單總線(xiàn)分布式溫濕度監測系統設計

引言
對環(huán)境條件要求高的場(chǎng)合，需要精密地測量相對濕度與溫度，尤其是實(shí)驗室中很多實(shí)驗數據需要與溫濕度一一對應。然而，監測環(huán)境一般是幾十到上百平方米的范圍，僅監測一點(diǎn)的溫濕度是不夠的，需要分布多個(gè)傳感器節點(diǎn)，將各個(gè)節點(diǎn)的傳感結果平均值作為環(huán)境參數。通常的方法是構建RS485分布式現場(chǎng)總線(xiàn)，每個(gè)傳感器節點(diǎn)都需要單片機和通信器件，成本較高。
DHT22數字溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。它應用專(zhuān)用的數字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(cháng)期穩定性。每個(gè)DHT22傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進(jìn)行校準。濕度測量范圍為0～100％RH，精度為±2％RH；溫度測量范圍為-40～125℃，精度為±0．5℃。單線(xiàn)制串行接口，使系統集成變得簡(jiǎn)易快捷。DHT22具有體積小、功耗低、超快響應、抗干擾能力強、性?xún)r(jià)比高等特點(diǎn)，信號傳輸距離可達20 m以上，適合于分布式應用。
但是，DHT22的單總線(xiàn)不支持尋址，也就是說(shuō)單總線(xiàn)僅能掛接單個(gè)DHT22傳感器。若每個(gè)傳感器都單獨布線(xiàn)，勢必造成浪費。因此，合理的傳感器接口方式是設計的關(guān)鍵。本文采用4個(gè)DHT22單總線(xiàn)智能溫濕度傳感器實(shí)現分布式溫濕度監測系統的設計。

1 監測系統結構及接口設計
系統結構及接口如圖1所示。4個(gè)DHT22傳感器需要4根數據線(xiàn)，加上電源和地線(xiàn)共6根線(xiàn)。系統采用雙絞線(xiàn)作為分布式連接線(xiàn)路，RJ45作為接口器件。核心板設計了4個(gè)RJ45接口，4個(gè)傳感器可分別接入4個(gè)接口。核心板的4個(gè)RJ45接口內部連接一致，當布線(xiàn)不超過(guò)20 m時(shí)，傳感器可采用咬尾式接口方式(即僅接入核心板的1個(gè)接口)，當超過(guò)20 m時(shí)單獨布線(xiàn)，大幅節約了布線(xiàn)成本，降低了布線(xiàn)難度。

也就是說(shuō)，每個(gè)傳感器節點(diǎn)的內部結構需要具備兩個(gè)功能：
①每個(gè)傳感器節點(diǎn)具有兩個(gè)直通連接的RJ45接口，以實(shí)現咬尾式連接；
②每個(gè)傳感器節點(diǎn)能夠設定通信線(xiàn)路，因為每個(gè)傳感器獨享1根線(xiàn)路。

傳感器節點(diǎn)內部結構框圖如圖2所示。4個(gè)傳感器DHT22的DATA引腳通過(guò)4位撥碼開(kāi)關(guān)分別連接至4根數據線(xiàn)即可。

2 DHT22的總線(xiàn)接口協(xié)議
DHT22采用OC門(mén)單總線(xiàn)通信協(xié)議，因此單總線(xiàn)必須接上拉電阻，建議為5．1kΩ。
對DHT22進(jìn)行一次40 bit數據的通信，時(shí)間為5 ms左右，采用MSB方式，但采樣周期間隔不得低于2 s。40bit數據的數據格式為：
40 bit數據=16bit濕度數據+16 bit溫度數據+8 bit校驗和(前4個(gè)字節的和)
16 bit濕度數據為無(wú)符號數，16 bit溫度數據為有符號數原碼表示，兩數據都為放大10倍后的真實(shí)物理量值。例如：0000 0010+1000 1100+0000 0001+0101 1111=1110 1110，對應濕度=65．2％RH，溫度=35．1℃。
用戶(hù)主機(MCU)發(fā)送一次開(kāi)始信號后，DHT22從低功耗模式轉換到高速模式；主機開(kāi)始信號結束后，DHT22發(fā)送響應信號，送出40 bit的數據，并觸發(fā)一次信號采集。

DHT22的單總線(xiàn)握手信號時(shí)序如圖3所示?？臻e時(shí)總線(xiàn)為高電平，通信開(kāi)始時(shí)主機(MCU)拉低總線(xiàn)1～10ms后釋放總線(xiàn)，延時(shí)20～40μs后主機開(kāi)始檢測從機DHT22的響應信號(一個(gè)80μs左右的低電平)，隨后從機拉高總線(xiàn)80μs左右準備進(jìn)行數據傳送。每bit數據都是由一個(gè)低電平時(shí)隙和一個(gè)高電平組成。低電平時(shí)隙固定為一個(gè)50μs左右的低電平，它代表數據位的起始；其后的高電平的長(cháng)度決定數據位所代表的數值，較長(cháng)的(70μs)高電平代表1，較短(26～28μs)的高電平代表0。40bit數據序列傳送完畢后，從機將再次拉低總線(xiàn)50μs左右，隨后釋放總線(xiàn)，由上拉電阻拉高。
AVR單片機讀取單個(gè)DHT22的子程序如下：



3 核心板軟件設計
核心板軟件包括3個(gè)部分：4個(gè)傳感器信息采集及處理、液晶顯示和PC溫濕度信息上傳。這里僅討論4個(gè)傳感器信息的采集及處理。
單片機每隔2 s就分別讀取4個(gè)傳感器的溫度與濕度信息，并分別作平均得到溫度值和濕度值。為進(jìn)一步實(shí)現準確測量，建立兩個(gè)8成員的數組，系統引入8階FIR濾波器。根據采樣頻率fs=1／(2s)=0．5 Hz，截止頻率fc=0．1 Hz，利用Matlab環(huán)境的firl函數獲取濾波器系數：
b=firl(8-1，2fc／fs)
可得：
b=-0．0072 0．0000 0．1351 0．3721 0．3721 0．1351 0．0000 -0．0072
軟件流程如圖4所示。

結語(yǔ)
本文采用4個(gè)DHT22單總線(xiàn)智能溫濕度傳感器實(shí)現了分布式溫濕度監測系統的設計。系統結構簡(jiǎn)單，安裝調試方便，在同類(lèi)儀表的開(kāi)發(fā)中具有廣闊的應用前景，特別適合于在工業(yè)加工的精密測試中心、實(shí)驗室以及對加工材料的存放有較高要求的環(huán)境中使用，還可以應用于居住環(huán)境的監測。本系統已經(jīng)成功應用，性能穩定可靠，測量精度高，智能化程度高，使用簡(jiǎn)便，性能價(jià)格比高，受到了用戶(hù)的普遍歡迎。