摘要：為降低設(shè)計成本,，利用CXA1191" title="CXA1191">CXA1191和SHT11" title="SHT11">SHT11實現(xiàn)了一個無線溫濕度監(jiān)測" title="溫濕度監(jiān)測">溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)。在CXA1191原有的廣播接收功能的基礎(chǔ)上,，巧妙結(jié)合編碼技術(shù),，成功實現(xiàn)了數(shù)據(jù)無線傳輸功能，并選擇SHT11實現(xiàn)高性能的溫濕度采集,。系統(tǒng)的特色在于將成熟的廣播接收技術(shù)與數(shù)字技術(shù)相融合,，具有較高的性價比，很好地滿足了無線溫濕度數(shù)據(jù)采集需求,。
關(guān)鍵詞：無線數(shù)據(jù)傳輸,；CXA1191；編碼,；SHT11

    在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn),、氣象、環(huán)保等部門,，經(jīng)常需要對環(huán)境溫度與濕度進行測量與控制,。準(zhǔn)確的溫濕度測量對生物制藥、食品加工和造紙等行業(yè)更是至關(guān)重要的,。隨著測量技術(shù)自動化和智能化程度的提高,，各種溫濕度采集系統(tǒng)已得到了廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的溫濕度測量采用有線傳輸方式,，一般使用模擬化的溫濕度傳感器直接將非電量轉(zhuǎn)換成電量,，再送至PC機或單片機作后續(xù)處理。其缺點在于：一是布線工作量大,，成本高,，傳輸距離較遠(yuǎn)時還會引入較大的誤差和干擾；二是模擬式濕度傳感器一般都要設(shè)計信號調(diào)理電路并需要經(jīng)過復(fù)雜的校準(zhǔn)和標(biāo)定過程,，因此測量精度難以保證,，且在線性度、重復(fù)性,、互換性,、一致性等方面往往不盡人意。盡管目前已有一些無線溫濕度采集方案,，但其傳輸部分多采用價格較高的專用無線模塊實現(xiàn),。當(dāng)應(yīng)用中需要大量布設(shè)節(jié)點時采用專用模塊的系統(tǒng)造價會大大提高,，難以滿足低成本、多節(jié)點應(yīng)用環(huán)境下的用戶需求,，如一些規(guī)模不大的,、個體的農(nóng)業(yè)環(huán)境控制。
    為提高系統(tǒng)的性價比,，本文提出了一種基于CXA1191的低成本溫濕度采集方案,，主要面向精度高、數(shù)據(jù)量小,、節(jié)點數(shù)多,、成本敏感的應(yīng)用需求。該方案將廣播接收技術(shù)與現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)相結(jié)合,，在深入研究CXA1191接收電路原理的基礎(chǔ)上,，結(jié)合編碼器件和單片機系統(tǒng)，實現(xiàn)了數(shù)字信號的低成本無線傳輸,。系統(tǒng)用高性能的SHT11溫濕度傳感器實現(xiàn)溫濕度測量,，利用其高集成度的特點簡化設(shè)計,、降低成本,，提高了系統(tǒng)的實用性。

1 概述
    溫濕度采集系統(tǒng)采用主從分布式結(jié)構(gòu),，系統(tǒng)由PC機,、匯聚節(jié)點和分布于不同位置的多個無線子節(jié)點構(gòu)成。匯聚節(jié)點和子節(jié)點采用無線通信方式,，PC機與匯聚節(jié)點通過RS232總線通信,。匯聚節(jié)點從各子節(jié)點獲取現(xiàn)場溫濕度參數(shù)，并將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)RS232總線上傳至PC機處理和顯示,。節(jié)點由發(fā)射和接收電路,、編碼電路、單片機系統(tǒng),、鍵盤和顯示等部分組成,。發(fā)射電路由分立元件搭建，采用AM調(diào)制方式,。接收電路由CXA1191對射頻信號作放大,、混頻和濾波處理，將無線信號變換到中頻,，中頻處理由檢波電路和編解碼電路完成,。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和節(jié)點結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示,。圖2中RS232通信功能僅為匯聚節(jié)點獨有,，SHT溫濕度采集器件僅為子節(jié)點獨有,。

2 接收電路
    目前無線數(shù)據(jù)通信多采用專用模塊實現(xiàn)，市面上已有多種無線數(shù)傳模塊可供選擇,。這些專用模塊使用簡單,，功能齊備，即使是射頻開發(fā)經(jīng)驗較少的設(shè)計者也能很快上手,。其缺點是價格較高,，當(dāng)面對數(shù)據(jù)量小、功能要求不高且節(jié)點數(shù)又比較多的應(yīng)用時性價比不理想,。但如果自行設(shè)計電路,，則往往又受到射頻設(shè)計難度高、調(diào)試工作量大以及設(shè)計者經(jīng)驗缺乏等限制而難于實現(xiàn),，其中尤以接收電路結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜,。考慮到以上因素,，本文采用了一種折中的方案,，即利用CXA1191的內(nèi)部電路，配以少許外部元件,，既實現(xiàn)了射頻接收的功能,，又簡化了結(jié)構(gòu)，開發(fā)者僅需基本的無線電知識即可獨立完成設(shè)計,。
    CXA1191是一款單片大規(guī)模收音電路,，因其集成度高，外圍元件少,，性能優(yōu)良,，在我國相當(dāng)流行，廣受歡迎的“德生”收音機內(nèi)部多數(shù)采用了這款芯片,。CXA1191包括了AM／FM收音機從天線輸入,、高放、混頻,、本振,、中放、檢波直至音頻功放的全部功能,。圖3顯示的是設(shè)計中用到的CXA1191調(diào)頻電路部分(圖中檢波解碼部分是本設(shè)計的擴展),。

    當(dāng)CXA1191處于調(diào)頻接收狀態(tài)時，無線信號先經(jīng)過帶通濾波,，然后進入12腳在內(nèi)部完成高頻放大,。放大后的信號與本振混頻產(chǎn)生10．7 MHz的中頻信號。在正常收音模式下(如圖中虛線所示),，該中頻信號經(jīng)10．7 MHz陶瓷濾波器選頻后接至17腳,，在內(nèi)部鑒頻,、檢波和音頻放大，最后驅(qū)動揚聲器發(fā)聲,。
    通過以上分析不難發(fā)現(xiàn),，CXA1191的結(jié)構(gòu)可以分為兩部分：1)低噪放、混頻,、濾波部分(即獲取10．7 MHz中頻信號的電路),，這是一般的超外差式接收機的通用結(jié)構(gòu)；2)鑒頻,、檢波和放大,，這是其專有的用于音頻信號解調(diào)處理的結(jié)構(gòu)。其通用結(jié)構(gòu)完全可以用作數(shù)字通信的射頻前端,。例如,，如果有一ASK(振幅鍵控)信號，載頻在87～109 MHz以內(nèi),，該信號能通過帶通濾波器進入高放和混頻電路,。適當(dāng)調(diào)節(jié)本振，可以在陶瓷濾波器輸出端獲得10．7 MHz的ASK信號,，此信號仍保留著原始的調(diào)制信息只是載頻有所降低,，這正是希望得到的中頻ASK信號。對這個信號再做檢波和解碼處理,，即可得到所需的數(shù)字信號,。經(jīng)實驗驗證,，這個設(shè)想是可行的,。
    具體設(shè)計如圖3所示。改造方法十分簡單,，在原CXA1191調(diào)頻電路的基礎(chǔ)上,，斷開10．7 MHz濾波器與17腳的連接，將濾波器的輸出接至后面的檢波電路,。CXA1191的其他功能如中波和短波接收均未用到,，與之關(guān)聯(lián)的電路皆可省去，使設(shè)計和調(diào)試的任務(wù)大大減輕,。實際調(diào)試時要注意適當(dāng)調(diào)節(jié)高放和本振的兩個調(diào)諧回路,，同時觀察陶瓷濾波器的輸出，盡量使輸出幅度最大,，噪聲和失真最小,。

3 發(fā)射電路
    進行數(shù)據(jù)發(fā)送時，單片機首先將待發(fā)數(shù)據(jù)送至PT2262編碼,。F12262的17腳輸出已編碼的脈沖,，高頻振蕩器在此脈沖調(diào)制下產(chǎn)生ASK信號經(jīng)天線發(fā)射出去,。如圖4所示。脈沖信號控制發(fā)射管基極導(dǎo)通與關(guān)斷,，振蕩器輸出振幅也隨之變化,，且只有最大值和零值兩種狀態(tài)，即得到所需的ASK信號,。振蕩器接成克拉潑形式,，其中利用了基極一射級電容和集電極一射級電容。采用聲表面波器件SAW穩(wěn)頻,，使電路具有很高的穩(wěn)定性,。SAW工作在串聯(lián)諧振狀態(tài)，使L1的部分電感接至基極-集電極之間構(gòu)成電容三點式振蕩器,。振蕩器工作頻率計算公式為,，本設(shè)計將振蕩頻率設(shè)定在90MHz。

4 編解碼電路
    編解碼功能由PT2262／PT2272完成,。PT2262／PT2272是一對帶地址,、數(shù)據(jù)編碼功能的無線發(fā)射接收芯片。其7,、8,、10～13腳是數(shù)據(jù)端，1～6腳是地址端,，14腳為低電平時啟動發(fā)射,，17腳串行輸出包含地址和數(shù)據(jù)的編碼脈沖信號。圖5為解碼電路,。

    解碼時,，來自10．7 MHz濾波器的ASK信號先經(jīng)VD、C1,、R2檢波,，再通過LM358放大后送入PT2272的解碼輸入14腳。解碼成功時VT由低變高,，解碼后的數(shù)據(jù)出現(xiàn)在數(shù)據(jù)引腳上供單片機讀取,。需要注意的是。發(fā)射和接收芯片地址碼設(shè)置必須相同,，PT2272對收到的信號要進行2次地址比對,，只有地址正確才有有效數(shù)據(jù)輸出。

5 溫濕度采集電路
    溫濕度采集以SHT11為核心,，它是Sensirion公司推出的基于CMOSensTM技術(shù)的新型溫濕度傳感器,。SHT11將溫度傳感器、濕度傳感器,、信號調(diào)理,、模數(shù)轉(zhuǎn)換器,、標(biāo)定參數(shù)及I2C總線接口全部集成到傳感器內(nèi)部，既提高了傳感器的性能,，又降低了成本,、減少了體積，同時也非常便于和微控制器接口,，是嵌入式系統(tǒng)溫濕度測試的理想選擇,。
    SHT11接口十分簡單，僅包括電源(Vdd),、地(GND),、串行時鐘輸入(SCK)、串行數(shù)據(jù)(DATA)4個引腳,。每次測量都需要“啟動傳輸”,、“發(fā)送命令”、“讀取數(shù)據(jù)”3個過程,，DATA在SCK下降沿之后改變狀態(tài),，SCK上升沿時有效。
    “啟動傳輸”用于初始化SHT11,，由SCK和DATA的一個特定時序完成,，如圖6所示。在SCK時鐘上升沿DATA翻轉(zhuǎn)為低電平,，下一次SCK上升沿到來時DATA翻轉(zhuǎn)為高電平,，從而完成“啟動傳輸”時序。

    接下來要發(fā)送的是1個字節(jié)的命令,，包括3個地址位和5個命令位,。命令的傳輸需要8個SCK周期。命令傳輸完成后,，SHT11會在第8和第9個SCK下降沿間給出一個DATA低電平脈沖,，表示正確接收,。
    如果發(fā)送的是測量命令(“00000101”表示相對濕度RH,，“00000011”表示溫度T)，外部控制器要等待測量結(jié)束,。SHT11通過給出DATA低電平脈沖表示測量的結(jié)束,。接著傳輸2個字節(jié)的測量數(shù)據(jù)和1個字節(jié)的CRC奇偶校驗。外部控制器需要通過下拉DATA為低電平,，以確認(rèn)每個字節(jié),。數(shù)據(jù)傳輸時序如圖7所示。

    得到溫濕度的數(shù)字量后,，需要根據(jù)SHT11手冊提供的公式轉(zhuǎn)換成實際物理量,。SHT11的溫度傳感器采用的是能隙材料PTAT,，線性性能極好，可以直接按以下公式將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為溫度值：
   
    其中SOT為測量值,，d1,、d2取值如表1所示。

    濕度傳感器具有非線性,，需要按以下修正公式計算實際值：
   
    SORH為傳感器相對濕度測量值,，系數(shù)c1c2c3的取值如表2所示。

    實際測量溫度與25℃相差較大時,，應(yīng)考慮濕度傳感器的溫度修正系數(shù)：
   
    溫度修正系數(shù)如表3所示,。

6 系統(tǒng)控制
    節(jié)點以單片機系統(tǒng)為核心，控制各功能單元協(xié)調(diào)工作,。單片機的控制任務(wù)主要有4個：
    1)控制收發(fā)電路完成數(shù)據(jù)的接收和傳送,；
    2)將匯聚節(jié)點發(fā)來的命令解釋成相應(yīng)的控制動作(子節(jié)點具備)，收集存儲各子節(jié)點的數(shù)據(jù)(主節(jié)點具備),；
    3)定時控制SHT11完成溫濕度數(shù)據(jù)采集：
    4)與PC機通信,，上傳溫濕度數(shù)據(jù)。
    單片機選擇低功耗的MSP430,。MSP430是一個16位的,、具有精簡指令集的、超低功耗的混合型單片機,，具有極低的功耗,、豐富的片內(nèi)外設(shè)和方便靈活的開發(fā)手段，十分適合嵌入式應(yīng)用,。
    匯聚節(jié)點與子節(jié)點采用簡單的主從通信協(xié)議,。匯聚節(jié)點定時輪流向各節(jié)點發(fā)出含有節(jié)點地址碼的查詢命令。從節(jié)點都編有互不相同的地址,，僅對與自身地址相符的命令作出回應(yīng),，將采集的溫濕度數(shù)據(jù)發(fā)回主節(jié)點。為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力,，軟件中引入了出錯重發(fā)機制,。匯聚節(jié)點向子節(jié)點發(fā)查詢命令后，如果在指定時間內(nèi)未收到數(shù)據(jù),，則再次發(fā)起查詢命令,，3次查詢失敗則認(rèn)為節(jié)點故障并記下節(jié)點號。得到各
從節(jié)點的數(shù)據(jù)后,，匯聚節(jié)點將數(shù)據(jù)打包上傳給PC機,。PC端采用VC6．0設(shè)計了上位機軟件，使用MSComm控件實現(xiàn)與匯聚節(jié)點的串口通信，實現(xiàn)了溫濕度顯示界面,，同時對測量的數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波處理,，有效地提高測量精度。匯聚節(jié)點和主節(jié)點軟件流程圖如圖8,、圖9所示,。

7 結(jié)束語
    無線溫濕度測量在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域有著廣泛的需求，基于專用無線模塊的方案難以滿足低成本的應(yīng)用需求,。本文提出了利用CXA1191實現(xiàn)射頻前端的新思路,，結(jié)合數(shù)字技術(shù)和高性能的SHT11溫濕度采集器，設(shè)計了一個具有較高性價比的無線溫濕度測量系統(tǒng),。經(jīng)實際檢驗,，系統(tǒng)工作穩(wěn)定。數(shù)據(jù)精度在3％以內(nèi),，能很好地滿足實際應(yīng)用需求,。