基于无线通信技术的温度、湿度及空气质量监测集中控制系统

孙德富

（杭州奥普卫厨科技有限公司 浙江杭州310018）

1 引言

随着社会的发展，环境空气质量的改善变得越来越重要。为了实现环境空气质量的改善，在车站候车室、地铁站、影院、商场等局部公共环境中，多安装有通风换气设备。而通常此类通风换气设备的控制是依靠相关工作人员的感觉判断，采用手工进行相应设备的开、关控制。本文采用无线通信技术和计算机技术设计了采用温、湿度实时测量及空气质量监测的集中控制系统，能够根据采集的温、湿度数据来控制加热、制冷设备或加湿、除湿设备的开启和停止，从而把温、湿度控制在设定的范围之内。采用气体传感器自动地进行空气质量检测，能根据环境空气的混浊污染程度，对通风换气设备或空气净化设备进行控制和调节，改善环境中人们的舒适度和呼吸健康保障。所有温、湿度及空气质量数据均通过LCD显示显示出来。为了防止单片机掉电引起的数据丢失，温度、湿度的设定值存储在记忆电路中。

2 控制系统工作原理

本控制系统由无线发射主机和无线接收从机构成，主机负责温度、湿度和空气质量的数据采集以及显示，数据通过主机设定对比，通机单片机内部处理，通过无线发射模块将控制信号发给无线接收从机，从机通过无线接收模块接收后，通过解码、单片机处理后，控制相应设备启动或停止工作。无线发射主机可选择“自动”和“手动”两种工作状态。“手动”工作状态由人工控制相应设备工作或停止。

3 系统组成

系统主要由无线发射主机和无线接收从机组成，无线发射主机由单片机，温度、湿度传感器、气体传感器、键盘输入、LCD显示器及无线发射模块组成。无线接收从机由单片机、无线接收模块、LED工作指示模块（可选模块）、驱动控制模块组成。无线发射主机和无线接收从机框架如图1所示。

4 硬件设计

无线发射主机单元和无线接收从机单元的各主要部分在后续叙述中会一一阐述，本文在此略去单元整体原理图。

4.1 无线发射主机单元

无线发射主机单元组成：中央处理单元S3P9234，Q2、Q3及SM组成无线发射电路。K01-K12组成键盘输入电路，SH10为温、湿度传感器，TGS2600为气体传感器，24C02为记忆电路。

4.2 无线接收从机单元

无线从机单元组成：中央处理单元M37544G2GP，T01、D01-D04、U02B及U03组成电源电路，Q04及R24组成蜂鸣器电路，U04组成驱动电路，24C02为记忆电路，RF接收模块为LM358组成的通用型超再生接收模块。

4.3 湿度、温度检测电路

（1）湿度、温度传感器选用的SH10型数字温湿度传感器，如图2a，SH10传感器由瑞士Sensirion 公司生产，该芯片通过CMOSens TM技术将温湿度传感器、放大和A/D电路、串行通信接口以及传感器标定数据集成在一个芯片上，无需外围元器件。具有温湿度一体、测量精度高、响应时间快、可靠性高、稳定性好、接口简单等优点。其测量原理是首先利用两只传感器分别产生相对湿度、温度的信号，然后经过放大，分别送至 A/D 转换器进行模数转换、校准和纠错，最后通过二线串行接口将相对湿度及温度的数据送至微控制，再利用微控制器完成非线性补偿和温度补偿。SHT10的相对湿度测量范围为 0～100%，精度为±(4.5%)；温度测量范围为-40C～120, 精度为（±0.5℃ 在25℃）。

（2）SHT1X系列为贴片型温湿度传感器芯片特点：

－全量程标定，两线数字输出；

－湿度测量范围：0～100%RH；

－温度测量范围：-40～+123.8℃；

－湿度测量精度： ±3.0%RH

－温度测量精度：±0.4℃

－响应时间：8s(tau63%)；

－低功耗 80μW(12位测量，1次/s)；

－可完全浸没。

（3）SH1X系列引脚定义和应用电路如图2b所示。

4.4 气体传感检测电路

（1）气体传感选用日本FIGARO气体传感器TGS2600。TGS系列传感器属n型半导体类气体传感器，其主要成分是二氧化锡烧结体。当吸附还原性气体（例如液化气、天然气、氢气、一氧化碳、有机溶剂蒸气等）时，电导率上升。当恢复到清洁空气中时，电导率恢复。TGS传感器就是将这种电导率变化，以输出电压的方式取出，从而检测出气体的浓度。TGS2600能够灵敏地感知空气中的低浓度污染物的异味，如空气中的低浓度香烟污染物和其它异味，对H2、CO等有较高的敏感度。该传感器能检测到几个ppm级H2含量。TGS2600具有成本低、体积小、寿命长、选择性和稳定性好等特性，可广泛用于空气质量监测、自动通风换气系统、空气清新机和气流控制设备中。该器件比较适合于在室温下长时间通电连续工作。由于采用小型化芯片，TGS2602的加热器所需电流仅为42mA，并且安置于标准TO-5封装中。与其它空气传感器相比，TGS2600在灵敏度和稳定性方面有很大的优越性。TGS2600外形和基本测量电路如图3所示。此传感器要求有两个电压输入：加热器电压VH和电路电压VC。加热器电压VH加于集成加热器上以保持传感器在一个特定的最佳感应温度。电路电压VC被加载以便于测量与气敏元件串联的负载电阻电压Vout。此传感器有极性所以电路电压VC必须是直流。可以用一个公共的电源来同时供给VH和VC以满足传感器的电气需求。合理选择负载电阻RL使报警门限电压最优化，并使半导体传感器功耗小于15mw。当目标气体存在时，传感器功耗在RS与RL相等时最大。传感器信号经微处理器处理后作出判断，将空气质量分成3个级别，差、中、好，在LCD中显示。

（2）TGS2600传感器灵敏度特性：TGS2600典型灵敏度特性如图4所示，所有数据都采集于标准测试条件下，Y轴表示传感器灵敏度，即电阻比RS/R0。其中RS为传感器在不同气体浓度下的阻值；R0为传感器在清新空气中的阻值。

（3）TGS2600传感器典型温度、湿度依赖特性曲线：TGS2600典型的温度、湿度依赖特性如图5所示。同样，Y轴表示传感器灵敏度（电阻比）RS/R0，其中RS为清新空气中的传感器在不同温、湿度条件下的阻值;R0为清新空气中的传感器在20℃及65%相对湿度下的阻值。

4.5 掉电记忆电路

图6的掉电记忆电路由24C02及Q01组成，24C02是2K位串行I2C总线EEPROM。

4.6 键盘输入电路

键盘输入电路由K01-K12组成，如图7

4.7 LCD显示电路

LCD显示电路由LCD显示器、U01及背光源组成，采用带液晶驱动的单片机设计，显示电路如图8

4.8 无线发射、接收电路（LM358通用型超再生接收模块）

无线发射电路由Q2、Q3、SM及发射天线组成，电路如图9，发射模块的工作频率为315M，采用声表谐振器SAW稳频，频率稳定度极高，当环境温度在-25～+85℃之间变化时，频飘仅为3ppm/℃。特别适合多发一收无线遥控及数据传输系统。声表谐振器的频率稳定度仅次于晶体，而一般的LC振荡器频率稳定度及一致性较差，即使采用高品质微调电容，温差变化及振动也很难保证已调好的频点不会发生偏移。无线接收电路由Q1、Q2、LM358及接收天线组成，这种电路的优点在于：（1）天线输入端有选频电路，而不依赖1/4波长天线的选频作用，控制距离较近时可以剪短甚至去掉外接天线。（2）输出端的波形在没有信号比较干净，干扰信号为短暂的针状脉冲，而不象其它超再生接收电路会产生密集的噪声波形，所以抗干扰能力较强。（3）模块自身辐射极小，加上电路模块背面网状接地铜箔的屏蔽作用，可以减少自身振荡的泄漏和外界干扰信号的侵入。（4）采用带骨架的铜芯电感将频率调整到315M后封固，这和采用可调电容调整接收频率的电路相比，温度、湿度稳定性及抗机械振动性能都有极大改善。可调电容调整精度较低，只有3/4圈的调整范围，而可调电感可以做到多圈调整。可调电容调整完毕后无法封固，因为无论导体还是绝缘体，各种介质的靠近或侵入都会使电容的容量发生变化，进而影响接收频率。另外未经封固的可调电容在受到振动时定片和动片之间发生位移；温度变化时热胀冷缩会使定片和动片间距离改变；湿度变化因介质变化改变容量；长期工作在潮湿环境中还会因定片和动片的氧化改变容量，这些都会严重影响接收频率的稳定性，而采用可调电感就可解决这些问题，因为电感可以在调整完毕后进行封固，绝缘体封固剂不会使电感量发生变化。电路如图10

4.9 驱动电路

驱动电路主要由U04(2003)及继电器组成，电路如图11

4.10 LCD显示字符图（图12）

LCD显示分成四个区，温度显示区、湿度显示区、空气质量显示区和时钟显示区，字符如图14

5 软件设计

本控制系统的软件主要实现数据的采集、控制等功能，软件采用模块化设计，以利于软件的兼容性、可维护性及移植性。根据控制系统的功能要求，将软件按分时处理进行模块化设计，软件设计主要分为主程序、自动控制子程序、手动控制子程序、温、湿度读取子程序、显示子程序和输出控制子程序。图13为主机主程序流程图，图14为手动控制子程序流程图，图15为从机主程序流程图。

6 结束语

本文研究的温度、湿度及空气质量监测集中控制系统，采用无线集中的控制方式，可实现对多个参数的实时监视与控制。采用温湿度一体化的数字传感器同时实现温度和湿度的测量，系统具有可无人值守，节约资源，可靠性高，成本低的优点，试验运行良好，具有广阔的应用和推广前景。本设计优点：（1）采用无线集中的控制方式，实现多个空气参数的无线监控，无须布置通信电缆，管理方便，维护简单；（2）系统可无人值守，节约人力、物力资源，（3）采用的SH10型数字温湿度传感器，具有硬件结构简单、响应速度快、抗干扰能力强等特点。系统可靠性高，成本低。本设计缺点：无线发射主机和无线接收从机单向通信，无线接收从机为被动控制。

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[7]张洪润.单片机应用设计200例（上册）.北京航天航空大学出版社，2006.

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[9]24C02中文资料.pdf