CN103822667A

CN103822667A - 基于蓝牙技术的温湿度采集系统

Info

Publication number: CN103822667A
Application number: CN201410075705.XA
Authority: CN
Inventors: 孙红; 鲁晓琴; 金辰; 张华轩; 尚静; 潘永军
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2014-03-04
Filing date: 2014-03-04
Publication date: 2014-05-28

Abstract

基于蓝牙技术的温湿度采集系统，包括：温湿度传感器、单片机、蓝牙模块和无线储能模块，其中温湿度传感器、蓝牙模块和无线储能模块分别都与单片机相连，温湿度传感器采样温湿度模拟值，并转换为数字量后发送至单片机，单片机接收数据后通过蓝牙模块将数据发送至计算机接收端以及手机接收端，无线储能模块自身在环境中收集能量来对单片机供电。根据本发明的基于蓝牙技术的温湿度采集系统，通过蓝牙无线传送数据和通过无线储能模块实现系统的自身供电，从而能够使本发明的温湿度采集系统能够应用到恶劣环境下的环境监测。

Description

基于蓝牙技术的温湿度采集系统

技术领域

本发明总体涉及温湿度采集系统，具体涉及基于蓝牙技术的节能温湿度采集系统。

背景技术

无线通信技术在环境监测和抗震救灾等领域有重要的应用。无线传感器常需安装在人员不宜进入的复杂环境下。在此环境下，不便对无线传感器更换电池，一旦电池能量不足无线传感器将无法正常工作。此外，普通的有线通信技术也难以保证数据通信的完整实施，一旦通信电缆断裂，整个测量系统将会瘫痪。

近年来能量收集（Energy Harvesting，EH）技术的研究有望解决能量收集问题，蓝牙通信技术的发展也已日臻成熟，已受到业界广泛关注。所谓能量收集即从无线传感器工作环境中的太阳能，风能，振动等能量中直接获取传感器工作所需的电能，从而摆脱对传统化学电池的依赖。当然，能量收集技术的应用还依赖于无线传感器自身的低功耗电子设计。蓝牙通信技术的使用也将大大降低测量系统的复杂度。综合利用蓝牙技术和能量收集技术将会对复杂环境下的信号检测提供解决方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于蓝牙技术的温湿度采集系统，其能够克服现有技术的某种或某些缺陷。

根据本发明的基于蓝牙技术的温湿度采集系统，包括：

温湿度传感器、单片机、蓝牙模块和无线储能模块，其中温湿度传感器、蓝牙模块和无线储能模块分别都与单片机相连，温湿度传感器采样温湿度模拟值，并转换为数字量后发送至单片机，单片机接收数据后通过蓝牙模块将数据发送至计算机接收端以及手机接收端，无线储能模块自身在环境中收集能量来对单片机供电。

在本发明的一个具体实施例中，其中温湿度传感器采用AM2301传感器，单片机芯片采用STC90C51，温湿度传感器与单片机之间通过单总线通信模式，温湿度传感器的数据线通过上拉电阻与单片机的引脚相接。

在本发明的另一个具体实施例中，其中蓝牙模块采用HC-06型号的贴片式蓝牙。

在本发明的又一个具体实施例中，其中无线储能模块采用LTC3588芯片，PZ1与PZ2引脚之间连接有振动源，Vin端加入断电备用电池，Vout端提供恒定电压输出。

根据本发明的基于蓝牙技术的温湿度采集系统，通过蓝牙无线传送数据和通过无线储能模块实现系统的自身供电，从而能够使本发明的温湿度采集系统能够应用到恶劣环境下的环境监测。

附图说明

图1为根据本发明的温湿度采集系统的整体结构示意图；

图2为根据本发明的温湿度采集系统的温湿度传感器的单总线连线图；

图3为根据本发明的温湿度采集系统的单片机与传感器、蓝牙的引脚连接；以及

图4为根据本发明的温湿度采集系统的基于LTC3588芯片的储能电路设计。

具体实施方式

下面结合附图详细描述为根据本发明的温湿度采集系统。

根据本发明的温湿度采集系统主要包括温湿度传感器、单片机、蓝牙模块、无线储能模块以及数据接收端。下面具体描述各组件或模块的设计和功能。

（1）本发明的温湿度传感器采用AM2301传感器。如图2所示，AM2301湿敏电容数字温湿度模块是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电容式感湿元件和一个高精度测温元件，并与一个高性能8位单片机想连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在单片机中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。标准单总线接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选择。

（2）单片机是系统的核心模块，它首先温湿度传感器通信，并获取温湿度数据，然后将数据传输至PC端及手机。如图2所示，本发明的单片机所采用的是HC6800系列开发板，芯片为STC90C51。单片机的开发流程如下：1）Keil环境下的编程。KeilC51是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，是一个很好的单片机C语言集成开发环境（IDE）。该环境下，可执行C语言的编辑、编译，并输出单片机可执行的十六进制文件（.hex）。2）程序的烧录。程序的烧录是指将keil环境下所生成的十六进制文件（.hex）烧写进单片机的程序存储器。本发明采用STC-ISP，STC-ISP是一款单片机下载编程烧录文件，针对STC系列单片机而设计，使用简便，现已被广泛使用。3）观察数据采集结果。若代码执行无误，最终温湿度数据将在PC端的VB上位机和手机屏幕中显示，并在PC端显示走势图。

单片机内部有一个电源管理寄存器PCON，这个寄存器的最低两位，IDL和PD分别用来设定是否使单片机进入空闲模式和掉电模式。当单片机进入空闲模式时，除CPU处于休眠状态外，其余硬件全部处于活动状态，芯片中程序未涉及到的数据存储器和特殊功能寄存器中的数据在空闲模式期间都将保持原值。但假若定时器正在运行，那么计数器寄存器中的值还将继续增加。单片机在空闲模式下可由任一中断或硬件复位唤醒。使单片机进入空闲模式的目的通常是为了降低系统的功耗。以STC90系列单片机为例，当单片机正常工作时的功耗通常为4mA～7mA，进入空闲模式时其功耗降至2mA，当进入掉电模式时功耗可降至0.1μA以下。本发明的软件设计思想是单片机每隔30s采集一次温湿度数据，然后进入空闲模式，30秒中断到来时自动唤醒单片机，以实现低功耗的目的。

（3）蓝牙模块：蓝牙模块是本发明中无线功能的具体实现，采用HC-06型号的贴片式蓝牙，其功能与特点如下：1）误码率低2）低功耗，低成本3）体积小4）外围设计电路简单5）内置2.4GＨｚ天线，用户需调试天线。

蓝牙模块的分配：蓝牙模块中共有三个蓝牙，一个蓝牙作为单片机模块的无线信号发送装置，另两个蓝牙分别作为PC端和手机端的无线信号接收装置。整个蓝牙模块衔接方便，通信阻碍低，简单轻松地解决了无线传输问题。

（4）无线储能模块：如图4所示，采用LTC3588芯片，该芯片集成了低损耗全波桥式整流器、具有高效率的降压转换器，以及优化的高输出阻抗能源诸如压电传感器，以形成完整的能量采集解决方案。超低静态电流欠压锁定（UVLO）模式具有宽迟滞窗口，允许充电堆积在一个输入电容，直到降压转换器有效地传输所存储的电能至输出端口。在调节阶段，LTC3588-1进入睡眠状态。此时输入和输出静态电流是微乎其微的。降压转换器按照实际需求打开和关闭。芯片的四个输出引脚的电压，1.8V，2.5V，3.3V和3.6V，可选择高达100mA的连续输出电流;输出电容可适时受更高的输出电流所调节。输入保护分流设置为20V，可为输入电容提供更多的能量储存。

无线储能模块设计电路如图4所示，PZ1引脚和PZ2引脚中间连接一个振动源。在Vin端加入断电备用电池。整个电路设计中涉及到二极管整流与电容电感。VOUT提供恒定3.3V电压输出。

下面再结合附图具体描述本发明的温湿度采集系统的工作原理和过程。

图1是温湿度采集系统的整体结构示意图。传感器搭建好模拟电路，系统通过传感器采样环境中的模拟温湿度值，传感器自动将模拟量转换为数字量后发送至单片机，单片机串口连接至蓝牙。当单片机接收完数据后，通过无线蓝牙装置，将数据发送至计算机接收端以及手机接收端。计算机接收端通过基于Visual Basic编写的程序实时接收温湿度数据，将数据以文本格式保存至计算机磁盘中，绘制出温湿度走向图，并标示出报警值。

图2为单片机的芯片STC90C52与温湿度传感器AM2301的连接典型应用电路。单总线通信模式时，SDA上拉后与芯片的I/O端口相连。AM2301器件采用简化的单总线通信。单总线即只有一根数据线，系统中的数据交换、控制均由数据线完成。单片机（芯片STC90C52）通过一个漏极开路或三态端口连至该数据线，以允许设备在不发送数据时能够释放总线，而让其它设备使用总线；单总线通常要求外接一个约5.1kΩ的上拉电阻，这样，当总线闲置时，其状态为高电平。由于它们是主从结构，只有主机呼叫传感器时，传感器才会应答，因此主机访问传感器都必须严格遵循单总线序列，如果出现序列混乱，传感器将不响应主机。

SDA用于单片机与AM2301之间的通讯和同步,采用单总线数据格式，一次传送40位数据，高位先出。用户主机（MCU）发送一次起始信号（把数据总线SDA拉低至少800μs）后，AM2301从休眠模式转换到高速模式。待主机开始信号结束后，AM2301发送响应信号，从数据总线SDA串行送出40Bit的数据，先发送字节的高位；发送的数据依次为湿度高位、湿度低位、温度高位、温度低位、校验位，发送数据结束触发一次信息采集，采集结束传感器自动转入休眠模式，直到下一次通信来临。

单片机与温湿度传感器和蓝牙通信，以接收传感器采样到的温湿度数据，并通过蓝牙发送至计算机，实现无线传输的功能。因此单片机与传感器和蓝牙的引脚连接是保证数据无线传输的关键。本系统中，拟利用单片机P1.0输入/输出端口与单总线式传感器的数据发送接口（SDA）连接进行数据接收；单片机的串行通信口与蓝牙连接，进行数据发送。各部分的引脚连连接如图3所示。

下面再介绍一下根据本发明的温湿度采集系统的实验调试过程，也是本发明的一个具体实施方式。

本实验采用控制变量的试验方法，首先保持温度不变，改变环境湿度值，观察计算机接收湿度值的实时走向图；其次，同样的方法，保持湿度不变，改变环境温度值，观察计算机接收温度值的实时走向图。因此，本实验在一个密闭的房间中展开，内设空调模拟环境温度变化，设除湿机来模拟环境湿度变化。实验过程中，将无线储能模块的PZ1与PZ2引脚之间的振动源以长直尺代替，长直尺端连接压电陶瓷（型号T220-A4-503X）。压电陶瓷连接至PZ1与PZ2引脚。当长直尺以较高的频率振动时，预计Vout端口可以得到3.3V电压输出。

操作步骤如下：

步骤一：连接各个模块，检查电路连线，确保系统可以正常运行。

步骤二：打开单片机开关，单片机与传感器开始通信。

步骤三：打开计算机VB数据接收程序，观察VB数据接收窗口是否有温湿度数据。

步骤四：打开手机蓝牙数据接收程序，观察接收区是否能够接收到数据。

步骤五：仅控制温度上升，记录下5分钟内10次的温度及湿度值。

当只控制温度上升的时候，记录下5分钟内10次的温度及湿度值，并利用计算机绘制折线图。当只控制相对湿度上升的时候，记录下5分钟内10次的相对湿度及温度值，并利用计算机绘制折线图。在单片机发送数据的同时，打开手机蓝牙数据接收程序，蓝牙配对完成后观察程序接收区的数据值。

本领域技术人员应当理解，上述图示内容和实施例仅用于解释本发明而非用于对其作出任何限制。

Claims

1.一种基于蓝牙技术的温湿度采集系统，包括：

2.根据权利要求1所述的温湿度采集系统，其中温湿度传感器采用AM2301传感器，单片机芯片采用STC90C51，温湿度传感器与单片机之间通过单总线通信模式，温湿度传感器的数据线通过上拉电阻与单片机的引脚相接。

3.根据权利要求1所述的温湿度采集系统，其中蓝牙模块采用HC-06型号的贴片式蓝牙。

4.根据权利要求1所述的温湿度采集系统，其中无线储能模块采用LTC3588芯片，PZ1与PZ2引脚之间连接有振动源，Vin端加入断电备用电池，Vout端提供恒定电压输出。