基于RFID的控制柜降温除湿系统设计与实现

王娟 张尔东 于广艳

（哈尔滨石油学院 黑龙江省哈尔滨市 150029）

1 绪论

经市场调研发现，目前并没有生产单位可以为设备运维单位提供专用稳定性比较高的设备，这也是让运维单位最痛苦的问题。而且按照发电站领导要求一旦需要应急降温的时候，必须要有专人看守，有时候天气比较恶劣的时候，运维人员必须要把风扇搬回屋内[1]。为了可以帮助运维单位解决这个问题，设计一个基于RFID 的控制柜降温除湿装置。

2 系统总体方案的设计

设计的基于RFID 的控制柜降温除湿装置其主要功能就是通过RFID 射频无线通信模块NRF24L01 完成信息的交互，其主要信息包括控制柜内的温湿度参数和一些特定的辅助功能包括将采集到的温湿度进行实时显示，按键设定控制柜内的参数阈以及报警功能[2]。这些功能都通过主控制器STM32F103 进行逻辑控制，如图1所示主要研究了系统整体结构。

系统方框图简述：其主控制器就是STM32F103RCT6 单片机，外围是一些辅助电路包括时钟振荡电路、复位电路以及各种外部接口构成单片机最小系统。实现采集功能的电路包括有温湿度采集功能，为了用户增加别的需求预留了I/O 口。数据的无线通信模块是通过NRF24L01 模块完成的，该无线模块的原理是射频。无线模块接收到信息后会在显示器上显示供控制中心的人查看。然后控制柜上的显示器也会将采集到的数据在控制柜上显示，供巡逻的人查看。按键时用来让变电站工作人员进行参数阈值设定的，保证控制柜内的环境参数不会超过设定的范围。控制柜内的调节装置调节不了的时候则发出报警[3]。

3 系统硬件电路的设计

3.1 主控制器电路的设计

选择使用的主控制器是STM32F103RCT6，有32 位的处理器，工作频率最高可达72M，有非常丰富的存储功能。可以是RAM、ROM、Flash 存储器，本文需要一个比较大的程序存储器，而STM32F103RCT6 内部FLASH 有256K，并且其I/O 口数量达到100 以上，属于发展比较迅速的ARM 处理器。开发难度较低，并可以在复杂的控制领域进行使用[4]。

3.2 NRF24L01模块电路

接收模式下NRF24L01 模块可以接收最多6 路的信息，这几个通路需要被配置为不同的地址，在进行数据通信的时候使用同一个频段。这个配置就是说可以将6 个NRF24L01 模块配置为发送模式，然后一个配置为接收模式，这个接收模式的模块可以同时与这6 个模块进行通信，在进行数据接收的时候会对这6 个发射端进行识别。发射模式下只要主控制器将数据发送过来，NRF24L01 模块就会启动增强ShockBurs 模式来完成数据发送[9]。当数据发送完毕后紧接着会进入接受模式，接收对方的应答信号，如果没有接收到对方的应答信号，则证明发送失败，该模块会继续发送信息[5]。

图1：系统结构框图

3.3 显示电路的设计

本文选择的显示器是目前比较流行的显示屏LCD1602，该显示屏主要的控制引脚包括使能端、读写、数据指令端、数据端，这些引脚都是需要与控制器进行连接的，主控制器可以根据该显示屏的读写时序进行程序的开发，然后就可以控制数据的显示。

3.4 温湿度采集电路的设计

为了了解变电站控制柜内的温度湿度的情况。现在比较常用的精度比较高的温湿度传感器就是DHT11。这种传感器的不需要主控制器进行AD 转换，其内部就可以完成数据的转换，然后通过单总线的方式将数字量上传到控制器，所以数据的采集比较简单。

3.5 调节电路设计

为了保证控制柜内部的环境参数在工作人员设定的范围内，本次设计在控制柜降温除湿系统中设计了温度湿度调节装置。由于这些装置设备功率比较小，所以对这些设备的控制不是直接通过控制器的IO 口来完成的，是通过加继电器的方式其原理就是利用继电器线圈励磁产生电磁力对继电器开关接点进行控制。从而间接对这些设备进行控制。可以在这个闭合回路里加上加热器除湿，利用继电器辅助接点对加热器开关进行控制[6]。

3.6 键盘电路的设计

设计的基于RFID 的控制柜降温除湿装置中，按键的主要功能是让变电站工作人员在变电站开始工作时，对控制柜内的温度、湿度的极限值进行设定。由于本次设计选择使用的是独立按键，所以其相互之间都是独立工作的，本文设计的按键电路时将其一端与地进行连接，另一端与主控制器进行连接，主控制器在正常工作的时候其IO 口都是高电平，但是按键一旦按下对应的IO 口就会被拉低，控制器检测到电平的变化就会知道按键被按下，然后执行其控制的功能。

3.7 下载电路的设计

RS-232 作为现在比较流行的串行通信手段，因较简单的通信方式所以被很多的地方都使用，这种串行通信接口在单片机中主要是被用来进行程序烧写的，另外有串口之间输出的电平是不被识别的，所以需要进行电平的变化，在微控制器中比较常用的就是MAXS3，由于其比较稳定的输出电平，而被广泛的使用，尽管这种通信方式的速率不是很快，但单片机程序的烧写也用不到那么快的速率，所以用该通信方式是非常合适的。

3.8 报警电路的设计

在本文设计的系统当中报警电路主要是为了保证在当降温除湿系统不能调节控制柜内的温度湿度参数在设定范围内时，会发出警报提醒工作人员。

4 系统软件设计

根据设计完成的控制柜降温除湿系统的功能，需要进行软件程序的开发，而且程序设计是否严谨对于后续的系统的功能稳定是非常有帮助的，所以在正式进行软件开发之前需要对主程序及各个子程序的执行流程进行设计。

4.1 主程序流程

该本文主要介绍的是基于RFID 的控制柜降温除湿装置的设计，通过按键对控制柜内的温度、湿度进行设定。设计思路：用户可通过按键选择设置温度、湿度参数，该装置会实时采集控制柜内的这些参数的值通过NRF24L01 模块发送同时会通过显示器显示出来，一旦控制柜内的参数不能控制在工作人员设定的范围内就会发出报警[7]。

4.2 RFID主模块通信流程

基于RFID 的无线模块进行数据的传输时，是通过主从的模式进行数据控制的，主机主要是在现场进行工作，将主控制器采集到的数据通过主机通信模块上传到从机，其主要的工作流程为对通信模块进行初始化，然后识别是否有采集到的数据需要上传，有则发送传输指令给从机，然后完成数据的传输[8]。

5 系统测试与分析

本章主要是对设计完成的系统的硬件电路进行焊接，然后对软件进行在线调试，以验证设计完成的控制柜降温除湿系统是否满足设计要求功能是否可以全部实现。

5.1 系统焊接

完成控制柜降温除湿装置的软件设计之后，需要对硬件部分进行焊接，主要包括对STM32 最小系统的焊接以及温湿度采集电路、无线通信模块、按键、显示器的设计，这些硬件模块都需要焊接在同一块电路板上，因此各个元件之间相对比较密集，焊接者在电路焊接的时候如果不注意就会出现线路的断路或者是短路情况，而这些情况的存在小则会导致系统工作不正常，大则会导致系统直接被烧毁。为了可以对这些问题加以防范，所以在进行电路板上电之前，设计者应该仔细观察电路图，然后用万能表对所有的线路进行检测，以保证焊接精准准确无误。系统焊接检测完成后，对设计的控制柜降温除湿系统上电，调试结果如图2所示。

图2：实物调试图

6 结论

本次设计对设计控制柜降温除湿装置的原因做了介绍，在此基础上设计了基于RFID 的控制柜降温除湿装置，该装置采集部分主要用到的技术是传感器技术、模数转换技术等。设计的难点是RFID 无线通信技术，由于要对高速的数据进行操作，对主控制器要求比较苛刻，不仅要求其操作速度快，而且要求其内部集成有比较大的程序存储器FLASH，才能保证在采集的过程中数据不会丢失。