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无线温湿度监控系统

Yang Zhou1, Qiaodi Zhou 2, Qingpeng Kong 3, Wenyu Cai 4

Hangzhou dianzi University Electronic information institute, Hangzhou 310018,China

摘要：传统的有线数据传输成本高，干扰大，而无线数据传输具有成本低，适用性好，干扰低等优点，本方案是一种基于msp430微控制器的手持式无线温湿度控制系统，通过CC1101 无线收发模块和DHT11温湿度传感器实现设计功能。该系统不仅可以通过手持设备接收数据，还可以通过RS232线连接电脑。 在本文中，软件和硬件设计思路已经被提出。 实践表明系统稳定，功耗小，可以在需要温湿度数据的各种场合使用。

关键词：温度和湿度，CC1101，DHT11，MSP430

1. 介绍

在日常生产和生活中，我们经常需要知道某个地方的温度和湿度值。如果我们使用电缆传输数据，它的花费会很多，但是如果使用无线通信，那么成本会比较低，无线通信能在短时间内建立通讯，错误率相当低。因此，在无法使用电缆的环境中，无线通信更加实用。而且，如果接收机是手持式的，灵活性将会大大增加。目前，这种低功耗无线数据传输技术已广泛应用于工业和民用领域。

2.全系统结构

2.1设计理念

该系统可以分为数据采集部分，手持数据接收部分。 如图1所示，第一部分是温湿度测量系统，第二部分是温湿度接收和显示终端。温湿度测量系统主要负责温湿度数据采集和发送。接收终端从远处接收数据，并在LCD上显示。接收端还负责温湿度报警和PC的连接。 在特殊情况下，接收终端还可以向温湿度测量系统发送控制信息，以控制温度和湿度。

图1 系统整体结构

2.2系统模式

数据采集端：数据采集端包括DH11温湿度传感器，MSP430处理器和CC1101模块，其他部分为风扇和加湿器。结构如图2所示：

图2 温湿度采集结构图

如图所示，DHT11收集温湿度数据，这些数据由MCU处理后交给CC1101，系统在上电时工作。 每一段时间收集数据。 风扇和加湿器由MCU控制，当温湿度大于一定值时，相应的开关将被打开，以便在一定的环境下控制温度和湿度。

数据接收端模块主要包括MSP430微控制器，CC1101模块，指示灯，报警蜂鸣器，LCD显示等，结构如图3所示。当CC1101接收到数据时，实时数据传递给MCU后，LCD上将显示温湿度数据，数据监控端有风扇指示灯和加湿器指示灯设计，为了调整相应设备的工作状态。 此外，该模块具有RS232接口，方便与PC连接，更直观地显示温湿度变化。

图3 温湿度接收结构

1. 系统硬件

3.1 CC1101无线收发模块

CC1101是低于1GHz的低成本无线收发器，专为低功耗的无线应用而设计。主电路用于ISM（工业，科学和医疗）和SRD（短距离设备），频段为315,433,868和915MHz，但可以方便地工作在其他频率，如300-348 MHz，387 -464MHz和779-928MHz。CC1101是从CC1100 RF收发器改进而来，兼容CC1100。CC1101的主要改进：改善了伪响应; 更好的关闭相位噪声，从而提高相邻信道功率（ACP）的性能; 更高的输入饱和水平; 提高输出功率; 扩大工作频段。

CC1101提供6个I / O端口，可直接连接到MCU。SCLK，MISO，MOSI，CSn为SPI接口，负责CC1101工作模式切换，RF通道选择，射频功率设置等。GD01，GDO2引脚用作通用数字输出（DO），也可用作四种功能之一：测试信号，FIFO状态信号，始终输出，连续数据输入。 具体连接如图4所示：

图4 CC1101连接图

CC1101工作流程：1.初始化SPI引脚2. CC1101复位。3.CC1101初始化。（状态可从CC1101 SO引脚读取）。初始化后将CC1100切换到空闲状态。状态切换，写/读FIFO数据。 在这个系统中，CC1101工作在433 MHz，20 Mw，有效距离约为200m。

3.2 MSP430单片机

Msp430由美国TI（德州仪器）公司于1996年发布。它是一款16位混合信号超低功耗处理器。IC内部包含许多外设，如ADC和DAC，仿真比较器，公共数字模块（如SCI，SPI，I2C，看门狗，PWM，CAP，时间/定时器）。 因此可以降低外围控制电路的复杂性，节省PCB空间，降低设计成本，提高系统的可靠性。 完全符合一般应用要求。

其主要特点是：1）低功耗; 2）处理能力强，单循环指令，内部硬件时间倍增; 3）高性能仿真技术和丰富的芯片外设模块; 4）高稳定性，工业产品; 5）方便，高效的开发环境; 6）适应温度范围广，抗干扰能力强7）小而灵活，性价比高。为适应工业运行环境，msp430的微控制器工作温度为-40°C〜 85°C，产品可在工业环境中稳定运行。

3.3 DHT11温湿度传感器

DHT11是已经被校准的数字信号输出温湿度传感器，采用数字采集技术和温湿度传感器技术。该传感器包括电阻式湿度测量部件和NTC温度传感器部件。与8位高性能单片微控制器的连接使传感器具有出色的质量，超快的响应速度，抗干扰能力，高性价比。DHT11提供了一个可与msp430连接的I/O端口。40位湿度和温度数据每次发送到微控制器，数据通过CRC检查。 因此数据的准确性得到保证。DHT11的功耗相当低，5 V电源电压和最大平均电流约为0.5mA。

DHT11数字温湿度传感器连接电路简单，只需要一个I / O端口连接到MCU。图5是典型应用电路：

图5 DHT11典型应用电路

DHT11使用单总线数据格式。也就是说，单个数据端口完成输入/输出双向传输。一个数据包是5字节（40位）。通信时间小于3 ms。具体格式如图6所示。全数据传输包含40位，高位先出。数据格式：8位湿度整数数据 8位湿度十进制数据 8位温度整数数据 8位温度十进制数据 8位校准。校准是前四个字节的总和。

图6 DHT11数据输出格式

MCU发送信号开始（低电平），DHT11从低速模式切换到高速模式，然后在启动信号结束后给出响应信号，触发数据采集，然后40位数据开始传输。此时可以从I/O端口读取温度和湿度数据。

3.4 LCD1602显示

1602字符型（即显示16x2字符）LCD模块广泛应用于不同场合，各种LCD制造商提供几乎相同的1602模块或兼容模块。许多制造商提供不同的背光颜色的显示模块。 其工作电压为5V，工作电流为2.0mA，每次显示16x2个字符。

除了电源和GND之外，LCD1602还有16个引脚，其他的是D0-D7数据I/O端口和背光控制端口。连接电路如图7所示：

图7 LCD1602连接图

3.5 RS232接口

RS-232是串行物理接口，标准由电子工业协会EIA（电子工业协会）制定。RS是“推荐标准”的缩写，232是识别号码。RS-232总线具有25条标准信号线，包括一条动脉和一条辅助通道。在大多数情况下，我们使用主动脉。在一般的通信使用中，发送线，接收线和接地线只需要几条信号线。接收模块上有一个232接口，可以连接到具有交叉RS232线的PC，因此可以将温度和湿度数据发送到PC。波特率为9600,8位数据，停止位，无奇偶校验，最大传输距离约为15米。

1. 软件设计

4.1数据采集

数据采集端使用DHT11获取温湿度数据，经msp430处理后，将4字节的温湿度数据发送给CC1101.一个数据包包括1个字节的前置字节，2个字节的同步字，1个字节的数据包长度， 1字节地址，4字节数据包大小，2字节风扇和加湿器状态信息，2字节CRC校验。如图8所示：

图8 帧格式

前置字节和同步字由CC1101配置寄存器设置，模块将它们添加到帧的开头。 因为CC110非常敏感，在空闲模式下，它也有一些乱码输出，为了确保数据正确，需要地址字节去接收端接收或拒绝数据，以确定地址是否正确。

图9 数据发送流程图

图9是数据发送流程图。上电后，微机和CC1101模块初始化。MCU在启动信号后读取DHT11，然后判断温度和湿度数据是否大于设定的阈值，如果是，风扇和加湿器将打开以控制温度和湿度。如果在正常范围内，数据直接发送。

数据接收部分用于过滤数据包和显示。 具体流程如图10所示：

图10 数据接收流程图

数据不会直接显示在液晶显示屏上。首先，MCU判断源地址正确，然后检查风扇和加湿器状态，这两个字节控制指示灯和手持设备上的蜂鸣器，最后显示实时温湿度在LCD上。

1. 测试和总结

图11数据通过RS232线显示在PC上

如图11所示，数据由PC接收，由于前置字节，同步字和CRC字节自动发送，所以在上面的文本框中显示8个字节，第一个是长度0x08，四个字节温度和湿度度数据显示，后跟地址0xaa。最后两个是状态信息。

本文设计并实现了无线收发模块CC1101的一种温湿度控制系统。 手持式接收设备不仅可以显示实时温湿度数据和温湿度控制装置的状态，还可与PC通讯。本系统的主要特点是：性能可靠，传输距离200M，误码率低，精度高安装方便，成本低。它可以广泛应用于需要温度和湿度控制的各种场合。

致谢

这项工作得到了中国国家自然科学基金（61102067）和浙江省重点科技创新团队项目（No.2010R50003）的支持。

参考文献

[1]Liu Wei,Zong Xiaoping,“Wireless temperature and humidity collection system design,”heibei.china,vol. 27,2010,pp.500-502.

[2]Huang Jianwei. “The wireless temperature measuring system based on DS18B20”henan.china,vol. 29, 2010,pp.118-119.

[3]Yue Pengxia. “Wireless temperature and humidity data acquisition system,”shanxi.china,vol. 2,2009,pp.166-168.

[4]Lu Chao.“Wireless temperature and humidity monitor device for Greenhouse,”shanxi.china,vol.7, 2011,pp.136-139.

[5]Qiang Yunxiao,Wu Fengbo.“Wireless temperature and humidity measure and control system based on ZigBee technology,” shanxi.china,vol.38,2009,pp.731-734.

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