基于個(gè)域網(wǎng)的無(wú)線(xiàn)溫濕度傳感器設計及醫學(xué)實(shí)驗室應用

0 引言

　　醫學(xué)實(shí)驗大多都要在確定的溫度與濕度下展開(kāi)，尤其是微生物實(shí)驗，對于恒溫、恒濕的要求更高，實(shí)驗室的溫度與濕度的控制對于醫學(xué)實(shí)驗能否成功、實(shí)驗結論是否可信有著(zhù)重大的影響。在實(shí)驗室建設實(shí)時(shí)反饋溫濕指標的溫濕監測系統成為了一流醫學(xué)實(shí)驗室的必選項。人工記錄是大部分實(shí)驗室溫濕管理的主要方式，效率低下，耗費大量的人力成本，而固定的有線(xiàn)溫濕度監測儀則只能放置在特定的區域，一方面是布線(xiàn)復雜、建設成本高，另一方面約束了測樣品、工況和試驗區域的范圍，不利于生物實(shí)驗的大范圍開(kāi)展。

　　隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)個(gè)域網(wǎng)技術(shù)的興起，實(shí)驗室的無(wú)線(xiàn)溫濕監控成為必然的趨勢。無(wú)線(xiàn)個(gè)域網(wǎng)（Wireless Personal Ar-ea Network,WPAN）是為了實(shí)現活動(dòng)半徑小、業(yè)務(wù)類(lèi)型豐富、面向特定群體、無(wú)線(xiàn)無(wú)縫的連接而提出的新興無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )技術(shù)。本文結合無(wú)線(xiàn)傳感器的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，建立基于個(gè)域網(wǎng)的溫濕度傳感器，實(shí)現實(shí)驗室的實(shí)時(shí)監測、多點(diǎn)無(wú)線(xiàn)測量、自動(dòng)記錄等功能，通過(guò)無(wú)線(xiàn)-有線(xiàn)-網(wǎng)絡(luò )的傳輸架構使實(shí)驗人員無(wú)需輪值守也能實(shí)時(shí)了解實(shí)驗室的溫濕指標，達到了生物體實(shí)驗室溫濕控制穩定性好、精度高、操作方便的預期效果。

　　1 系統概述

　　本系統主要由一個(gè)協(xié)調器和三個(gè)終端設備組成。

　　協(xié)調器的功能主要是啟動(dòng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò )和接收三個(gè)終端設備發(fā)送的溫濕度數據，然后ATmega16L 把數據通過(guò)異步串行口與PC機的上位機進(jìn)行通信。三個(gè)終端設備的硬件系統是一樣的，主要的功能都是ATmega16L 先控制AM2302 模塊采集本地的溫濕度數據，然后顯示在12864 液晶屏上，最后通過(guò)CC2530 把溫濕度數據發(fā)送給協(xié)調器。

　　協(xié)調器的電路系統結構框圖如圖1所示。

　　2 硬件電路設計

　　2.1 5 V電源電路設計

　　5 V電源電路如圖2所示，DC是9 V適配器的輸入接口，適配器把市電220 V的交流電壓轉變成9 V的直流電壓。BT1是9 V電池的輸入接口。S3是電源選擇端，分別可以選擇電池供電和AC?DC供電。D2是整流二極管，在這里是起到防反接的作用。CP4和C17分別是穩壓芯片輸入端的高頻濾波和低頻濾波。LM1086?5.0 V是穩壓芯片，把9 V的DC輸入轉變成5 V的DC輸出，驅動(dòng)電流可達1.5 A.CP3和C32分別是穩壓芯片輸出端的高頻濾波和低頻濾波。P11是排針，方便5 V擴展輸出。

　　2.2 3 V電源電路設計

　　CP1 和C34 分別是穩壓芯片輸入端的高頻濾波和低頻濾波。RT9161 是3 V 穩壓芯片，芯片的輸入電壓由LM1086的5 V輸出，所以RT9161實(shí)現的是5~3 V的DC?

　　DC.CP2和C33分別是穩壓芯片輸出端的高頻濾波和低頻濾波。L4 是1 μH 的電感，在這里的作用是把模擬地和數字地分開(kāi)。P12是排針，方便3 V擴展輸出。P10是排針，方便GND擴展輸出。

　　2.3 ATmega16L最小系統設計

　　D1、R5 、S2、C13 組成的是ATmega16L 的復位電路，在單片機正常工作的情況下，復位腳上拉了10 kΩ的R5 ,經(jīng)過(guò)C13 的電容充電，單片機的復位腳保持高電平，當S2按鈕按下，單片機的復位腳被拉成低電平，單片機就進(jìn)入復位狀態(tài)，ATmega16L是低電平復位。Y1、C14 、C15組成的是ATmega16L的起振電路，Y1是選擇了8 MHz的無(wú)源晶振，C14 和C15 是起振電容，取值范圍在20~30 pF之間。ISP接口是給單片機燒寫(xiě)程序時(shí)使用的。S10,S11,S12 , S13, R13, R14 , R15, R16 是外部輸入設備，供擴展使用。

C16 是單片機ADC 模/數轉換模塊的基準電壓濾波使用的。L5, C11, C31 組成的是π型濾波，把LM1086?5.0 V 的5 V模擬電源進(jìn)行濾波，再提供給單片機使用。P5和P6是單片機所有引腳的擴展輸出。

　　2.4 AM2302溫濕度采集模塊設計

　　AM2302溫濕度模塊的SDA數據口上拉一個(gè)5.1 kΩ的R17 與單片機的PC0腳相連，傳輸的通信協(xié)議是單總線(xiàn)協(xié)議。典型應用電路中建議連接線(xiàn)長(cháng)度短于30 m時(shí)用5.1 kΩ上拉電阻，大于30 m 時(shí)根據實(shí)際情況降低上拉電阻的阻值。電路圖如圖3所示。

　　3 系統軟件設計

　　軟件部分主要分為ATmega16L 單片機模塊、AM2302溫濕度采集模塊、12864液晶顯示模塊、DB9異步串行口收發(fā)模塊、CC2530F256無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊。

　　4 設計過(guò)程的問(wèn)題及解決

　　在設計的初期，RT9161?3.0 V 穩壓芯片的輸入是直接9 V 輸入的，這樣高的輸出與輸入壓差比，會(huì )讓芯片發(fā)熱嚴重，功耗增大，后來(lái)就改接到LM1086?

　　5.0 V的輸出端。ATmega16L單片機模塊是5 V供電的，而CC2530F256 射頻系統是3 V 供電的，所以?xún)蓚€(gè)模塊通信就需要電平轉換，經(jīng)測試后，外接了一個(gè)萬(wàn)能板搭了一個(gè)5 V 電平與3 V 電平之間的電平轉換。程序的設計初期，用ATmega16L 和CC2530F256 的SPI 接口進(jìn)行通信，因為SPI 是同步串行接口，通信速度相對較快，但是在程序調試時(shí)，發(fā)現當ATmega16L充當主機接收CC2530F256 的數據時(shí)，不能正常接收，所以后來(lái)改用了異步串行口進(jìn)行通信，雙機系統的傳輸速率就相對慢了。因此，推薦使用現在性?xún)r(jià)比較高的ST公司推出的基于A(yíng)RM cortex?M3 內核的STM32 微處理器作系統控制核心。另外，如果需要遠距離傳輸數據，可以加上一個(gè)功率放大的發(fā)射前端CC2591,這樣傳輸距離可達2 000 m左右。

　　5 結語(yǔ)

　　本文主要介紹基于個(gè)域網(wǎng)溫濕度監測系統的硬件及軟件設計的部分功能，其架構是下位機以單片機為控制中心，通過(guò)傳感器采集溫濕度數據，借助通信模塊的傳輸功能，將數據傳至上位機，并使用數據庫存儲數據，再通過(guò)網(wǎng)絡(luò )建立計算機、手機等便攜計算設備的共享與發(fā)布平臺，真正地幫助實(shí)驗工作人員實(shí)現3A（Anytime,Anywhere,Anyway）監控實(shí)驗室溫濕度指標，更高效、及時(shí)地滿(mǎn)足醫學(xué)實(shí)驗的控制穩定、調控及時(shí)的工作要求。