分布式远程温湿监控系统的设计

摘  要：文中提出的分布式远程温湿度监控系统设计，主要由51单片机、DHT11温湿度传感器、NRF905无线传输模块等构成，其中51单片机是监控系统的控制核心。综合运用传感器技术和无线通信技术，利用安放在分布节点的温湿度传感器对周围环境数据进行采集，并将采集到的数据传输到51单片机，达到全方位监控温湿度环境的目的，同时克服传统监测系统布線困难，传输距离受限等缺点。

关键词：51单片机;温湿度传感器;NRF905;分布节点

中图分类号：TP274      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2021）01-0164-04

Design of Distributed Remote Temperature and Humidity Monitoring System

LIN Junping

（Fujian Chuanzheng Communications College，Fuzhou  350007，China）

Abstract：The distributed remote temperature and humidity monitoring system design proposed in this paper is mainly composed of 51 single chip microcomputer ，DHT11 temperature and humidity sensor，NRF905 wireless transmission module，among them 51 single chip microcomputer is the control core of monitoring system. Through comprehensive adopting of sensor technology and wireless communication technology，using the temperature and humidity sensor which are installed in the distributed nodes to collect the surrounding environment data，and transmit the collected data to 51 single chip microcomputer，so as to achieve the goal of all-round monitoring of temperature and humidity of environment，and overcomes the shortcoming that the traditional monitoring system has difficulties in arrangement of wires and is limited in transmission distance.

Keywords：51 single chip microcomputer;temperature and humidity sensor;NRF905;distributed nodes

0  引  言

目前，高校的实验室、企业的机房或设备房为了避免设备出现故障，设备温度过高发生火灾，通常需要安排人工值班看守。笔者从事计算机，电子信息专业教学工作多年，并指导学生专业实践教学，根据相关经验总结提出本文的分布式远程温湿度监控系统，可应用在高校或企业的实验室或设备房，通过温湿度采集模块采集多地点的环境温湿度，通过NRF905无线传输模块将数据传输到监控端，通过显示模块显示不同位置的温湿度，工作人员根据收集到的数据做出相应的分析和处理，无须现场操作，就可实现同时监控不同位置的环境温湿度。传统的温湿度测量技术基于有线电缆，且测量方法主要为手工测量，采集数据不够准确，测量精度受到限制，设备部署实施困难且不易实现智能化。

文中提出的系统所涉及技术的部署方法简单，节点可被大规模安装，采集到温湿度数据的同时还可以起到预警和监测的作用，包括对地质灾害的预警以及对检测区域内的人类和动物活动规律的检测，为大范围的采集与监测环境中的温湿度数据提供了可能[1]。

1  系统总体设计

系统主要实现分布式远程温湿度监控功能，它是运用51单片机作为控制核心，DHT11温湿度传感器作为数据采集模块，NRF905无线传输模块作为辅助器件的应用系统。系统总体设计原理框图如图1所示。

系统总体构成主要包括硬件部分和软件部分。

1.1  硬件部分

本分布式远程温湿度监控系统的硬件部分主要是由：51单片机控制单元、DHT11温湿度检测模块、NRF905无线传输模块与接口和电源部分、LCD12864液晶显示器、报警模块等几大部分组成。利用51单片机控制DHT11温湿度检测模块采集温湿度，利用NRF905无线传输模块进行发射和接收，具体实现功能有：

（1）通过安放在分布节点的温湿度传感器对周围环境的温湿度数据进行采集。

（2）将采集到的温湿度数据通过NRF905传输给51单片机。

（3）接收端通过LCD12864显示数据，当温湿度达到警戒值时蜂鸣器将进行报警。

1.2  软件部分

软件设计部分主要由：数据分析部分、无线通信部分、分析控制部分、显示部分构成。

2  硬件电路设计

2.1  系统控制核心硬件设计

该设计的系统控制核心采用单片机最小控制系统，即应用最少的器件使得51单片机运行起来的最小电路系统。最小系统中包含有时钟源电路、复位电路、电源、51单片机主芯片、程序下载电路、I/O口的负载电路，原理图如图2所示。

2.2  温湿度传感器

设计中选用DHT11温湿度传感器，该传感器采用专业的数字模块采集技术与温湿度传感技术，利用单一总线的数据格式进行传输，时间约为4 ms，一次数据传输为40 bit，它能将模拟信号转换为数字信号，与其他产品相比具有很高的稳定性与可靠性，它的典型应用如图3所示。

具体特点有：

（1）DHT11温湿度传感器中具有一个高性能的8位单片机，对所采集到的温度与湿度数据能进行快速响应与处理，同时还具有较强的抗干扰能力。

（2）DHT11温湿度传感器内含有已校准数字信号，其校准系数十分精确，并且存放在OTP内存中，在内部检测型号处理时需要调用到这些校准系数。

（3）DHT11温湿度传感器具有一线制的串行接口，因此该温湿度传感器在与51单片机进行通信时仅仅需要一个I/O口，这样使系统整体集成变得简洁。

（4）DHT11温湿度传感器具有体积小、功耗低等特点[2]。正是由于低功耗、小体积，信号传输距离较远的特点，才让它成为各类应用场所最佳选择。

2.3  NRF905模块

针对有线连接方式不易安装这一点，无线连接方式优势凸显，我们使用无线通信方式对采集到的温湿度数据进行发送与接收。本设计采用的无线通信模块是由挪威Nordic VLSI公司推出的单片射频发射器芯片——NRF905。

NRF905无线收发模块是RTU和主机的一个共同模块，为其独立设计一个接口电路板，有利于产品的批量生产。模块带有标准的SPI总线接口，通过SPI接口和一些控制信号线与MCU交互，MCU的4个I/O口与NRF905的SPI接口相连实现对NRF905进行读写[3];NRF905模块与51单片机的接线原理图如图4所示。

2.4  显示电路设计

分布式远程温湿度监控系统利用LCD12864液晶模块进行显示。电源可使用的范围为3 V～5 V（内置升压电路，无须负压），由于有涉及到画曲线，因此采用8位并行与MCU连接。VR1脚接电位器，可以调节亮度，如图5所示。

2.5  报警电路设计

系统报警模块是利用蜂鸣器作为警报，当蜂鸣器P3.7= 1时，Q1导通，蜂鸣器就会发出警报声。当蜂鸣器P3.7=0时，Q1不导通，蜂鸣器就不发出警报声。在温湿度数据超过额定要求范围时，可以作为报警提醒，其中蜂鸣器电路图如图6所示。

3  系统软件设计

3.1  接收模块设计

系统采集的是两路信号，上电后分别对LCD液晶显示器和NRF905无线传输模块进行初始化，然后配置NRF905为接收模式，等待采集节点发来的无线数据，只要其中任何一路一旦接收到数据，则接收到的数据就会显示到LCD显示屏上，如果温度数据大于警戒阈值，则启动蜂鸣器进行报警。之后进入下一个循环，开始等待无线数据。接收模块流程图如图7所示。

3.2  发送模块设计

上电后对NRF905进行初始化，配置无线模块NRF905的寄存器，然后开始循环监测温湿度。节点首先通过DHT11温湿度传感器进行读取温湿度数据，然后配置NRF905无线传输模块为发送模式，监测NRF905无线模块的CD引脚，若为高电平表示有数据正在发送，此时进入延时等待，如若是低电平则将当前数据发送出去，然后准备进入下一轮循环。发送模块流程图如图8所示。

3.3  液晶显示程序设计

上电后需判断LCD液晶显示器是否忙碌，如若忙碌则继续进行判断，直到不忙碌为止。如若不忙碌则开始写指令，写数据，设置显示后进行初始化，初始化后LCD液晶显示器进行显示。液晶显示程序流程图如图9所示。

3.4  温湿度采样程序设计

对于温度湿度的控制，当温湿度高于或者低于设定值时，警报都会进行报警。上电后进行初始化，DHT11温湿度传感器将采集到的模拟信号转换为数字信号进入数据处理模块。温湿度采样程序流程图如图10所示。

4  结  论

随着自然科学的快速发展，新技术、新理念不断涌现，将无线通信技术与传感器相结合在温湿度监测领域的应用越来越广泛，文中提出的设计方法，与传统监测方法相比，可以提高数据采集的准确性，解决传统有限设备部署实施困难，传输距离受限等问题，但是在实际应用中还存在不足，无线传输方式单一，需要进一步改进。

参考文献：

[1] BIAGIONI E S，Bridges K W.The Application of Remote Sensor Technology to Assist The Recovery of Rare And Endangered Species [J].International Journal of High Performance Computing Applications，2002，16（3）：315-324.

[2] 楊文奇，刘希光，郭彦克，等.温室环境物联网监测系统的设计 [J].中国农机化学报，2017，38（4）：105-108+140.

[3] 吴进静，许仙明.单片机原理及应用教程 [M].北京：人民邮电出版社，2014：15-77.

作者简介：林君萍（1984—），女，汉族，福建福州人，讲师，硕士研究生，研究方向：计算机应用、数据挖掘与分析。