【正文】 on Arduino was designed. Focused on Arduino UNO , we programed the Arduino UNO for sending the sensor data to public server. Tests show that this kind of design provide environmental condition monitoring system more economy and convenient. Keywords: Arduino UNO。如果使用一般有線的控制布線，則施工勞動強度大，投資 大。近年來，隨著 單片機 功能的日益強大和計算機的廣泛應(yīng)用，溫濕度監(jiān)測的準(zhǔn)確性，穩(wěn)定性，要求越來越高。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 3 無線通信技術(shù)的發(fā)展及研究現(xiàn)狀 無線通信技術(shù)已經(jīng)在我們的日常生活中得到了廣泛的應(yīng)用，目前應(yīng)用廣泛的短距離無線通信技術(shù)主要有 IEEE80 WLAN、藍(lán)牙、 ZigBee、 NRF240微功率短距離無線通信技術(shù)等。 格低廉，但速率較低 (最高 11Mbit/s)：而 優(yōu)勢在于傳輸速率快 (最高 54Mbit/s)且受干擾少，但價格相對較高。 目前，藍(lán)牙設(shè)備在無線耳機、無線鍵盤等領(lǐng)域應(yīng)用較多，但其國內(nèi)市場的推廣仍然十分不夠，其最大障礙是成本依然很高，藍(lán)牙模塊購買價格昂貴。另外該系統(tǒng)屬于無線通信系統(tǒng)，因此也需要對數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃赃M(jìn)行驗證。這就要每個設(shè)備在監(jiān)控的同時必須能夠?qū)崟r更新。主控機與分機采用主從式分布結(jié)構(gòu)，通過無線通信方式進(jìn)行通信。在多點溫濕度檢測的場合，各被測點到測試裝置之間引線距離往往不同，各敏感元件參數(shù) 的不一致性，都將會導(dǎo)致誤差的產(chǎn)生，并且難以完全清除。 系統(tǒng)控制及數(shù)據(jù)處理模塊方案 溫濕度數(shù)據(jù)在采集后通常要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的記錄、顯示和對測控系統(tǒng)的控制。要了解 Arduino就先要了解什么是 單片機 ， Arduino 平臺的基礎(chǔ)就是 AVR 指令集的單片機。例如： Parallax Basic Stamp， Netmedia’s BX24， Phidgets， MIT’s Handyboard 和其沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 9 它等等提供類似功能的。對于老師們來說，一般都能很方便的使用 Processing 編程環(huán)境，所以如果學(xué)生學(xué)習(xí)過使用 Processing 編程環(huán)境的話，那他們在使用 Arduino 開發(fā)環(huán)境的時候就會覺得很相似很熟悉。在Arduino 能夠滿足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)處理速度要求的情況下，無異是首選的信息處理單元；當(dāng)然，也可以采取嵌入式的 單片機 。同軸傳輸缺點：受環(huán)境氣候影響，不能遠(yuǎn)距離傳輸，抗干擾能力差。無線收發(fā)芯片的可靠性高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強，通訊協(xié)議簡單透明，技術(shù)成熟。 本系統(tǒng)選用 NRF2401作為無線數(shù)據(jù)傳輸芯片。測溫范圍為 55℃ 一 +125℃ ，具有10位數(shù)字輸出溫度值，分辨率為 ℃ ，精度為 177。 （ 3） MAX6575L/H是美國 MAXIM公司的一種單總線式數(shù)字溫度傳感器，具有較好的線性、較低的功耗，而且編程簡單，調(diào)試容易，使用方便。℃ ，由于每一個 DSl8820出廠時都刻有唯一的一個序列號并存入其ROM中，因此 CPU可用簡單的通信協(xié)議就可以識別，從而節(jié)省了大量的引線和邏輯電路。超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達(dá) 20米以上，使其成為各類應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場合的最佳選擇。 溫濕度采集部分電路設(shè)計 （ 1） 典型應(yīng)用電路中建議連接線長度短于 20米時用 ，大于 20米時根據(jù)實際情況降低上拉電阻的阻值。 單總線傳送數(shù)據(jù)位定義 ： DATA 用于微處理器與 DHT11 之間的通訊和同步 ,采用單總線數(shù)據(jù)格式，一次傳送 40位數(shù)據(jù)，高位先出。 步驟一 ： DHT11 上電后（ DHT11 上電后要等待 1S 以越過不穩(wěn)定狀態(tài)在此期間不能發(fā)送任何指令），測試環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)，并記錄數(shù)據(jù)，同時 DHT11 的 DATA 數(shù)據(jù)線由上拉電阻拉高一直保持高電平；此時 DHT11 的 DATA 引腳處于輸入狀態(tài)，時刻檢測外部信號。 （ 2）光線影響 長時間暴露在太陽光下或強烈的紫外線輻射中，會使性能降低。嵌入式工程師或是單片機愛好者只需要為單片機系統(tǒng)預(yù)留 5 個GPIO， 1 個中斷輸入引腳，就可以很容易實現(xiàn)無線通信的功能，非常適合用來為 MCU 系統(tǒng)構(gòu)建無線通信功能。主要有以下幾個狀態(tài) （ 1） Power Down Mode：掉電模式 （ 2） Tx Mode：發(fā)射模式 （ 3） Rx Mode：接收模式 （ 4） Standby1Mode：待機 1 模式 （ 5） Standby2 Mode：待機 2 模式 上面五種模式之間的相互切換方法以及切換所需要的時間參照圖 。 PRIM_RX=1。 NRF2401 的輸入數(shù)字信號 DIN端與微處理器 Arduino的 TXD端相連，需發(fā)射的串行數(shù)據(jù)由 DIN輸入；DOUT輸出數(shù)字信號與 Arduino的微控制器的 RXD相連， NRF2401解調(diào)出來的信號由DOUT 輸出到微處理器： PWRUP 為模式選擇與微處理器的 P1． 1 相連， PWR_UP=I時 NRF401正常工作；當(dāng) PWR＿ UP=0時芯片處于待機模式，此時工作電流為 8uA不能進(jìn)行接收和發(fā)射數(shù)據(jù)。比如發(fā)射芯片選擇集成化程度高、體積小的收發(fā)芯片 nRF401 等。最后通過主程序和中斷處理程序?qū)⒏鞒绦蚰K連接起來。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 27 圖 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 28 圖 下位機結(jié)構(gòu)圖 軟件可以采用 Arduino 官方提供的語言以及封裝的庫函數(shù)來實現(xiàn)初始化、數(shù)據(jù)采集處理、溫度管理和對設(shè)備的處理。本系統(tǒng)軟件的設(shè)計采用模塊化設(shè)計使設(shè)計思路明確，且便于調(diào)試和修改。 但是，對該系統(tǒng)的研究還存在一些問題需要解決。 同時感謝一起研究無限溫濕度測控的同學(xué)們，在學(xué)習(xí)中我們相互幫助，互相激勵和關(guān)心。 感謝沈陽理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院所有的領(lǐng)導(dǎo)和老師這四年的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)對我非常重要，是你們讓我能夠靜靜地坐下來，在知識的海洋里吸取更多的營養(yǎng)，從而能夠為自己進(jìn)一步地加油充電。 同時由于本課題研究的內(nèi)容需要的知識面寬，涉及的計算機硬件和計算機軟件，其所含的技術(shù)多，其工作量也較大，是一個復(fù)雜而艱巨的系統(tǒng)工程，需要一個長期努力才能使其系統(tǒng)功能盡善盡美。傳統(tǒng)溫濕度測量方法只適合于采集變化范圍較小的情況，對于多點大范圍變化的溫濕度數(shù)據(jù)采集來說，采用傳統(tǒng)溫濕度采集方法，遠(yuǎn)距離傳輸會引起較大的誤差。上位機定時接收測控單元發(fā)送的采集信號，保存并實時顯示。系統(tǒng)設(shè)計根據(jù)以上的需求分析，可以把整個系統(tǒng)分成 3個功能模塊，分別是參數(shù)設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)采集處理模塊、數(shù)據(jù)存儲管理控制模塊。 電源的干擾與抑制 數(shù)字電路信號電平轉(zhuǎn)換過程中會產(chǎn)生很大的沖擊電流，在傳輸線和供電電源內(nèi)阻上產(chǎn)生較大的壓降，形成嚴(yán)重干擾 。 CS為信道選擇輸入，通過微處理機 P1． 2端進(jìn)行控制 CS=0表示芯片工作在信道 0(433． 92MHz)，CS=1則工作在信道 l(434． 33MHz)。 （ 4) IRQ 引腳會在以下三種情況變低： Tx FIFO 發(fā)完并且收到 ACK（使 能 ACK 情況下） Rx FIFO 收到數(shù)據(jù) 達(dá)到最大重發(fā)次數(shù) 將 IRQ 接到外部中斷輸入引腳，通過中斷程序進(jìn)行處理。（過程見 與 Rx 的配置過程） 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 21 配置參數(shù)在 Power Down 狀態(tài)中完成。 （ 1） CSN：芯片的片選線， CSN 為低電平芯片工作。在 45℃ 和 10%RH 的濕度條件下保持 2 小時（烘干）；隨后在 2030℃和 70%RH的濕度條件下保持 5小時以上。位數(shù)據(jù) “0”、 “1”格式信號如圖所示： 圖 數(shù)據(jù)格式 結(jié)束信號 ： DHT11的 DATA引腳輸出 40位數(shù)據(jù)后，繼續(xù)輸出低電平 50微秒后轉(zhuǎn)為輸入狀態(tài)，由于上拉電阻隨之變?yōu)楦唠娖健? 注：其中溫濕度小數(shù)部分為 0。否則線路壓降會導(dǎo)致傳感器供電不足，造成測量偏差。連接方便，特殊封裝形式可根據(jù)用戶需求而提供。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。3℃ ，在 85℃ 時優(yōu)于 177。具有體積小、編程簡單、使用容易、測量精度高，并且不易受環(huán)境干擾等優(yōu)點。目前，國際上已開發(fā)出多種數(shù)字溫度傳感器系列產(chǎn)品。無線射頻收發(fā)芯片是整個無線通信模塊單元的核心部件，在設(shè)計中選擇合適的芯片可以提高產(chǎn)品開發(fā)周期、節(jié)約成本可以使研發(fā)過程少走彎路，降低成本，更快地將產(chǎn)品推向市場。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，世界上主要的芯片廠商都推出了無線收發(fā)芯片。根據(jù)通信方式的不同，目前國內(nèi)外主要有有線傳輸和無線傳輸。 Arduino 編程語言可以通過 C++庫進(jìn)行擴展，如果有人想 去了解技術(shù)上的細(xì)節(jié)，可以跳過 Arduino語言而直接使用 AVR C 編程語言（因為 Arduino語言實際上是基于 AVR C的）。 Arduino同樣也簡化了單片機 工作的流程，但同其它系統(tǒng)相比 Arduino在很多地方更具有優(yōu)越性，特別適合老師，學(xué)生使用。 它由一個基于單片機并且開放源碼的硬件平臺，和一套為 Arduino板編寫程序 的開發(fā)環(huán)境組成。專用計算機系統(tǒng)是把采集系統(tǒng)作為一個獨立完整的功能實體，用 Arduino或 DSP來控制整個系統(tǒng) 。 采用具有直接數(shù)字量輸出的傳感器能夠避免上述問題。 總的設(shè)計思路是：從車間入手，根據(jù)車間布局，選擇合適的傳感器、溫度測量模塊、通訊端口、電纜、上位機等，根據(jù)車間的規(guī)格，確定檢測點設(shè)置幾層、每層多少個檢測點等，以決定選取電纜的長度、每根電纜上傳感器的個數(shù)，通訊端口、溫度檢測模塊需要的數(shù)量，上位機的規(guī)格等，實現(xiàn)一個車間溫濕度的自動檢測。該系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)為： （ 1）溫濕度監(jiān)測點若干（以實際需求為準(zhǔn)）； （ 2）測溫范圍： 30℃ ～ +100℃ ； （ 3）測溫誤差： ≤177。 （ 2）在硬件設(shè)計時，結(jié)構(gòu)要盡量簡單實用、易于實現(xiàn)，應(yīng)盡量使用各種總線技術(shù)，以節(jié)約系統(tǒng)有限的 I/O資源，并使系統(tǒng)電路盡量簡單。芯片包括一個完全集成的頻率合成器，功率放大器，晶體振蕩器和調(diào)制器。 為了解決上述問題， IEEE802． II工作組開始定義新的物理層標(biāo)準(zhǔn) 。 是個系列標(biāo)準(zhǔn)。 國外在溫濕度監(jiān)測技術(shù)上已經(jīng)達(dá)到了很成熟的地步，高科技數(shù)字式傳感器廣泛應(yīng)用于溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)。 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 溫濕度監(jiān)測屬于監(jiān)控系統(tǒng)的范疇，近年來，由于計算機技術(shù)以及超大規(guī)模集成電路和通信技術(shù)的發(fā)展，使監(jiān)控系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域，因此，溫濕度監(jiān)測技術(shù)的研究在軟硬件等方面都有了一定的進(jìn)展。Environmental condition monitoring 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 III 目 錄 1 緒 論 .................................................................................................................................... 1 課題研究背景 ............................................................................................................ 1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 .................................................................................... 1 軟件技術(shù) 的發(fā)展 ........................................................................................................ 2 無線通信技術(shù)的發(fā)展及研究現(xiàn)狀 ............................................................................ 3 IEEE802． 11.................................................................................................... 3 藍(lán)牙 (Bluetooth)技術(shù) ........................................................................................ 3 NRF2401 .......................................................................................................... 4 論文的主要內(nèi)容 ...................................................................