传感器的特征尺寸已经达到了亚微米和深亚微米量级，由于非电子元件接口未能做到同等尺寸而限制了其体积、重量、价格等。
智能化是将传感器(或传感器阵列)与信号处理电路和控制电路集成于同一芯片上(或封装在同一管壳内)。
系统能够通过电路进行信号提取和信号处理，根据具体的情况自主地对整个传感器系统进行自检、自校准
和自诊断。
并且能根据待测物理量的大小及变化情况自动选择量程和测量工作方式。
和经典的传感器相比，集成智能传感器能够减小系统体积、降低制造成木、提高测量精度、增强传感器功能，是目前国际上传感器研究的热点，也是未来传感器发展的主流方向[5]。
1、4 智能温室控制系统发展现状
近几十年，随着计算机、电子等方面相关工程技术的发展，设施园艺有了很快的发展。
荷兰人地矛盾非常突出，人口密度非常大，但是同时它的园艺、种苗、温室设施设备等享誉世界，是世界上几个农产品出口最大的国家之一。
1万h㎡的设施栽培，是荷兰经济的主要支柱。
荷兰温室结构主要是文洛型。
近年来，开始向大型化方向发展。
0.5 h㎡时以下的温室越来越少。
荷兰的种苗行业十分的发达，种植者一般都不自己播种育苗，130多家种苗公司向种植者提供优质的种苗、种子。
在温室结构、计算机控制、机械化、自动化方面的技术、设备开发以及农产品的分级、包装、运输等方面大型温室公司起着非常重要的作用，促进了设施园艺的发展。
荷兰的de Wit学派，在基于作物生长模型的温室控制系统方面提出一系列的控制模型理论。
以色列由于其恶劣的自然条件，人力发展了设施园艺产业，尤其在微灌没施及控制领域，处于世界领先的地位。
是世界上首个具有一定实际应用价值温室作物模型是该国科研人员的研究成果，在温室专用作物品种的开发研究方面，也具有相当的优势。
美国设施园艺是从二战后开始发展的，在其强大的工业技术支撑下，从20世纪90年代以后，又有了较大的发展。
在设施专用品种、温室降温设备、环境控制的传感器设备等方面均处于世界领先地位。
在国家相关部门的支持下，其在作物生长模型及配套的控制系统方面都有了很大的进步。
日本温室主要以塑料温室为主，因而日本塑料行业也非常发达。
在温室内配套的小型农用机具方面，日本的产品在国际市场上有一定的地位。
通过计算机控制温度、湿度、C02、肥料等设备(日本称为“植物工厂”)，已在日本普及。
另外，法国、西班牙、英国、韩国、加拿大、澳大利亚等国的设施农业都是相对发达的。
部分国家在设施园艺领域还开展了国际合作，并且取得了一定的成果。
随着近年来国家相关科研项目的启动，在吸收国外先进技术成果的基
础上，我国的设施农业方面有了较快的发展，设施面积和设施水平也在不断的提高。
在产业化方面发展态势良好，温室结构与设备研究达到了相当高的水平[16]，温室作物与环境模型的研究近年来也有不少的文献报道[17]。
在温室环境控制设备以及技术方面，浙江大学、中吉林大学、国农业大学、江苏大学等也在基于单片机应用条件下的工业现场控制总线技术,分布式网络控制技术,远程通信系统及接口技术，蓝牙技术等方面的技术在温室中的应用作了大量的研究，并取得了一定的成就。
国产的温室控制系统也开始在一些农业园区中使用。
第2章系统的硬件设计
2.1总体方案设计
本设计的总体结构图如图2.1所示。
包括：主机模块、通讯转换模块及温湿度传感器节点模块。
其中，主机模块与通讯转换模块之间通过基于Modbus ASCII 协议的RS485总线进行通讯，而通讯转换模块与各温湿度传感器节点间通过无线Modbus ASCII协议进行通讯。
图2.1 系统总体结构图
主机模块作为温湿度数据的集中显示和存储装置，同时还作为与通讯转换模块进行沟通时的上位机，每5s向下位机发出采样指令，从而获得各个节点的温湿度状况，但主机模块与传感器节点间并无直接的数据往来。
通讯转换模块负责直接与传感器节点进行无线通讯，充当该无线通讯网络中的上位机，它将直接对各个传感器节点发出采样命令，并将全部温湿度数据封装成一定的格式上传至主机模块。
传感器节点在整个通讯网络中，级别最低，且各个节点间没有相互通讯，仅负责对所处空间处的温湿度进行频率为0.5Hz的采样，并在接收到通讯转换模块的采样命令后，将该温湿度数据进行上传。
2.2 主机模块设计
主机模块是整个系统的核心控制单元，负责温湿度及相关信息的集中显示、存储，触发信号采样、Modbus 协议维护等工作。
本设计采用HMI（人机界面）作为主机模块的核心元件。
HMI具有编程组态化，显示信息简洁明了，信息存储方便，通讯协议二次开发难度低等特点，非常适合具有一定人机交互需求场合下的信息集中显示和存储。
2.2.1 HMI选型及基本特性
考虑到成本、延续性、配置难易程度等因素，本设计选用威纶通公司的MT6071系列HMI作为本系统的主控模块，如图2.2所示。
图2.2 MT6071产品图片
MT6071具有如下基本特性:
【多连接】三组独立串口，支持与三种不同协议的控制器同时通讯，一屏多机；
【高配置】搭载Cortex A8 600MHz CPU和128MB内存，运行快速；
【视觉性】业界最高1600万色的高彩度显示，完美呈现；
【轻量化】全新灰白双色外观与薄型轻量化机身，爱不释手；
【兼容性】工程文件、安装开孔、通讯连接可完好兼容旧有机型，升级无忧；
【稳定性】内置电源隔离，有效抑制电源浪涌和异常地电流，增强HMI现场运行稳定性；
【易用性】适用EasyBuilder Pro组态软件，拥有流动块、分期付款、操作记录、配方数据库等新功能，简单易用；
7 TFT
显示器
分辨率800 x 480
亮度350
对比度500:1
背光类型LED
背光寿命>30,000 小时
显示色彩24 bits
触控面板类型四线电阻式
触控精度动作区长度(X)2%,宽度(Y)2%
存储器闪存(Flash)128MB 内存(RAM)128MB
处理器Cortex A8 32Bit RISC 600MHz
I/O接口USB Host USB 2.0 x 1
USB Client USB 2.0 x 1
串行接口
Com1: RS-232，COM2：RS-485 2w/4w，
Com3:RS-485 2w
万年历内置
电源输入电源24±20%VDC
功耗350mA@24V
电源隔离内置
耐电压500VAC (1 分钟)
绝缘阻抗超过50MΩ@500VDC
耐震动10 to 25Hz (X,Y,Z 方向2G30 分钟)
规格外壳材质工程塑料
外形尺寸WxHxD200.3 x146.3 x 34mm 开孔尺寸192 x 138mm
重量约0.6 kg
操作环境防护等级IP65 前面板防护等级存储环境温度-20 ~ 60C (-4 ~ 140F)使用环境温度0 ~50C(32 ~122F)
使用环境湿度10% ~ 90% RH (无冷凝)
认证符合CE认证标准
软件EasyBuilder Pro V3.00.01 或更新软
件版本
2.2.2 HMI的硬件设置
1）拨码开关设定
在MT6071投入使用前，需对其工作模式进行选择，可通过其背后的拨码开关进行设定，如图2.3所示
图2.3拨码开关
工作模式的组合如表1所示。
首次使用时，应将拨码置于1000模式，对屏幕进行触控校正。
校正完成后，将拨码置于0000模式，进入正常工作状态。
SW1 SW2 SW3 SW4 模式
ON OFF OFF OFF 屏幕触控校正模式
OFF ON OFF OFF 隐藏系统设定列
OFF OFF ON OFF Boot 加载模式
OFF OFF OFF ON 开启前面板电源开关
OFF OFF OFF OFF 正常模式
表1工作模式组合
2）通讯端口设定
MT6071在硬件上只具有两套物理异步串行通讯端口，但可通过软件配置成多种通讯端口类型。
其中一组9针D型公头COM口的配置如表2所示，另一组9针D型母头COM口的配置如表3所示。
引脚编号COM1[RS-232] COM2[RS-232]
1 NA NA
2 NA NA
3 RXD NA
4 TXD TXD
5 GND GND
6 NA RXD
7 RTS NA
8 CTS NA
9 NA NA
注：其中NA为未指定
表2 公头配置
引脚编号COM1[RS-485]2W COM1[RS-485]4W COM3[RS-485]2W COM3[RS-232]
1 Data- Rx- NA NA
2 Data+ Rx+ NA NA
3 NA Tx- NA NA
4 NA Tx+ NA NA
5 GND GND GND GND
6 NA NA Data- NA
7 NA NA NA TXD
8 NA NA NA RXD
9 NA NA Data+ NA
注：其中NA为未指定
表3 母头配置
从抗干扰能力及通讯模式（半双工）的角度考虑，本设计选用母头中的COM3（2线制RS485模式）作为异步串行通讯端口，即9针插座的第6针作为信号负，第9针作为信号正。
2.3通讯转换模块设计
本系统通过RS485将通讯转换模块与主机模块建立联系，从而将温湿度信号显示出来。
2.3.1 RS485通讯及收发器芯片MAX487的基本特性
1）RS485通讯
当以高数据速率或者长距离进行通信时，差分数据传输可在大多数应用中提供优良的性能。
差分信号有助于消除在网络中作为共模电压出现的接地偏移和感应噪声信号的影响。
RS485符合真正多点通信网络要求，并且该标准规定在一条单总线（2线）上支持32个驱动器和32个接收器。
有些RS485收发器修改输入阻抗以便允许将多达8倍以上的节点数连接到相同总线。
RS485最常见的应用是在工业环境下可编程逻辑控制器内部之间的通信。
RS485的电气特性：逻辑“1”以两线间的电压差为+(0.2～6)V表示；逻辑“0”以两线间的电压差为-(0.2～6)V表示。
接口信号电平与TTL电平兼容，可方便与TTL 电路连接。
RS-485的数据最高传输速率为10Mbps。
考虑到工业上的仪器仪表常见的通讯接口即为RS485接口，本设计也采用了RS485作为驱动模块与主机模块间的通讯接口，以达到良好的扩展性能。
2）收发器芯片MAX487的基本特性
本设计所选用的美信公司的SOIC封装的MAX487作为RS485收发器芯片。
该芯片为的工作原理如下：
MAX487是用于RS-485与RS-422通信的低功耗收发器，每个器件中都具有一个驱动器和一个接收器。
MAX487具有限摆率驱动器，可以减小EMI，并降低由不恰当的终端匹配电缆引起的反射，实现最高250kbps的无差错数据传输。
该收发器在驱动器禁用的空载或满载状态下，吸取的电源电流在120µA至500µA之间。
另外，MAX487具有低电流关断模式，仅消耗0.1µA。
所有器件都工作在5V单电源下。
驱动器具有短路电流限制，并可以通过热关断电路将驱动器输出置为高阻状态，防止过度的功率损耗。
接收器输入具有失效保护特性，当输入开路时，可以确保逻辑高电平输出。
MAX487具有1/4单位负载的接收器输入阻抗，使得总线上最多可以有128个MAX487收发器。
MAX487为半双工应用设计。
MAX487的引脚分布如图3.2所示。
图3.2MAX487引脚分布
2.3.2单片机的特性
1）单片机的选取
首先考虑采用统的AT89C51单片机作为主控芯片，此芯片价格便宜，操作简单，低功耗，比较经济实惠[1]，但51系列的产品线过于单一，封装形式，内部存储器，外围模块等配置方式缺乏灵活性。
因此排除此款单片机，故而采用美国Microchip公司的PIC16F1829单片机。
该单片机具有低功耗，封装形式多样，振荡器配置灵活，内部模块资源丰富等优点，非常适合搭建无线智能传感器节点。
因此采用PIC16F1829单片机作为主控单片机。
2）PIC16F1829的基本特性
一、具有高性能的RISC
1. 仅需学习49条指令
2. 带有自动现场保护的中断功能
二、灵活的振荡器结构
1. 高精度32 MHz内部振荡器模块
2. 种晶振模式，频率最高为32MHz
三、采用nanoWatt XLP 的超低功耗管理
四、电气特性
1. 较宽的工作电压范围：1.8～5.5V
2. 高灌/ 拉电流：25 mA/25 mA
3. 内部弱上拉
五、丰富的片内资源
1. 内置8通道10位ADC模块
2. 两个独立的模拟比较器模块
3. 4组8位定时/计数器，1组16位定时/计数器
4. 1组UART端口
5. 8KB片内程序存储器，1024字节片内SRAM，256字节片内EEPROM
6. 20引脚的芯片封装形式，17个具有复用功能的I/O引脚和1个仅用作输入的引脚
3）PIC16F1829引脚及各引脚功能如图3.3，3.4所示
图3.4 PIC16F1829各引脚功能
2.3.3转换模块电路图
转换模块电路如图3.5所示
图3.5 转换模块电路图
2.4传感器节点模块设计
2.4.1温湿度传感器模块
1、温湿度传感器选择依据
SHT11的湿度检测运用电容式结构，并采用具有不同保护的“微型结构”检测电极系统与聚合物覆盖层来组成传感器芯片的电容，除保持电容式湿敏器件的原有特性外，还可抵御来自外界的影响。
由于它将温度传感器与湿度传感器结合在一起而构成了一个单一的个体，因而测量精度较高且可精确得出露点，同时不会产生由于温度与湿度传感器之间随温度梯度变化引起的误差。
COMSENETM技术不仅将温湿度传感器结合在一起，而且还将信号放大器、模/数转换器、校准数据存储器、标准12总线等电路全部集成在一个芯片内。
该温湿度传感器功能强
大，且具有高度的可靠性和长时间的稳定性等特点，价格也相对低廉，所以完全符合本次设计系统的需要。
2、传感器的工作原理
SHT11的每一个传感器都是在极为精确的湿度室中校准的。
SHT11传感器的校准系数预先存在OTP内存中。
经校准的相对湿度和温度传感器与一个14位的A/D转换器相连，可将转换后的数字温湿度值送给二线I2C总线器件，从而将数字信号转换为符合I2C总线协议的串行数字信号。
由于将传感器与电路部分结合在一起，因此，该传感器具有比其它类型的湿度传感器优越得多的性能。
首先是传感器信号强度的增加增强了传感器的抗干扰性能，保证了传感器的长期稳定性，而A/D转换的同时完成，则降低了传感器对干扰噪声的敏感程度。
其次在传感器芯片内装载的校准数据保证了每一只湿度传感器都具有相同的功能，即具有100%的互换性。
最后，传感器可直接通过12C 总线与任何类型的微处理器、微控制器系统连接，从而减少了接口电路的硬件成本，简化了接口方式。
其内部结构如图4.1所示
图4.1 SHT11内部结构框图
3、传感器的特性
（1）将温湿度传感器、信号放大调理、A/D转换、I2C总线接口全部集成于一芯片（CMOSensTM技术）；
（2）可给出全校准相对湿度及温度值输出；
（3）带有工业标准的I^2C总线数字输出接口；
（4）（4）具有露点值计算输出功能；
（5）具有卓越的长期稳定性；
（6）湿度值输出分辨率为14位，温度值输出分辨率为12位，并可编程为12位和8位；
（7）小体积（7.65x5.08x23.5mm），可表面贴装；
（8）具有可靠的CRC数据传输校验功能；
（9）片内装载的校准系数可保证100%互换性;
（10）电源电压范围为2.4～5.5V;
（11）电流消耗,测量时为550μA，平均为28μA，休眠时为3μA。
5、传感器的引脚及功能
传感器的引脚如图4.2所示
各引脚功能如下：
（1）GND：接地端；
（2）（2）DATA：双向串行数据线；
（3）（3）SCK：串行时钟输入；
（4）（4）VDD电源端：0.4～5.5V电源端；
（5）（5～8）NC：空管脚码。
6、与单片机连接电路
SHT11与单片机连接电路如图4.3所示。
其中引脚2连接上拉电阻后与单片机引脚17相连，引脚3连接上拉电阻后与单片机引脚16相连。
图4.3 SHT11与单片机连接图
2.4.2收发器NRF24L01的特性
1、收发器NRF24L01的选择依据
nRF24L01 是一款工作在2.4~2.5GHz 世界通用ISM 频段的单片无线收发器芯片。
无线收发器包括:频率发生器增强型SchockBurstTM模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器、解调器、输出功率频道选择和协议的设置可以通过SPI 接口进行设置。
且具有极低的电流消耗：当工作在发射模式下发射功率为-6dBm 时，电流消耗为9.0mA，接收模式时为12.3mA。
掉电模式和待机模式下电流消耗更低。
nRF24L01不需要复杂的通信协议且完全对用户开放，仅通过一个标准的同步串行总线接口与外围控制器连接，同系列产品之间可以自由通信，并且比蓝牙产品更便宜。
所以nRF24L01是业界体积最小、功耗最少、外围元件最少的低成本射频系统级芯片[9]。
基于以上特点，该无线传输模块满足本次设计的需要。
2、NRF24L01的主要特性
1、GFSK调制，硬件集成OSI链路层；
2、具有自动应答和自动再发射功能；
3、片内自动生成报头和CRC校验码；
4、数据传输率为l Mb/s或2Mb/s；
5、SPI速率为0 Mb/s～10 Mb/s；
6、125个频道与其他nRF24系列射频器件相兼容；
7、QFN20引脚4 mm×4 mm封装；
8、供电电压为1.9 V～3.6 V；
3、NRF24L01引脚分布
NRF24L01引脚分布如图5.1所示，各引脚功能如表1所示
图5.1 NRF24L01引脚图
引脚名称引脚功能描述
1 CE 数字输入RX 或TX 模式选择
2 CSN 数字输入SPI 片选信号
3 SCK 数字输入SPI 时钟
4 MOSI 数字输入从SPI 数据输入脚
5 MISO 数字输出从SPI 数据输出脚
6 IRQ 数字输出可屏蔽中断脚
7 VDD 电源电源+3V
8 VSS 电源接地0V
9 XC2 模拟输出晶体震荡器2 脚
10 XC1 模拟输入晶体震荡器1 脚/外部时钟输入脚
11 VDD_PA 电源输出给RF 的功率放大器提供的+1.8V 电源
12 ANT1 天线天线接口1
13 ANT2 天线天线接口2
14 VSS 电源接地0V
15 VDD 电源电源+3V
16 IREF 模拟输入参考电流
17 VSS 电源接地0V
18 VDD 电源电源+3V
19 DVDD 电源输出去耦电路电源正极端
20 VSS 电源接地0V
表1 NRF24L01各引脚功能分布表。
