李 伟，陈泽军，黄艳芳，黄松涛

（北京石油化工学院 北京 102617）

基于CC430与PIC24FJ256的无线温湿度监测系统设计

李 伟，陈泽军，黄艳芳，黄松涛

（北京石油化工学院 北京 102617）

为实现工业生产领域环境温湿度监测的需求，提出了一种基于近端无线网络传输和远程GPRS数据传输的监控系统设计方案，并完成了系统软硬件设计。无线数据采集节点以集成RF收发模块的CC430F5137为控制核心，采用温湿度传感器SHT75实现了温湿度测量功能；终端RTU选用自带USB模块的PIC24FJ256GB106为控制器，完成了采集节点上传测量数据的实时存储、显示以及远程GPRS传输。试验结果表明，该监控系统控制精度和测量精度高，具有工作稳定及功耗低的优点。

温湿度；监控系统；CC430；无线网络传输；GPRS

在许多工业生产场合环境温湿度指标会对生产效率以及产品质量产生重要影响，而在易爆易燃场合空气参数中温湿度指标更是关系到生产运行的安全性，为避免发生安全事故，提高生产效率和产品质量，对工业生产场合重要区域的温湿度进行有效监测是安全生产运行的重要保障。

传统的温湿度监测系统通常采用有线方式建立，该方式存在布线困难，维护不便且可移动性差等显著缺点，无法适应现代化生产场合智能化管理的要求［1-2］。考虑到无线传感网络具有维护简单、组网灵活且易实现智能化管理等特点，将分布在不同监测区域的大量传感器节点，以无线通信的方式构建监测网络，可以克服传统监测方式所带来的弊端。为此，本研究采用微功率无线通信方式组成小规模短距通信网络，并使用 GPRS（通用分组无线服务技术）进行数据远程传输，从而实现多节点温湿度监测功能。

1 总体方案设计

针对实际场合对监测系统的功能要求，设计出的监测系统整体结构如图1所示。系统总体由远程监控上位机系统以及包含若干现场传感器节点和多功能终端设备RTU的下位机子系统构成，每个终端设备 RTU对应多个现场传感器节点，RTU与传感器节点之间通过微功率无线通信方式组成通信网络。远程监测PC系统通过GPRS与终端设备RTU进行通信，从而实现数据远程传输、实时显示以及异常报警等功能。系统工作时，终端设备RTU可根据设定的温湿度参数目标值，控制温湿度调节设备运行状态，达到对指定区域温湿度进行调节的效果。

2 系统硬件设计

本监测系统中硬件部分主要由无线数据采集节点和多功能终端RTU构成，下面重点介绍该部分的硬件设计实现方式。

图1 系统总体结构图Fig.1 Structure diagram of the power control unit test system

2.1 无线数据采集节点

无线数据采集节点的主要任务是对环境温湿度进行测量，并通过无线通信方式将测量数据发送至多功能终端设备RTU，其组成部分主要包含传感器模块、微控制器模块以及无线数据传输模块，无线数据采集节点硬件组成如图2所示。

图2 无线数据采集节点硬件组成Fig.2 Hardware structure of wireless data acquisition node

为满足系统温湿度测量范围及测量精度要求，选用瑞士Sensirion公司推出的集温度测量和湿度测量功能于一体的SHT75传感器，其采用CMOSens专利技术，能够在-40℃～123.8℃温度范围和0～100%RH湿度范围内实现高精度的温湿度测量，典型的温湿度测量精度分别可达±0.3℃和±1.8% RH。该传感器在精确的湿度腔中进行标定，经两线制串行I2C总线输出，具有体积小、功耗低且抗干扰能力强的特点［3］。

为满足系统低功耗需要，并兼顾简化系统硬件设计要求，微控制器模块和无线数据传输模块选用德州仪器公司集成了RF收发器内核的超低功耗微控制器片载系统系列产品CC430F5137，该控制器可在1.8～3.6 V的宽电压范围内工作，当其工作于433 MHz频段以1.2 kbps速率发送数据时，电流消耗仅为16 mA（在待机模式和关闭模式时电流分别为1.8 μA 和1.0 μA），适合于长时间由电池供电的工作环境［4］，完全可以满足系统低功耗设计需要。在本系统中，为进一步降低系统功耗延长电池供电时间，无线数据采集节点未被唤醒时使控制器处于低功耗模式（LPM3），被唤醒后则将控制器转入活动状态完成温湿度测量并上传测量结果。该控制器中射频模块可工作在多个频段，本系统中将其设置成433 MHz频段上，其在空旷场地传输距离可达数百米（增加路由设备后能实现1 km距离数据传输），可以满足系统传输距离要求。

由于每个RTU终端与多个无线数据采集节点之间采用轮流唤醒方式进行无线数据传输，为同一区域不同数据采集节点进行区分，需要对每个节点设备分配不同的地址编码。系统采用8位拨码开关来设置每个节点设备的地址，确保每个节点对应唯一的地址编码。

此外，为满足对温湿度进行调节的设计需要，在同一区域除设有若干数据采集节点外，还须配备温湿度调节节点，其组成与数据采集节点类似，仅将传感器部分换成温湿度调节控制电路部分即可。

2.2 多功能终端RTU

多功能终端RTU需要实现对从各无线数据采集节点所获取数据的实时显示、存储以及远程传输等功能，其硬件组成如图3所示，主要由微控制器模块、触摸屏模块、存储模块、无线数传模块、GPRS数据通信模块以及其它辅助功能模块构成。

图3 终端RTU硬件组成Fig.3 Hardware structure of terminal equipment RTU

在本系统中，考虑到便于实现USB数据存储功能以及多路UART异步串行通讯的设计需要，选用美国Microchip公司的16位高性能低功耗微控制器PIC24FJ256GB106作为终端设备控制核心，由于其自带USB功能模块，无须采用外部接口电路即可很方便地实现USB数据存储功能，且该控制器能提供多达4路通用异步串行端口，因此可极大程度上简化系统硬件设计。此外，该控制器所独有的引脚配置功能，使得其相对于其它处理器而言，在IO端口和外设功能使用方面具有较强的灵活性［5］，给硬件设计和软件调试提供了便利。

为保证与无线数据采集节点中无线收发模块的一致性，在RTU终端设备中选择基于C1101芯片的微功率无线收发模块，该模块采用SPI接口与微控制器进行通讯。GPRS模块选用应用广泛的SIMCOM公司通讯模块SIM300C［6］，由于设计中只需要用到该模块的GPRS无线数据通讯功能，其短信收发和语音通信功能均未用到，故设计SIM300C模块硬件电路时仅保留GPRS数据传输功能的硬件部分。SIM300C模块硬件设计电路主要包含串口通讯单元、SIM卡接口单元和开关机电路：串口通讯单元与微控制器进行数据传输时，由于两者通信电平一致，故只需将模块提供的数据发送接收TXD 和RXD与控制器UART0单元引脚交叉互联即可；SIM300C模块与SIM卡的数据连接线须串接22 Ω电阻进行阻抗匹配，以提高数据传输稳定性。

为便于实时显示无线数据采集节点所上传的数据，选用威纶通触摸屏MT6070IH实现人机交互功能，该触摸屏提供RS232/485接口与控制器进行通讯，在本设计中为提高系统的抗干扰能力，采用RS485方式实现串口通讯功能，须采用MAX485电平转换芯片完成微控制器与触摸屏之间的电平转换。

3 监测系统软件设计

本监测系统中软件设计部分包含无线数据采集节点软件设计、多功能终端RTU软件设计、触摸屏显示界面以及上位机监控界面设计，下面主要就前两部分的软件设计思路进行介绍。

3.1 数据采集节点软件设计

无线数据采集节点控制器软件设计主要由温湿度数据采集部分和无线数据收发部分组成。系统上电后首先进行初始化工作：配置I2C总线和UART异步串行通讯端口寄存器，设定通讯波特率及相应中断功能；设置无线收发模块寄存器，将射频发送载波频率和数据通信速率分别设定为433 MHz 和2.4 kbps，并使能地址检测功能。控制器初始化完毕后会向终端RTU设备发起连接请求，并等待RTU设备应答。为降低系统功耗，连接成功后将控制器设定为功耗极低的无线唤醒（WOR）模式，并使能总中断允许位；当通过无线收发中断接收到数据请求后，控制器转入正常工作模式，驱动SHT75传感器进行数据采集，然后对获取到的数据进行运算处理还原为实际的温湿度参数，并将其上传至终端RTU设备。无线数据采集节点主程序流程图如图4（a）所示。

图4 软件流程图Fig.4 Flow chart of the software

3.2 终端RTU软件设计

终端设备RTU部分是整个监测系统的核心，需要利用控制器提供的异步串行端口（UART0和UART1）、SPI串行端口（SPI1）以及USB端口完成触摸屏人机交互、远程GPRS数据和近端无线数据的收发以及USB数据实时存储等部分的软件设计，该部分主程序流程图如图 4（b）所示，软件设计在MAPLAB IDE编程开发环境中完成。系统上电初始化部分需要使用引脚配置功能将外设映射到所选用IO端口，并设定各外设波特率、合理安排对应中断触发功能。

4 实验应用

将该监控系统用于实际试验区域进行测试，选取3个不同区域分别设定温湿度目标值，每个区域内放置5个无线数据采集节点，并将测量结果与台湾泰玛斯TM-185温湿度记录仪相对照，检验该监控系统测量精度以及控制精度，监测系统测试结果如表1所示。从表1中数据可以看出，所选监控区域的实测温度与目标温度之间的控制误差在±1.5℃以内，而湿度控制误差在±5%RH以内，能够满足预定控制要求。而与所选温湿度记录仪相比较，温度测量误差均在正常测量误差允许范围内。

表1 监测系统测试结果Tab.1 Test result of monitoring system

5 结 论

文中基于近端无线网络传输和远端GPRS数据传输的设计方案，实现了易于智能化管理的温湿度监控系统，试验测试结果表明，该监控系统控制精度和测量精度均达到了设计要求，具有通信可靠、功耗低、组网方便易于扩展等优点，能够有效解决传统温湿度监控方案存在的布线复杂、灵活性差等问题，可广泛应用于不同工业领域的温湿度监控场合。

［1］赵建华，曹超.一种远程的无线环境温湿度检测系统［J］.西安工业大学学报，2012，32（4）:340-344.

［2］何学文，孙汗，曹清梅.金属矿井无线温湿度监测系统设计［J］.金属矿山，2014，453:116-119.

［3］李富超，陈庆官，杨承帅.蒸化工艺中高温高湿蒸汽温湿度测量仪的研制［J］.纺织学报，2011，32（3）:133-137.

［4］王娟，肖兵，李利军.基于CC430的无线油田监控系统设计［J］.信息技术，2013，4:157-161.

［5］贾西欧.16位单片机C语言编程:基于PIC24［M］.北京:人民邮电大学出版社，2010.

［6］陈振华，陈小燕，刘星毅.基于Zigbee技术的滨海电站温排水监测系统的设计与实现［J］.计算机测量与控制，2013，21 （9）:2400-2402.

Design of wireless temperature and humidity monitoring system based on CC430 and PIC24FJ256

LI Wei，CHEN Ze-jun，HUANG Yan-fang，HUANG Song-tao
（Beijing Institute of Petro-chemical Technology，Beijing 102617，China）

For meeting the need of monitoring temperature and humidity in industrial situation，a design scheme based on wireless network transmission and GPRS data transmission was proposed，and the design of the hardware and software during the system was realized.With CC430F5137 which integrates RF module as core controller，the wireless data acquisition node realized the measurement function of temperature and humidity by using digital sensor named SHT75.The function of real-time storage，display and transmission of measurement data received from data acquisition node were all completed in terminal equipment RTU which selected PIC24FJ256GB106 as controller.The experiment results show that，the monitoring system can achieve high precision control and measurement，and has the advantage of reliable performance and low power consumption.

temperature and humidity；monitoring system；cc430；wireless network transmission；GPRS

TN98

A

1674－6236（2016）04-0158-03

2015-04-22 稿件编号：201504238

北京市教委科技计划面上项目（KM201210017002）

李 伟（1979—），男，湖北天门人，讲师，硕士。研究方向：机电一体化、计算机测控。