設計和實現(xiàn)一種基于個域網(wǎng)技術的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)。結合無線傳感器的網(wǎng)絡技術，采用ATmega16L單片機作為控制核心，以及可以支持最新版的ZigBee 2007/Pro 協(xié)議棧。通過該系統(tǒng)應用于實驗室后達到了低功耗、低成本、可擴充性好、易于維護的預期效果，得出基于個域網(wǎng)的無線溫濕度傳感器的設計滿足了低成本、低功耗要求的結論。

　　0 引言

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

　　隨著無線個域網(wǎng)技術的興起，實驗室的無線溫濕監(jiān)控成為必然的趨勢。無線個域網(wǎng)（Wireless Personal Ar-ea Network,WPAN）是為了實現(xiàn)活動半徑小、業(yè)務類型豐富、面向特定群體、無線無縫的連接而提出的新興無線通信網(wǎng)絡技術。本文結合無線傳感器的網(wǎng)絡技術，建立基于個域網(wǎng)的溫濕度傳感器，實現(xiàn)實驗室的實時監(jiān)測、多點無線測量、自動記錄等功能，通過無線-有線-網(wǎng)絡的傳輸架構使實驗人員無需輪值守也能實時了解實驗室的溫濕指標，達到了生物體實驗室溫濕控制穩(wěn)定性好、精度高、操作方便的預期效果。

　　1 系統(tǒng)概述

　　本系統(tǒng)主要由一個協(xié)調(diào)器和三個終端設備組成。

　　協(xié)調(diào)器的功能主要是啟動整個網(wǎng)絡和接收三個終端設備發(fā)送的溫濕度數(shù)據(jù)，然后ATmega16L 把數(shù)據(jù)通過異步串行口與PC機的上位機進行通信。三個終端設備的硬件系統(tǒng)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(shù)據(jù)，然后顯示在12864 液晶屏上，最后通過CC2530 把溫濕度數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器。

　　協(xié)調(diào)器的電路系統(tǒng)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(wěn)壓芯片輸入端的高頻濾波和低頻濾波。LM1086?5.0 V是穩(wěn)壓芯片，把9 V的DC輸入轉變成5 V的DC輸出，驅動電流可達1.5 A.CP3和C32分別是穩(wěn)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(wěn)壓芯片輸入端的高頻濾波和低頻濾波。RT9161 是3 V 穩(wěn)壓芯片，芯片的輸入電壓由LM1086的5 V輸出，所以RT9161實現(xiàn)的是5~3 V的DC。DC.CP2和C33分別是穩(wěn)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(shù)字地分開。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(tǒng)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程序時使用的。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(shù)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(shù)據(jù)口上拉一個5.1 kΩ的R17 與單片機的PC0腳相連，傳輸?shù)耐ㄐ艆f(xié)議是單總線協(xié)議。典型應用電路中建議連接線長度短于30 m時用5.1 kΩ上拉電阻，大于30 m 時根據(jù)實際情況降低上拉電阻的阻值。電路圖如圖3所示。
基于個域網(wǎng)的無線溫濕度傳感器設計及醫(yī)學實驗室應用

　　3 系統(tǒng)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無線收發(fā)模塊。
4 設計過程的問題及解決

　　在設計的初期，RT9161?3.0 V 穩(wěn)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，會讓芯片發(fā)熱嚴重，功耗增大，后來就改接到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(tǒng)是3 V 供電的，所以兩個模塊通信就需要電平轉換，經(jīng)測試后，外接了一個萬能板搭了一個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(diào)試時，發(fā)現(xiàn)當ATmega16L充當主機接收CC2530F256 的數(shù)據(jù)時，不能正常接收，所以后來改用了異步串行口進行通信，雙機系統(tǒng)的傳輸速率就相對慢了。因此，推薦使用現(xiàn)在性價比較高的ST公司推出的基于ARM cortex?M3 內(nèi)核的STM32 微處理器作系統(tǒng)控制核心。另外，如果需要遠距離傳輸數(shù)據(jù)，可以加上一個功率放大的發(fā)射前端CC2591,這樣傳輸距離可達2 000 m左右。

　　5 結語

　　本文主要介紹基于個域網(wǎng)溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)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，通過傳感器采集溫濕度數(shù)據(jù)，借助通信模塊的傳輸功能，將數(shù)據(jù)傳至上位機，并使用數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)，再通過網(wǎng)絡建立計算機、手機等便攜計算設備的共享與發(fā)布平臺，真正地幫助實驗工作人員實現(xiàn)3A（Anytime,Anywhere,Anyway）監(jiān)控實驗室溫濕度指標，更高效、及時地滿足醫(yī)學實驗的控制穩(wěn)定、調(diào)控及時的工作要求。

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