环境湿度及温度监测的无线传感系统外文翻译资料

 2022-05-22 20:28:21

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环境湿度及温度监测的无线传感系统

袁耀东 张爱军

（中国，南京210094，南京科技大学，机械工程学院）

摘要：针对目前环境信息监测的实际需求，我们研究人员设计了一种基于无线电频技术和移动网络，可以用于监测环境温度与相关湿度的无线传感系统。本文将就这一系统的具体体系结构展开介绍。这一系统使用AVR微控制器单元（MCU），KYL-1020U无线数传电频模块以及SHT71温湿度传感器完成实时的温度和湿度监测，以及采用SIM900A模块，通过全球移动通信系统实现远程报警和短信监控。实验结果显示：所设计的这一环境温湿度无线传感监测系统有着良好的测量稳定性以及实时性，同时它可以用于一些小型的温度和湿度监测场合。

关键词：环境监测；温度和湿度；无线电频技术；无线传输；全球移动通信系统

中图分类号：TP274 文献标识码：A

文章编号：1674-8042（2013）03-0267-05

DOI：10.3969/j.issn.1674-8042.2013.03.014

无论是在室内还是室外，周围环境信息的监测都是物联网技术最有前景的应用领域之一。目前，环境监测信息通常包含温度和湿度这两种，它促进了在许多领域的研究，如：药品存储，精准农业，栖息地监控，仓库监控，食品行业等等。可以说，对环境温湿度的监测是现在许多行业在进行生产活动或者物品存储时的一个重要环节。现在，研究人员开始关注信息的感知和交换以及物联网的推广。如何准确的获取变量信息，如何实时的，动态的获取变量信息是目前环境信息监测最为关键的技术，同时，这也是目前最大的一个障碍。当今世界，环境信息监测在许多国家已经得到了长足的发展，特别是在发达国家，环境信息监测的产业链已经形成并且相应的系统正在朝着智能化，小型化的方向发展。然而，在中国，环境信息监测仍然处于初始发展阶段。国内现有的监测项目使用的是带有自行设计的前端测量电路的模拟传感器，并且其采用有线的方式去布置监测网络，这就提高了自主性，稳定性以及传输速率。但是该系统同时存在着高电缆成本，复杂的设备布置和低维护效率的问题。这就难以满足区域化监测的需求。并且，也很难像发达国家那样形成相应的产业链，即便形成，在国际上，也很难有竞争力。

无线传感网络（WNS）是一种新的无线网络技术，它集成了传感器技术，信息技术以及网络通信技术。无线传感网络由大量部署在监测区域的廉价的微型传感器节点组成。这些传感器节点具有较高的灵活性，可以为环境温度和湿度的监测提供大量的数据。无线传感网络的使用可能将为无人区域监控提供一个优越的解决方案。

在本文中，基于对无线传感网络的研究，我们设计了一种温湿度无线监测系统，它可以实时的对指定区域的环境温湿度进行监控。该系统设计包括硬件设计和相应的软件设计。另外，我们将全球移动通信系统和通用分组无线电服务技术结合起来，实现传感网络与手机之间的通信，从而实现移动监控。因此，有了全球通用分组无线电技术的支持，这个系统可以不用受到信号连接是否顺畅的限制，对于信号连接困难的场合，它是完全适用的。

1 系统总体方案设计

如图一所示，传感系统由传感器节点和中央控制器组成。传感器节点在监测地点获取环境的温湿度信息，并将数据通过无线通信的方式传递给中央控制器。传感器节点主要是温度传感器和湿度传感器。在中央控制器中，数据通过与之匹配的射频收发器得以接收。在数据经过分析和处理之后，中央控制器便通过RS232通信接口将数据上传到PC中。利用相应的PC软件，用户可以监测所收集到的数据。考虑到信息监测无法一直处于有人值守的状态，为了实现可靠的无人值守监测，本系统采用了GSM/GPRS技术。一旦温度和湿度的任何参数超过报警阈值，中央控制器就可以构造一个警告短消息服务（SMS）消息，并通过GSM网络发送给监控人员。监控人员收到消息后，便可以立即查询手机上的短消息。当中央控制器接收到正确的查询短消息时，系统也可以将最新的数据发送给手机。

图1. 系统总体结构框图

2 硬件电路设计

2.1 微处理器模块

微处理器是系统的控制核心部件。为了减小硬件的体积，方便对硬件进行布置，安装等，本次设计在传感器节点上应用了具有23个可编程I/O线的AVR微处理器ATmega 8。这种高度集成的方式有助于降低系统的制作成本，以及后续的维修费用。

与传感器节点相比，中央控制器需要处理更多的数据和控制量。所以我们设计了基于ATmega 2560的中央控制器，它具有五十四路的数据输入输出，适合需要大量I/O接口的设计，有三种供电方式，而且能够自动选择供电方式。同时，它有着256KB的闪存和4KB的电可擦除只读存储器，以及86个可编程的I/O线和4个USARTs。USART0，USART1和USART2分别与射频收发器，SIM900A和PC双向通信使用。

2.2 无线通信模块

为了能够进行可靠而又稳定的通信，本次设计采用射频收发器来进行数据的传输。射频收发器KYL-1020U用于使传感器节点与中央控制器进行无线通信。该射频收发器是一个透明的传输模块，可以在433兆赫兹，868兆赫兹或者915兆赫兹的工业科学和医学波段中有选择性的工作。射频收发器KYL-1020U的接口电路如图2所示。在传感器节点中，为了节能，SLEEP线可能会与微处理器的公共I/O口相连接。

图2. KYL-1020U的接口电路

2.3 传感器测量电路

测量电路是基于SHT71传感器设计的。SHT71传感器是一款由多个传感器模块组成的单片全校准数字输出相对湿度和温度传感器，它采用了特有的工业化的CMOS技术，保证了极高的可靠性和卓越的长期稳定性，整个芯片包括校准的相对温度和湿度传感器，它们与一个14位的A/D转换器相连，此外还具有一个I2C总线串行接口电路。因此，该传感器提供了一个已经完全校准了的输出数据，它可以感知—40℃至123.8℃的温度范围以及相应的0至100％的湿度范围。SHT71传感器的接口电路如图3所示。其中，0.1micro;F的电容可以抑制输入信号中的高频噪声。

图3. SHT71传感器接口电路

2.4 GSM/GPRS电路

GSM/GPRS模块SIM900A用于通过TCP/IP协议将监控数据传输到移动电话或远程终端。SIM900A集成了强大的处理器ARM9216EJ内核，它是一款尺寸紧凑型，高可靠性的无线模块，采用SMT封装的双频GSM/GPRS模块解决方案。并且，它可以内置客户应用程序，满足客户自主设计的要求。它具有开发简单、集成方便等优点。通过编程，很容易实现语音、短信、数据和传真传输。SIM900A的接口电路如图4所示。

图4. SIM900A接口电路

SIM900A没有标准的晶体管-晶体管逻辑(TTL)水平输出，不能直接与ATmega 2560进行通信。因此我们设计了基于MAX232的电平转换电路，MAX232芯片是专为RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片，可以实现了同等水平匹配。该器件特别适合电池供电系统，这是由于其低功耗关断模式可以将功耗减小到很低的程度。在此电路中我们完成了两个反向RS232级转换(非标准TTL到RS232, RS232到标准TTL)。

3 软件设计

3.1 传感器数据分析处理

数据处理这一过程是在传感器节点中完成的。该过程可以划分为两个部分：补偿过程和数据打包过程。在此应用中，传感器的供电电压为5V，温度（℃）和相对湿度（％）的原始数据的分辨率分别为14位和12位。因此，这个补偿过程可以根据公式来进行描述。

其中是初始温度值，是初始湿度值。传感器初始数据由ATmega 8通过一个的时间序列模拟读出。在上述过程完成之后，补偿的数据将用自定义结构进行打包。该自定义结构如下表1所示。

表1 自定义打包结构

3.2 无线通信过程

在这一系统中，中央控制器与传感器节点之间利用主从协议进行通信。中央控制器在主模式下工作，它周期性地将查询命令发送到传感器节点。与此同时，传感器节点在从属模式下工作，等待请求集合响应。

中央控制器与传感器节点之间的通信过程如图5所示。在一个传输和一个应答完成之后，传感节点便进入一个空闲的等待状态。当收到所有的传感器节点数据后，中央控制器便开始运行下一个延迟过程并进入下一个数据收集周期。

无线电通信容易受到外部电磁波的干扰，因此通信数据可能波动，那么中央控制器接收到的数据就可能不真实。解决这个问题的一种方法是检查CRC代码。在将数据包发送到中央控制器之前，CRC代码是由传感器节点作为底层软件计算的。数据包的结构如表1所示，CRC代码被放置在包尾中。当中央控制器接收到数据包之后，它会重新运行CRC代码，并将新代码与所接收的代码进行比较。相同的CRC代码便表明传输的数据和接收的数据是一致的，此时中央控制器可以将一个ACK信号发送给传感器节点。如果在规定的时间内没有收到ACK信号，传感器节点便在指定的数字中重新传输数据包。这种重新传输的机制可以有效地防止外部干扰，从而保障了中央控制器和传感节点之间进行无线电通信的稳定性和可靠性。

  1. 中央控制器信息处理 （b）传感器节点数据传输过程

图5. 中央控制器与传感节点之间的通信过程流程图

3.3 GSM通信

在发送消息之前，必须首先设置SIM900的信息格式。由于该系统中使用的短信由英文字母和数字组成，因此需要将SIM900的信息格式设置为测试模式。该模式的设置以及其他GSM通信操作可以通过在insructions中编程完成。所有的指令都以“AT”开头，以lt;CRgt;结尾，以表示输入结束。

图6便表明了中央控制器与传感器节点之间短消息的发送过程。同时，我们也提到，用户可以利用移动电话进行远程监测并且能够收到报警信息，而移动电话通信服务的提供商是中国移动。当在AT指令成功发送时，微处理器串口可能会回复“OK”或“ERROR”作为对该指令响应的反馈信号。通过这一反馈信号，中央控制器便可以决定是否再次发送相同的指令给传感器节点。利用这一方式，是的传感器节点与中央控制器之间的通信过程不仅可靠，稳定，而且过程简单快速，用户可以通过移动电话收到的短信息来查看监测点的温湿度变化。

图6. 短消息发送过程

4 系统测试

由于本次设计只需要采集环境的温湿度信息，所以温度和湿度的测量实验是在实验室进行的。图7和图8展示了整个实验进行过程中的比较结果，图中的和是由高精度的温湿表测量得到的实际值，而图中的和是系统监测得到的数据。

采样点

图7 温度测量数据

采样点

图8 湿度测量数据

从图7和图8可以看出，同一类型的两条曲线基本一致，最高温度误差为0.3℃最大湿度误差为2.6％，在误差允许的范围内，说明该系统能有效地反映环境温度和湿度。另外，从两张图，我们也能看出：测量值与实际值之间的误差主要是由于传感器本身的误差，而数据无线传输几乎没有引入。这就证明了在无线通信过程中，传感器节点所检测道德数据并不会收到破坏或者遗失等。

为了合理的安排布置传感器节点，我们通过减小阻塞的方式测试了KYL-1020U的户外通信距离。这样不仅能节约成本，而且可能最大化的利用KYL-1020U的通信能力。在测试过程中，数据包由传感器节点进行连续发送，其长度为14字节，另外，设置的KYL-1020U传输速率为9600 bps。通过对监测到的大量数据进行分析，得出了在不同通信距离的情况下，接收包的错误率。图九便给出了不同通信距离接收包的错误率。从图九中，我们可以看出，如果通信距离从三百米增加到五百米，那么接收包的错误率会保持在一个较高的水平，且快速增加趋势，而在300米以内，接收包的错误率是处于一个很低的水平的。这就表明节传感器点数据包的无线传输在300 m范围内可以保持稳定。而300米的无线传输距离是可以满足本次设计的实际需求的。

图9 无线传输测试结果

5 结论

在此次工作中，我们设计了一种无线温湿度传感预警系统。在这个系统中，无线通信技术在数据信息传输方面得到了有效的应用，并且整个数据传输过程都处于一个稳定，可靠和快速的状态。它解决了电缆系统中安装和维护的难题。因为整个系统在工作过程中都处于一个无线的状态。同时，该系统很好的利用了成熟的GSM移动通信网络，有效地实现了信息的远程传输。并且通过一些列的实验表明，该系统具有良好的实时性，能够实时的将传感器节点所监测到的温湿度信息发送到中央控制器，这就有助于实现系统的快速响应。不仅如此，该无线传感系统也具有良好的灵活性和低成本的优点，这就为小型温湿度监测场合提供了有效的解决方案。

参考文献

  1. 常超，冼晓东，胡英. 基于WSN的精密农业远程环境监测系统设计. 中国传感器和执行器期刊，2011，24（6）：879-883.
  2. 袁江，曹金伟，邱自学. 基于RFID阅读器网络的粮库温度和湿度分布监测. 中国农业工程学会学报，2011，27（10）：131-136.
  3. 薛凌，孙曼，杭智辉，等.一种基于微处理器AT89S51的温湿度控制仪. 化学工业的控制和仪器，

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