一种用于烟叶醇化的无线温湿度监测系统设计

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Design of a wireless temperature and humidity monitoring system usedf0r tobacco alcoholizationCHEN Peng(China Tobacco Anhui Industrial Co.，Ltd.，Fuyang Cigarete Factory，Fuyang，Anhui 236020，China)Abstract：According to the deficiencies such as complex wiring，poor mobility and ineficient monitoring of the existing tobacco alco-holization system，this paper puts forward a wireless temperature and humidity monitoring system used for tobacco alcoholization.Basedon the ZigBee communication technology，this system adopts the design ideal of modularization，gives the general structure of the sys-tern，the concrete software and hardware design.Practical test shows that the wireless temperature and humidity monitoring system usedfor tobacco alcoholization has good performances and catl meet the requirements of the practical application。

Keywords：ZigBee；tobacco alcoholization；temperature and humidity；monitoring system烟叶作为卷烟工业的主要原料 ，其品质的优劣直接决定着卷烟产品的质量。烟叶通过在仓储单位内进行 自然醇化来提升品质 ，而仓储单位温湿度的变化和波动是影响烟叶自然醇化效果的决定性因素。目前，我国许多烟叶仓储单位的养护管理，通常采取人工抄录、管理相结合的传统养护方法，手段原始单-，效率低下，而且往往由于判断失误和管理不力 ，造成局部或大范围烟叶霉变。而 目前市场上的分布式温湿度监测系统大多基于有线的方式来完成 ，这种有线方式布线难度大 ，同时限制了系统的灵活性，给实际应用带来了诸多不便。为此 ，针对烟草企业生产实际 ，提出-种用于烟叶醇化的无线温湿度监测系统设计方案。

1 系统总体结构用于烟叶醇化的无线温、湿度监测系统采用主从分布式结构，主要包括-个主节点和多个从节点。系统中，从节点根据实际需要灵活放置在仓库的合适位置，作为基站使用，主要负责温湿度数据的采集任务，同时，通过无线通信完成与主节点之间的数据传输；系统中主节点安装在监控中心 ，作为中心站使用，主要负责建立网络收稿 日期：2012-11-04作者简介：陈鹏(1969-)，男，河南周口人 ，大学本科，工程师，研 究方向：烟草工艺、技改。

和向从节点查询温 、湿度数据信息，并将多个从节点传输来的数据信息通过RS-485接口传至上位机，以便进行存储、显示和统-管理。

2 系统硬件设计为了满足实际应用的需要 ，系统中主、从节点采用拈化的设计思路。系统节点硬件结构，如图1所示，主要包括传感器拈、MCU拈、无线传输拈和电源拈。

其中，MCU拈的微处理器STC12LE5A32S2通过SPI接口与无线传输拈MC13192相连，通过GPIO口与传感器拈SHT75相连，同时外扩GPIO口连接其他辅助设备。电源拈与各拈相连，通过同步升压降压转换，将供电电源转换成各拈的工作电源。系统节点中的MCU用来控制传感器SHT75采集数据，数据经过处理后，经由MC13192将数据包发送给其他节点，相邻节点按照协议栈解包后 ，接收数据，或转发出不属于本节点接收的数据，直至发送至主节点。

2.1 传感器拈设计传感器拈选用瑞士SENSIRION传感器公司的数字式温湿度传感器SHT75为核心进行设计，可使外围接口电路变得较为简单，仅包括同步通讯SCK，VDD、GND数据电源引脚，数据读取所需DATA态门3个部分，只需将scK引脚、DATA引脚连接MCU即可完成设计。SHT7532 企 业 技 术 开 发 2013年1月图1系统节点组成框图外围接口电路图，如图2所示。

V图2 SHT75b围接 口电路图2.2 MCU拈设计MCU拈选用STC12LE5A32S2微处理器作为核心进行设计，STC12LE5A32S2具有低功耗、高速率、超强抗干扰等诸多性能。内部集成多种电路 ，含有高速SPI串行通信端口和全双工异步串行口，系统可编程，可用于强干扰的诚。在低功耗方面更是有着自身的良好优势：①掉电模式下，外部中断唤醒电流小于0.1 jxA；②空闲模式下，典型功耗电流小于1.3mA；③正常工作模式下，功耗电流仅为2～7 mA。

MCU拈的基本电路仅包括典型的时钟、复位电路和外扩GPIO电路，MCU拈基本电路图，如图3所示。

啦 P2 2 、 CP2.3 P2l觑 D 4 I酐 P20P帅 出Ⅸ 舡 Q 凹 羽 (U： i∞WaD倦 0 Pl硅n∞jDa Ⅸ D 5口∞ Pl眦 ∞ DP00 Pl孙 qMD -1r i-I 7XTAt2 阳 3XI l Pt Ⅻ I瞰唯口2 Pl ∞23 c m l 阳NI1 3 n 22 DⅡNB口，嗍 4 Pl Da 2I PllnⅥ ou脚 Ci/n/ 5 p1.fhlx 20 n 0m C加Ia 嗍 7 1r1丽 H B C -(琢 A P27 -1r霄 r腔 17a∞ 图3 MCU拈基本电路图2.3 无线传输拈设计无线传输拈基JaZigBee技术设计，选择的是符合ZigBee标准的MC13192，工作频率为2.405～2.480 GHz，数据传输速率为250kbps，采用0-QPSK调试方式。同时，包括双向2.4GHz收发器、数据调整解调器，可用来降低MCU处理功率，缩短执行周期。内部集成4个定时比较器，可配合性能较低、价格低廉的MCU使用以降低成本。此外，支持可编程功率输出模式，发射功率在0～4 dBm可调，接收灵敏度可达-92 dBm，传输距离100-200 In。此外，其是同类ZigBee无线射频芯片中体积最小的。功耗也低，支持3种低功耗的工作模式：①掉电模式下，工作电流小于1 IxA；②睡眠模式下，工作电流在3 A左右；③休眠模式下，工作电流约为35 A。

图4是MC13192的典型应用电路。MC13192通过标准的四线SPI接口与MCU相连，其中STC12LE5A32S2的SPI接口工作在主机模式，作为数据传输的控制方，MC13192设为从机模式。需要发送的信号由MCU通过SPI口传送至无线射频芯片MC13192中，经扩频调制到载波后由发通路从射频天线发射出去；从射频天线接收到的信号则反向进行传输。MC13192通过CLKOi脚向MCU输出由SPI接口编程控制的时钟信号，通过ATINI脚连接MCU的-个GPIO口，使MCU可以控制MC13192的工作模式，同样可以通过外加开关电路来实现工作模式的控制。MCUIJ通过-个GPIO口连接MC13192的RxTxEN引脚 ，实现初始化芯片收发操作，同样芯片也可将管脚直接设置为高电平，通过SPI编程来初始化芯片的收发操作。同时，MCU的- 个GPIO口还连接MC13192的RST引脚 ，实现对芯片的复位操作。

图4 MC13192典型应用 电路图2.4 电源拈设计系统节点中的工作电压均为3.3 v，为此设计的电源拈主要是将锂电池的宽电压输入转换成各拈工作所需要的3.3 v电压〖虑系统节点体积等因素，采用TI公司的同步降压-升压转换器TPS63001为核心设计。

TPS63001具有部件数量少、体积孝成本低等特点，集成降压和升压两种功能，同时包括开关FET、补偿和保护等功能№电压输入范围为1.8～5.5 v，转换效率达96%以上，峰值输出电流为800 mA，完全满足负载的供电需要。其工作应用电路非常简单，只需输入与输出电容以及电感3个外部器件即可完成设计。TPS63001拈电路图，如图5所示。

3 系统软件设计为了保证系统的开放性 ，提高系统软件的灵活性 ，根据主、从节点在系统中的不同作用分别进行系统主、从节点的软件设计。

第32卷第 1期 陈鹏：-种用于烟叶醇化的无线温湿度监测系统设计 33 图5 TPS63001拈电路图3.1 主节点软件设计主节点在系统中作为控制中心使用，负责网络组建、允许从节点入网、绑定从节点，以及将数据信息传输给PC机的任务。

如图6所示的主节点的程序流程图。主节点上 电后，首先完成MCU、SPI接口、串口、MC13192等的初始化和-系列的组网任务，当有节点加入网络时，如果其发送的信息都正确，将允许其入网，并分配地址和相关参数。若收到从节点的绑定请求，则会响应请求，绑定节点。当接收到从节点传输的数据时，在接收完数据后会通过RS485串口将数据发送至PC机。

图6主节点的程序流程图3.2 从节点软件设计从节点在系统中作为基站使用，负责进行入网、请求绑定、数据测量和传输的任务。

从节点的程序流程图，如图7所示。从节点上电后，首先进行硬件初始化 ，包括MCU、MC13192、SHT75以及接口的初始化。通过-系列的初始化 ，完成节点的参数、寄存器以及工作模式的设置。初始化完成后，从节点使能中断，开始搜索网络，发出入网请求，当收到主节点的允许入网信息后，再发送请求绑定信息。使从节点的地址信息出现在主节点的绑定表中，建立网络。绑定成功后，从节点进入轮循工作模式，进行工作模式选择，首先判断是否在低功耗模式，若在，则进入低功耗模式，进行低功耗模式的相应操作，并在定时到达后重新进人工作模式选择；否则进入主动工作模式，此时，节点唤醒各工作拈执行数据采集和处理任务，并将数据通过无线传输拈发送出去，在数据发送结束后重新进人工作模式选择。所有从节点依次执行上述过程，这样可以有效避免出现网络碰撞的现象。

1t17从节点的程序流程图4 实验与结论随机选取l0个节点组成网络对系统的通信距离、功耗和测量精度分别进行测试♂果表明：在空旷地带，发射功率为25dBm，主、从节点的通信距离在200in范围之内时，接收效果良好；采用单节电压为3.6V、容量为1500mAh的锂电池供电时，节点连续工作的时间为3～5 d，若设置使节点始终工作在超低功耗的工作状态，则其工作时间可以超过1 a；对比手持式传感器测量结果，节点温湿度测量数据准确，测温精度达到±1℃，测湿精度达到±3%RH。因此，节点在通信、功耗、精度等方面满足应用的需要 。

5 结 语本设计所开发的系统以微处理器STC12LE5A32S2和无线射频芯片MC13192为核心，以数字式温湿度传感器SHT75作为检测元件，实现温湿度数据的远程采集与传输，解决了烟叶醇化监测系统布线复杂、移动性差、监测效率低等问题，有效地保证了烟叶醇化工艺的生产质量，提高了生产效率。同时，该系统通过将基JZigBee技术的低功耗、低成本无线传感器网络运用到工业现场中，为现代化工业现场大规模使用无线传感器网络做出了-定贡献。