哈尔滨理工大学学士学位论文 第1章 绪 论
1.1 课题背景
温度、湿度是非常重要的物理参数，与人们的生产生活密切相关。温湿度测量及控制技术广泛应用于气象监测、食品仓储、工农业生产、工业控制、科学研究以及日常生活当中。目前市场上的温湿度监测系统多采传统的有线方式，必须在采集现场铺设大量的线缆用于传感器供电、信号传输以及数据采集。近年来，无线通信、微电子技术、传感器技术以及嵌入式计算等技术的不断进步，推动了低成本、低功耗无线传感器网络的发展，促使无线传感器网络成为当今活跃的研究领域[1]。无线传感器网络由具有感知能力、计算能力和通信能力的大量微型传感器节点组成，强大的数据获取和处理能力使得其应用范围十分广泛。
基于需要监控的参数为温度、湿度两个物理量，因而设计低成本、低功耗、高可靠性、高安全性的无线传感器网络技术的检测系统是有必要的。无线传感器网络可监控室内不同点位的数据，通过传感器节点将环境监测所需的信息方便快捷的传到计算机。比如在档案室、图书馆等场所布置大量的传感器节点，并通过计算机监控和现实相关参数，同时实现上下限报警，控制空调等功能。这种监测系统有效地解决了传统有线方式的信号线，控制线，电源线混杂在一起，系统运行时，容易受到传输距离、电磁干扰等因素的影响而变的不稳定，尤其是在测量点数较多或通信距离较远时，系统的不稳定因素会变得更加严重等问题。
1.2 课题研究的意义
温、湿度是人们日常生活中接触最多的两个物理量，人们的日常生活、动植物的生存繁衍和周围环境的温湿度息息相关，石油、化工、冶金、纺织、机械制造、航空航天、制药、烟草、档案保管、粮食存储等领域对温、湿度也有着较高的要求[2]。例如：烟叶和纸张是吸湿性极高的材料，卷烟生产的每一个阶段对温、湿度都有非常特别的要求，以确保所使用材料的水分，保证生产的效率和产品质量；印刷车间的温、湿度控制水平对印刷质量有很大的影响；为防止库存武器弹药、金属材料等物品霉烂、生锈，必须保持环境温度不能过高和干燥；而水果、种子、肉类等的保存又需要保证一定的湿度；在矿山、棉麻、塑料、粉末金属、食品生产加工等企业的生产车间（环境）中往往会产生大量的可燃或易燃粉尘，如果空气湿度过低，在一定的能量下，极易发生粉尘爆炸。随着科学技术的
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哈尔滨理工大学学士学位论文 发展，许多新兴产业对环境提出了更高的要求：制造大规模集成电路需要极高的空气洁净度，生物化学制药需要精确的温湿度控制。因此，对温、湿度的监测和控制已成为生产过程中非常重要的技术要求。温、湿度检测与控制技术被广泛应用于人们的日常生产和生活当中，传感器无疑是测量与控制系统中重要的组成部分。但是伴随传感器而来的是大量的数据线缆。众多的线缆不仅带来布线复杂的不便，而且存在着短路、断线隐患，成本高、易老化，错综复杂的线路还给系统的调试和维护增加了难度。同时对于一些临时使用的传感器，搭接线缆十分不便。因此，寻找一种便捷的、能够满足数据通信要求的无线通信技术，以解除线缆搭接复杂的困扰，成为一个亟需解决的问题。无线通信技术与有线通信技术相比，有成本低、携带方便、不必穿墙钻孔布线、搭建网络简单快捷等优点。特别是在有线网络不通畅或由于现场环境因素的限制不便架设线路的情况下，使用无线通信技术进行数据采集、传输显得更加实用、高效、快捷。随着微处理器以及微电子技术的发展，数字设备以其抗干扰、功耗低、便于微处理器控制的特点，逐渐成为测控系统中的主流。
本课题将传感器技术和新兴的无线通信技术结合，力图以现场设备的无线化来解决由线缆带来的诸多问题。
1.3 温湿度传感器技术的现状及发展趋势
在后工业化时代，信息技术对社会的发展及科技的进步起了决定性作用，传感器技术、通信技术、计算机技术构成了信息技术的三大支柱。传感器技术是2l世纪人们在高新技术发展方面争夺的一个制高点，各发达国家都将传感器技术视为现代高新技术发展的关键[3]。从20世纪80年代起，日本就将传感器技术列为优先发展的高新技术之首，美国等西方国家也将此技术列为国家科技和国防技术发展的重点内容。我国从20世纪80年代以来也已将传感器技术列入国家高新技术发展的重点。21世纪是人类全面进入信息电子化的时代，作为现代信息技术三大支柱之一的传感器技术必将得到较大的发展[4]。
传统的温度测量是从金属(物质)的热胀冷缩开始。水银温度计至今仍是各种温度测量的计量标准。可是它的缺点是只能近距离观测，而且有毒。代替它的有酒精温度计和金属簧片温度计，它们虽然没有毒性，但测量精度很低。在电气时代主要发展了金属热敏电阻。如铜电阻、镍电阻、铂电阻等，它们的特点是稳定性好、耐高温，如铂电阻有的可达六、七百度。但它们的缺点是灵敏度低，当传输线路长短不等时，需要进行温度补偿。近年发展起来的有PN结测温器件。这类器件的优点是在-50℃～+150℃范围内有良好的特性，体积小、响应时间快、价格低。但它的缺点是一致性差、不易做到互换，而且PN结易受外界幅射的影响，稳定性难以保证。石英晶体温度检测器的测量精度较高，一般可检测到0.001℃，可作标准检测
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哈尔滨理工大学学士学位论文 之用。光纤传感器技术是本世纪70年代末发展起来的一门崭新的技术，已开发了开关式温度检测器、辐射式温度检测器等多种实用型的品种[5]。检测精度在±1℃以内，测温范围可以从绝对0～+2000℃。
国外在湿度传感器研制方面起步较早，目前日本、德国、美国处于国际领先地位，测量范围可实现全湿范围测量，且精度可达到±2%RH。近几年，国外湿度传感器有了较大的发展，特别是电阻式湿度传感器发展更快，人们不仅在电阻式陶瓷湿度传感器特性方面做了大量工作，而且在高分子电阻式湿度传感器上做出可喜的研究成果，这种传感器稳定性好、精度高、响应特性优，这是应当引以重视的技术动向[6]。根据工业自动化控制的需要，国内外正在开展新一代湿度传感器的研制与开发。
随着大规模集成电路技术和光通信技术的发展，信息的传输、处理技术有了突破性的进展，发展相对滞后的传感器技术业已得到全世界的普遍重视。因此，今后一个时期传感技术将成为人们研究的新热点，并有可能形成较大产业。传感器技术未来将向以下几个方面发展：
高精确度。为了提高测控精度，必须使传感器的精度尽可能地高；小型化。很多测试场合要求传感器具有尽可能小的尺寸；多功能集成化。研究多功能集成传感器是传感器发展的一个重要方向。有两种类型。一种是将传感器、放大器及温度补偿电路等集成在同一芯片上，减小体积，增强了抗干扰能力。另一种是在一个芯片上集成多种功能敏感元件或同一功能的多个敏感元件。例如温湿度一体化传感器，一个芯片可同时检测温度和湿度；数字化。为了使传感器与计算机直接接口，致力于数字式传感器研究是很重要的；智能化。这种传感器一般是计算机与传感器相结合的复杂系统。它兼有检测、信息处理、推理、联想和控制等各种功能，重点是具有逻辑功能，是传统传感器无法比拟的。智能传感器的出现将是传感技术中的一次飞跃。
1.4 无线传感器网络的国内外发展现状
Wi-Fi是基于IEEE 802.11标准的无线网路产品之间的互通性的无线网路通信技术，其特点为网络布置比较容易，数据传输速率高，应用范围非常广，功耗高，可靠性及安全性的相对较低，移动性差。蓝牙技术特点为传输距离较短，系统成本高，集成度大，节点少。超宽带技术的耗较低以及发射机和接收机的复杂度不高。红外线数据通信充分体现了移动终端所要求的小体积、低功耗、低成本等优势，其最大的缺点就是只能两台设备同时进行通信，限制了它的应用范围。Zigbee技术的低功耗，低传输速率，高连接设备数十分适合无线传感器网络的大规模组网，蓝牙技术虽然在传输速率上远高于Zigbee，但功耗和连接设备数的缺陷使得其并不适合应用于大规模的无线传感器网络中，而适合于个人设备的互联。UWB技术
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哈尔滨理工大学学士学位论文 实现了低功耗条件下的高速率传输，但目前只能点对点传输，欠缺组网能力，而且其产品化还处于起步阶段，并没有得到大规模的实际应用。
在2.4GHz非授权频段上,目前已经云集了蓝牙、Wi-Fi、Zigbee等多个标准无线协议。具有带宽高（2Mbps），双向传输，抗干扰性强，传输距离远（短距离无线技术范围），耗电少的优点，用于无线键鼠等室内场合[7]。Nordic公司等公司已成功推出nRF24L01芯片，2.4G全球开发ISM频段免许可证使用。同时许多公司也相继推出基于nRF24L01的无线传输模块。nRF24.L01模块是一款新型单片射频收发器件，工作于2.4GHz～2.5GHz ISM频段。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块,并融合了增强型ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。nRF24L01功耗低，在以-6dBm的功率发射时，工作电流也只有9mA;接收时，工作电流只有12.3mA，多种低功率工作模式(掉电模式和空闲模式)使节能设计更方便。至此这种基于此频段的通信方式已日渐趋向成熟。
无线传感器网络可用于气象和地理研究，土壤空气变更监视、珍稀濒临野生动植物种群追踪研究、地质结构变化测量研究等。这些被密集布置在丛林中的传感器节点，能够在不破坏生态环境的同时，实时监测动植物生长复杂的微观环境因素，为科研人员研究生物行为提供科学准确的数据信息。无线传感器网络在军事科技及民防国防、自然生态环境观测、古建筑及文物保护、灾害预警及灾难救援、健康监测及医疗护理、工业自动控制与检测、空间探索、智能家居、智能交通流量监控、智能电力系统、精准农业及水利等诸多领域存在广泛的应用前景和潜在的市场研发价值。在现阶段成熟技术的基础上，以下系统已成功地得到应用[8]。其理论研究一直是国际信息领域的关注热点，其应用研究更是成为各大无线传感器产品生产厂商的竞争焦点。
1.5 本课题研究的主要内容
由于一般博物馆，档案室的空间相对比较大，布置大量的数据线监控环境数据影响美观的同时又会带来安全隐患，针对这样的特殊环境，综合整理的相关资料，提出设计一种无线温湿度监控系统，有效解决布线困难等问题，并可以实时监控数据。本设计中采用STC89C52单片机，利用温度传感器DS18B20、湿度传感器HS1101进行温湿度测量，并通过LCD1602显示，如若温湿度超过设定上下限利用蜂鸣器进行报警，并将数据通过无线模块发送到上位机进行监控。实现了以下功能：
(1) 档案室的温度、湿度实时测量功能。 (2) 将测量到的温、湿度通过液晶屏显示。 (3) 利用开关键设置温度、湿度的报警值。 (4) 实现温度、湿度超限报警功能。
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哈尔滨理工大学学士学位论文 第2章 系统方案设计
2.1 总体方案设计
(1) 系统功能
实现对环境温度参数的实时采集；由单片机对各路数据进行循环检测，数据处理，储存并显示；实现超限的及时报警；检测系统应具有较高的灵敏度、可靠性、抗干扰能力。通过无线传输模块，实现在档案室不同地点的温度、湿度检测并将数据通过无线收发模块上传到上位机。
(2) 技术指标 测温范围：-20℃ ～100℃； 测湿范围：0～100%RH； 测温精度：±0.5℃； 测湿精度：±5.0%RH (3) 系统组成框图
系统主要有温度测量模块、湿度测量模块、显示模块、报警模块、无线收发模块，系统组成框图如图2-1所示。
DS18B20温度传感器Rnf24L01无线发送模块HS1011湿度传感器NE555AT89C52晶振电路LCD1602显示复位电路蜂鸣器报警图2-1 系统组成框图
将数字温度传感器DS18B20采集得到的数据和湿度传感器HS1101采集到的数据传输到单片机AT89S52的信号输入端口。单片机将数据传递到LCD1602屏上进行显示，并判断是否超过设置上下限（温度范围14-28℃，相对湿度范围45-60%RH）如超过则蜂鸣器报警，同时将温、湿度数据通过无线发射模块传到上位机进行监控。
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