引言
溫度是物聯(lián)網(wǎng)家居系統(tǒng)中一個十分重要的物理量,， 對它的測量與控制有十分重要的意義。隨著各類物聯(lián)網(wǎng)家居的監(jiān)控日益改善,，各類器件的溫度控制有了更高的要求,，為了滿足人們對溫度監(jiān)控與控制， 本文設(shè)計了物聯(lián)網(wǎng)家居系統(tǒng)中基于單片機的多路無線溫度監(jiān)控系統(tǒng),。
隨著信息科學(xué)與微電子技術(shù)的發(fā)展,， 溫度的監(jiān)控可以利用現(xiàn)代技術(shù)使其實現(xiàn)自動化和智能化。多路無線溫度監(jiān)控系統(tǒng)就是朝著這一目標(biāo)進行設(shè)計的,。本次設(shè)計要求利用單片機及無線傳輸模塊實現(xiàn)無線溫度監(jiān)測系統(tǒng),，實現(xiàn)溫控范圍調(diào)節(jié)及其超溫范圍報警。
1 技術(shù)要點
由于本系統(tǒng)是一個實時監(jiān)控的系統(tǒng),， 對溫度的采集控制是實時的,， 所以溫度采集的時間間隔， 數(shù)據(jù)發(fā)送接收的時間差,，單片機與PC 機之間數(shù)據(jù)的傳送速度以及上位機程序?qū)?shù)據(jù)的分析處理是本系統(tǒng)的關(guān)鍵,。通過對溫度傳感器，無線模塊的優(yōu)化選擇,，實現(xiàn)單片機與PC 機通過高速USB 接口進行通信及對上位機代碼的優(yōu)化實現(xiàn)本系統(tǒng)的實時監(jiān)控功能,， 同時還要考慮的是溫度傳感器的各個參數(shù)，無線模塊的參數(shù),，以及硬件電路的優(yōu)化搭建問題,。
2 硬件及軟件設(shè)計
為了使系統(tǒng)能夠最優(yōu)化的工作， 系統(tǒng)的硬件器件選擇將是十分重要的問題,。
?。?）溫度傳感器的選用
系統(tǒng)是做溫度監(jiān)控的， 首要的工作就是如何選取溫度傳感器,， 正確的選擇溫度傳感器對系統(tǒng)的性能和價格有著重大的影響,。就溫度傳感器的溫度測量范圍、精度,、響應(yīng)時間,、穩(wěn)定性、線性度和靈敏度,。等幾個因素的比較分析,，本系統(tǒng)選用的是美國DALLAS 半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的DS18B20 溫度傳感器。選用該傳感器的原因有： ①DS18B20 與微處理器僅需要一條線即可實現(xiàn)雙向通訊,，簡化連接難度；②無需其他的AD 轉(zhuǎn)化器件，降低成本,， 也減少了硬件制板的費用,； ③可供使用電壓范圍大：3.0V 到5.5V 都可以使用，器件的功耗較低,；④測溫分辨率高,，最高可達(dá)0.125 度，便于溫度精確控制,；⑤支持多點測試,，多個DS18B20 可以并聯(lián)在一根線上，實現(xiàn)多點測溫,。
?。?）無線模塊的選用
本系統(tǒng)是多點監(jiān)控， 同時他的數(shù)據(jù)傳輸是通過無線傳輸?shù)?，所以無線傳輸模塊的需要支持多點的數(shù)據(jù)的傳送,。考慮穩(wěn)定性,， 傳輸數(shù)據(jù)的速度,， 錯誤率等方面， 本系統(tǒng)選用的是NRF905 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊,，選擇該模塊的原因有：①433MHZ開放ISM 頻段免許可證使用,，無需額外申請頻段；②傳輸速率高,，最高數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)50KB,，滿足實時監(jiān)控的需要；③自帶有CRC 糾錯功能,，抗干擾能力強,。所需電壓僅3.3V，功耗低,；④125 個頻道,，支持多點通信，滿足系統(tǒng)多點監(jiān)控的需要,。
?。?）主控芯片選用
ATmega16 是ATMEL 公司推出的一款基于AVR RISC 構(gòu)架的低功耗CMOS 的8 位單片機。ATmega16 在16MHz 時有16MIPS 的運算速度,，具有兩周期硬件乘法器,，從而使得設(shè)計人員可以在功耗和執(zhí)行速度之間取得平衡， 且非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲器資源較大能滿足程序代碼設(shè)計需要,。外設(shè)資源豐富：2 個具有獨立預(yù)分頻器和比較器功能的8 位定時/計數(shù)器,；一個獨立預(yù)分頻器和比較/捕捉功能的16 位定時/計數(shù)器,；支持4 路PWM 輸出、8 路10 位ADC,。支持TWI 接口,、USART、SPI 接口多機通信滿足擴展功能的需要,。
?。?）其他外圍器件
USB 與PC 機通信中USB 控制芯片PDUSBD12,顯示模塊1602，報警蜂鳴器等,。
2.1 系統(tǒng)的硬件連接方法
硬件方面主要由兩部分組成,， 溫度采集發(fā)送部分和數(shù)據(jù)接受分析控制部分。
2.1.1 溫度采集發(fā)送部分
主要的連接器件有NRF905 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊,，DS18B20溫度傳感器采集模塊,，1602 顯示模塊，報警模塊,，及溫度異常處理模塊,。其連接方法如圖1 所示。主控芯片M16 通過SPI 總線協(xié)議向無線模塊發(fā)送配置信息,，使其工作初始化,。溫度傳感器與M16 的連接使用的是單總線協(xié)議，來采集溫度,。顯示芯片1602 來顯示采集到得溫度,，同時使用蜂鳴器作為報警裝置，當(dāng)溫度有異常時單片機會控制加熱設(shè)備或降溫設(shè)備來對異常進行處理,。
2.1.2 數(shù)據(jù)接收分析控制部分
主要的連接器件有無線數(shù)據(jù)傳輸模塊,，USB 傳送模塊，和PC 機構(gòu)成,。其電路連接如圖2 所示,。同樣主控芯片M16 通過SPI 總線協(xié)議向無線模塊發(fā)送配置信息，使其工作初始化,。接收到溫度后通過PDUSBD12 芯片利用USB 協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送到PC 機上,，可以直接在VC 界面上顯示。PC 機可以自動分析數(shù)據(jù)是否存在異常,，當(dāng)存在異常時,，PC 發(fā)送控制信號來遠(yuǎn)程控制加熱或降溫設(shè)備對異常進行處理，同時發(fā)出報警信號,，這樣可以將危險降到最低,，實現(xiàn)自動化與智能化。
圖1 數(shù)據(jù)采集與發(fā)送 圖2 數(shù)據(jù)接收與分析
2.2 軟件程序的設(shè)計
由于系統(tǒng)由兩個模塊構(gòu)成,， 所以軟件程序的設(shè)計也分為溫度采集發(fā)送模塊程序設(shè)計和數(shù)據(jù)接受分析控制模塊程序設(shè)計,。
2.2.1 溫度采集發(fā)送模塊
主要需要設(shè)計的程序有NRF905 的內(nèi)部寄存器配置,，溫度傳感器溫度采集程序，液晶顯示模塊程序,，報警系統(tǒng)程序,。程序流程圖如圖3：
圖3 主程序流程圖
2.2.2 數(shù)據(jù)接受分析控制模塊
主要需要設(shè)計的程序有NRF905 的內(nèi)部寄存器配置，USB模塊的驅(qū)動編寫,，上位機程序的建立，由于篇幅有限,，源代碼及流程圖不再給出,。
3 系統(tǒng)的工作流程
本系統(tǒng)主要由兩個模塊組成， 溫度采集發(fā)送模塊和數(shù)據(jù)接收監(jiān)控模塊,。
3.1 數(shù)據(jù)采集發(fā)送模塊
該模塊的主要功能是采集溫度和發(fā)送數(shù)據(jù),。主控單片機發(fā)出命令開始有DS18B20 進行溫度采集， 溫度傳感器將采集到的溫度傳回主控芯片,，在1602 上進行顯示,，然后主控芯片通過SPI 總線將數(shù)據(jù)傳送給無線發(fā)送模塊NRF905，由無線發(fā)送模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送出去,。同時主控芯片會檢測溫度是否異常,，當(dāng)溫度出現(xiàn)異常時會發(fā)出報警信號，同時啟動異常處理模塊,。
具體工作流程如圖4：
圖4 采集發(fā)送模塊工作流程
3.2 數(shù)據(jù)接收監(jiān)控模塊
該模塊的主要功能是接收和處理數(shù)據(jù),， 由單片機控制無線模塊接收數(shù)據(jù)， 同時控制USB 模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到PC 機上去,，PC 機接收到溫度后會對溫度進行分析處理,，當(dāng)溫度由異常時，會發(fā)出報警信號,，同時通過將控制指令發(fā)送至單片機,，通過無線模塊來遠(yuǎn)程控制異常處理模塊執(zhí)行工作， 從而實現(xiàn)異常自動處理和雙報警,， 從而最大限度的確保被監(jiān)控地的預(yù)警和安全,。具體工作流程如圖5：
圖5 接受監(jiān)控模塊工作流程
4 結(jié)語
對本系統(tǒng)進行遠(yuǎn)距離具體溫度測試有， 經(jīng)數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)實地溫度采集與上位機顯示數(shù)據(jù)完全吻合,， 且能實現(xiàn)實時溫度監(jiān)控,。同時可以通過PC 機對單片機進行遠(yuǎn)程控制，性能穩(wěn)定,。
本系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)傳輸是通過無線技術(shù)實現(xiàn)的,， 不僅僅可以用在物聯(lián)網(wǎng)家居上，還可以在很多環(huán)境條件惡劣,，且不容易鋪設(shè)電纜的地方使用,，同時移動起來比較方便,，在不久的將來會有更大的利用價值。