基于CXA1191和SHT11的無(wú)線(xiàn)溫濕度監測系統

摘要：為降低設計成本，利用CXA1191和SHT11實(shí)現了一個(gè)無(wú)線(xiàn)溫濕度監測系統。在CXA1191原有的廣播接收功能的基礎上，巧妙結合編碼技術(shù)，成功實(shí)現了數據無(wú)線(xiàn)傳輸功能，并選擇SHT11實(shí)現高性能的溫濕度采集。系統的特色在于將成熟的廣播接收技術(shù)與數字技術(shù)相融合，具有較高的性?xún)r(jià)比，很好地滿(mǎn)足了無(wú)線(xiàn)溫濕度數據采集需求。
關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)數據傳輸；CXA1191；編碼；SHT11

在工農業(yè)生產(chǎn)、氣象、環(huán)保等部門(mén)，經(jīng)常需要對環(huán)境溫度與濕度進(jìn)行測量與控制。準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(zhù)測量技術(shù)自動(dòng)化和智能化程度的提高，各種溫濕度采集系統已得到了廣泛應用。傳統的溫濕度測量采用有線(xiàn)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換成電量，再送至PC機或單片機作后續處理。其缺點(diǎn)在于：一是布線(xiàn)工作量大，成本高，傳輸距離較遠時(shí)還會(huì )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計信號調理電路并需要經(jīng)過(guò)復雜的校準和標定過(guò)程，因此測量精度難以保證，且在線(xiàn)性度、重復性、互換性、一致性等方面往往不盡人意。盡管目前已有一些無(wú)線(xiàn)溫濕度采集方案，但其傳輸部分多采用價(jià)格較高的專(zhuān)用無(wú)線(xiàn)模塊實(shí)現。當應用中需要大量布設節點(diǎn)時(shí)采用專(zhuān)用模塊的系統造價(jià)會(huì )大大提高，難以滿(mǎn)足低成本、多節點(diǎn)應用環(huán)境下的用戶(hù)需求，如一些規模不大的、個(gè)體的農業(yè)環(huán)境控制。
為提高系統的性?xún)r(jià)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、數據量小、節點(diǎn)數多、成本敏感的應用需求。該方案將廣播接收技術(shù)與現代數字技術(shù)相結合，在深入研究CXA1191接收電路原理的基礎上，結合編碼器件和單片機系統，實(shí)現了數字信號的低成本無(wú)線(xiàn)傳輸。系統用高性能的SHT11溫濕度傳感器實(shí)現溫濕度測量，利用其高集成度的特點(diǎn)簡(jiǎn)化設計、降低成本，提高了系統的實(shí)用性。

1 概述
溫濕度采集系統采用主從分布式結構，系統由PC機、匯聚節點(diǎn)和分布于不同位置的多個(gè)無(wú)線(xiàn)子節點(diǎn)構成。匯聚節點(diǎn)和子節點(diǎn)采用無(wú)線(xiàn)通信方式，PC機與匯聚節點(diǎn)通過(guò)RS232總線(xiàn)通信。匯聚節點(diǎn)從各子節點(diǎn)獲取現場(chǎng)溫濕度參數，并將采集到的數據經(jīng)RS232總線(xiàn)上傳至PC機處理和顯示。節點(diǎn)由發(fā)射和接收電路、編碼電路、單片機系統、鍵盤(pán)和顯示等部分組成。發(fā)射電路由分立元件搭建，采用AM調制方式。接收電路由CXA1191對射頻信號作放大、混頻和濾波處理，將無(wú)線(xiàn)信號變換到中頻，中頻處理由檢波電路和編解碼電路完成。系統結構和節點(diǎn)結構如圖1、圖2所示。圖2中RS232通信功能僅為匯聚節點(diǎn)獨有，SHT溫濕度采集器件僅為子節點(diǎn)獨有。

2 接收電路
目前無(wú)線(xiàn)數據通信多采用專(zhuān)用模塊實(shí)現，市面上已有多種無(wú)線(xiàn)數傳模塊可供選擇。這些專(zhuān)用模塊使用簡(jiǎn)單，功能齊備，即使是射頻開(kāi)發(fā)經(jīng)驗較少的設計者也能很快上手。其缺點(diǎn)是價(jià)格較高，當面對數據量小、功能要求不高且節點(diǎn)數又比較多的應用時(shí)性?xún)r(jià)比不理想。但如果自行設計電路，則往往又受到射頻設計難度高、調試工作量大以及設計者經(jīng)驗缺乏等限制而難于實(shí)現，其中尤以接收電路結構最為復雜?？紤]到以上因素，本文采用了一種折中的方案，即利用CXA1191的內部電路，配以少許外部元件，既實(shí)現了射頻接收的功能，又簡(jiǎn)化了結構，開(kāi)發(fā)者僅需基本的無(wú)線(xiàn)電知識即可獨立完成設計。
CXA1191是一款單片大規模收音電路，因其集成度高，外圍元件少，性能優(yōu)良，在我國相當流行，廣受歡迎的“德生”收音機內部多數采用了這款芯片。CXA1191包括了AM／FM收音機從天線(xiàn)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顯示的是設計中用到的CXA1191調頻電路部分(圖中檢波解碼部分是本設計的擴展)。

當CXA1191處于調頻接收狀態(tài)時(shí)，無(wú)線(xiàn)信號先經(jīng)過(guò)帶通濾波，然后進(jìn)入12腳在內部完成高頻放大。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(xiàn)所示)，該中頻信號經(jīng)10．7 MHz陶瓷濾波器選頻后接至17腳，在內部鑒頻、檢波和音頻放大，最后驅動(dòng)揚聲器發(fā)聲。
通過(guò)以上分析不難發(fā)現，CXA1191的結構可以分為兩部分：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構；2)鑒頻、檢波和放大，這是其專(zhuān)有的用于音頻信號解調處理的結構。其通用結構完全可以用作數字通信的射頻前端。例如，如果有一ASK(振幅鍵控)信號，載頻在87～109 MHz以?xún)?，該信號能通過(guò)帶通濾波器進(jìn)入高放和混頻電路。適當調節本振，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(zhù)原始的調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(gè)信號再做檢波和解碼處理，即可得到所需的數字信號。經(jīng)實(shí)驗驗證，這個(gè)設想是可行的。
具體設計如圖3所示。改造方法十分簡(jiǎn)單，在原CXA1191調頻電路的基礎上，斷開(kāi)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，使設計和調試的任務(wù)大大減輕。實(shí)際調試時(shí)要注意適當調節高放和本振的兩個(gè)調諧回路，同時(shí)觀(guān)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。