基于CXA1191和SHT11的無線溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)

摘要：為降低設(shè)計成本，利用CXA1191和SHT11實(shí)現(xiàn)了一個無線溫濕度監(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(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)無線傳輸功能，并選擇SHT11實(shí)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(jìn)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(jī)或單片機(jī)作后續(xù)處理。其缺點(diǎn)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(shí)現(xiàn)。當(dāng)應(yīng)用中需要大量布設(shè)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(jī)系統(tǒng)，實(shí)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(shí)現(xiàn)溫濕度測量，利用其高集成度的特點(diǎn)簡化設(shè)計、降低成本，提高了系統(tǒng)的實(shí)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(jī)、匯聚節(jié)點(diǎn)和分布于不同位置的多個無線子節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。匯聚節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)采用無線通信方式，PC機(jī)與匯聚節(jié)點(diǎn)通過RS232總線通信。匯聚節(jié)點(diǎn)從各子節(jié)點(diǎn)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(jī)處理和顯示。節(jié)點(diǎn)由發(fā)射和接收電路、編碼電路、單片機(jī)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(diǎn)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(diǎn)獨(dú)有，SHT溫濕度采集器件僅為子節(jié)點(diǎn)獨(dú)有。

2 接收電路
目前無線數(shù)據(jù)通信多采用專用模塊實(shí)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(yàn)較少的設(shè)計者也能很快上手。其缺點(diǎn)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(diǎn)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(yàn)缺乏等限制而難于實(shí)現(xiàn)，其中尤以接收電路結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜?？紤]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(shí)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(dú)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(jī)內(nèi)部多數(shù)采用了這款芯片。CXA1191包括了AM／FM收音機(jī)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(kuò)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(jìn)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(yáng)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(jī)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(jìn)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(shí)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。