藍牙技術(shù)
溫濕度采集系統(tǒng)設(shè)計
基于藍牙的無線溫濕度采集系統(tǒng)的設(shè)計與分析
目前，現(xiàn)有的溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，傳感器采集到的溫濕度數(shù)據(jù)經(jīng)過抗干擾能力強，技術(shù)成熟的有線串口（ＲＳ－２３２或ＲＳ－４８５）方式傳送到上位機上。如果采集點比較多，傳感器與上位機之間需要大量的數(shù)據(jù)線進行有線連接，有線連接的這種方式會造成很大的不便；如果需要建立的是臨時性的溫濕度數(shù)據(jù)采集，用傳統(tǒng)的有線連接方式會造成成本的增加；同時有線連接的方式在惡劣環(huán)境下會給施工造成很大的不便。因此需要一種成本低，穩(wěn)定性高的無線數(shù)據(jù)傳輸方式取代現(xiàn)有的有線數(shù)據(jù)傳輸方式。
無線通訊是在開放的空間通過輻射和接收電磁波進行通信的，一方面受自然界中各種干擾和噪聲的影響比有線更為嚴重；另一方面一定區(qū)域范圍內(nèi)的無線通訊信號也會互相干擾。為了克服無線通信信號之間的干擾，必須把可用的無線信道分為若干互不相干的子信道在分別分給各個用戶。雖然相比有線通信，無線通信在傳輸質(zhì)量、傳輸速率等方面存在著較大不足，但是無線通信具有不受連線束縛、組網(wǎng)迅速靈活等優(yōu)點，特別是能提供移動通信，使無線通訊技術(shù)成為研究最為活躍的通信技術(shù)領(lǐng)域。
藍牙作為一種低成本、低功耗、近距離的無線通信技術(shù)，正廣泛應(yīng)用于固定設(shè)備與移動設(shè)備間的通信。
藍牙數(shù)據(jù)傳輸速率可高達１Ｍｂ／ｓ，采用跳頻／時分復(fù)用技術(shù)，具有進行一對一和一對多的通信方式。因此本文提出了一種基于藍牙的無線溫濕度采集系統(tǒng)設(shè)計與分析方案。
一、溫濕度采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計
數(shù)據(jù)采集是工業(yè)系統(tǒng)中不可缺少的重要組成部分，是進行工業(yè)控制的根本依據(jù)。隨著科技的發(fā)展大規(guī)模集成電路、單片機、計算機等在工業(yè)控制領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，使數(shù)字化的數(shù)據(jù)采集在工業(yè)控制領(lǐng)域中成為必然。本設(shè)計由下位機的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸部分及上位機的數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)處理部分組成。如圖１系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖所示。下位機主要由單片機和藍牙模塊組成，數(shù)據(jù)采集主要是ＤＨＴ１１溫濕度傳感器；數(shù)據(jù)傳輸部分主要通過藍牙模塊進行數(shù)據(jù)的無線傳輸，將數(shù)據(jù)通過藍牙模塊傳輸?shù)缴衔粰C上，在由上位機進行處理。
二、溫濕度采集系統(tǒng)硬件設(shè)計
本設(shè)計采用Ａｒｄｕｉｎｏ單片機作為下位機的主控單片機。系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要分為３個部分：Ａｒｄｕｉｎｏ單片機控制部分、ＤＨＴ１１溫濕度傳感器、藍牙無線通訊模塊。Ａｒｄｕｉｎｏ單片機具有豐富的接口，有數(shù)字Ｉ／Ｏ口，模擬Ｉ／Ｏ口，同時它支持ＳＰＩ，ＩＩＣ，ＵＡＲＴ等通信方式?？梢酝ㄟ^外接多種不同類型的傳感器，可以控制燈光、馬達等多種設(shè)備。Ａｒｄｕｉｎｏ單片機與普通的單片機比起來沒有復(fù)雜的底層代碼，具有豐富的庫函數(shù)，可以通過調(diào)用不同的庫函數(shù)來實現(xiàn)不同的功能，具有編程方便的特點。而且它有專門的集編程下載環(huán)境ＩＤＥ，方便了開發(fā)人員對Ａｒｄｕｉｎｏ單片機的二次開發(fā)。
２.１ＤＨＴ１１傳感器
溫濕度采用ＤＨＴ１１溫濕度傳感器進行測量。測量的溫度精度達到±５％ＲＨ，溫度±２℃，測量的濕度范圍為２０－９０％ＲＨ，溫度范圍為０～＋５０℃。ＤＨＴ１１溫濕度傳感器是一款含有數(shù)字信號輸出的復(fù)合傳感器。ＤＨＴ１１溫濕度傳感器內(nèi)含一個電阻式感濕元件和一個ＮＴＣ測溫元件，并與一個高性能８位單片機相連接。同時傳感器具有單線制串行接口，傳感器采集到的溫濕度信息可以通過單線串行接口傳送到Ａｒｄｕｉｎｏ單片機中。
由于ＤＨＴ１１傳感器與Ａｒｄｕｉｎｏ單片機之間的數(shù)據(jù)傳輸通過單線串行接口，為了保證數(shù)據(jù)的完整性，一次通訊時間被設(shè)定在４ｍｓ左右，數(shù)據(jù)分為小數(shù)部分和整數(shù)部分兩部分，一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為４０ｂｉｔ，高位先出。
數(shù)據(jù)格式：８ｂｉｔ濕度整數(shù)數(shù)據(jù)＋８ｂｉｔ濕度小數(shù)數(shù)據(jù)＋８ｂｉｔ溫度整數(shù)數(shù)據(jù)＋８ｂｉｔ溫度小數(shù)數(shù)據(jù)＋８ｂｉｔ校驗和數(shù)據(jù)傳送正確時校驗和數(shù)據(jù)等于“８ｂｉｔ濕度整數(shù)數(shù)據(jù)＋８ｂｉｔ濕度小數(shù)數(shù)據(jù)＋８ｂｉｔ溫度整數(shù)數(shù)據(jù)＋８ｂｉｔ溫度小數(shù)數(shù)據(jù)”所得結(jié)果的末８位。當Ａｒｄｕｉｎｏ單片機向ＤＨＴ１１傳感器發(fā)送開始信號后，傳感器從低功耗待機模式立即轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ髂Ｊ剑模龋裕保眰鞲衅飨騿纹瑱C發(fā)送響應(yīng)信號，發(fā)出４０ｂｉｔ溫濕度數(shù)據(jù)。
２.２藍牙通訊模塊
本設(shè)計應(yīng)用的是采用英國ＣＳＲ公司ＢｌｕｅＣｏｒｅ４－Ｅｘｔ芯片的ＨＣ－０５藍牙模塊。該模塊支持ＵＡＲＴ，ＵＳＢ，ＳＰＩ，ＰＣＭ，ＳＰＤＩＦ等接口，并支持ＳＰＰ藍牙串口協(xié)議，具有主從一體功能，內(nèi)置ＰＣＢ射頻天線，而且可以連接７個從設(shè)備，同時該模塊的工作電壓為３。３－６Ｖ，所以此模塊具有成本低、體積小、功耗低、收發(fā)靈敏性高等優(yōu)點。
由于ＨＣ－０５藍牙模塊具有具有兩種工作模式：命令響應(yīng)工作模式和自動連接工作模式。在自動連接工作模式下模塊又可分為主（Ｍａｓｔｅｒ）、從（Ｓｌａｖｅ）和回環(huán)（Ｌｏｏｐｂａｃｋ）三種工作角色。當模塊處于自動連接工作模式時，將自動根據(jù)事先設(shè)定的方式連接的數(shù)據(jù)傳輸；當模塊處于命令響應(yīng)工作模式時能執(zhí)行ＡＴ操作命令，可以通過電腦向模塊發(fā)送ＡＴ指令，為模塊設(shè)定控制參數(shù)或發(fā)布控制命令。通過控制模塊外部引腳輸入電平的高低可以實現(xiàn)模塊工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。
三、溫濕度采集系統(tǒng)軟件設(shè)計
Ａｒｄｕｉｎｏ單片機編程為了保證編寫程序的可讀、簡潔性采用Ｃ語言進行編程。Ａｒｄｕｉｎｏ單片機采用了定時方式進行數(shù)據(jù)接收，即每隔１秒向ＤＨＴ１１溫濕度傳感器發(fā)送采樣信號，同時ＤＨＴ１１將采集到的數(shù)據(jù)通過單線串口接口將數(shù)據(jù)傳送到單片機中，然后將數(shù)據(jù)存儲到單片機內(nèi)部存儲器中等待藍牙模塊通過無線方式發(fā)送。
連接到Ａｒｄｕｉｎｏ單片機的藍牙模塊通過串口方式將單片機內(nèi)部存儲器中的數(shù)據(jù)取出，然后按照設(shè)定好的通訊方式向上位機發(fā)送溫濕度數(shù)據(jù)。
３.１上位機軟件設(shè)計
上位機系統(tǒng)采用現(xiàn)在圖形編程比較廣泛的Ｃ＃語言進行編寫，Ｃ＃是一種安全的、穩(wěn)定的、簡單的編程語言，它是由Ｃ和Ｃ＋＋衍生出來的一種面向?qū)ο缶幊陶Z言。它繼承了Ｃ和Ｃ＋＋的功能的同時去掉了他們的復(fù)雜性。同時Ｃ＃編程語言結(jié)合了ＶＢ編程語言的可視化圖形界面和Ｃ＋＋語言的高效運行效率。首先系統(tǒng)進行初始化，建立藍牙連接，如果連接不成功則進行重新建立連接。連接成功后開始進行數(shù)據(jù)接收，如果無法接收數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)接收失敗，重新開始數(shù)據(jù)接收，直到數(shù)據(jù)可以成功接收。
由于經(jīng)過藍牙無線模塊傳輸給上位機的信息是同串口進行數(shù)據(jù)通信的，所以在上位機中要設(shè)置接收串口號，波特率，校驗位，數(shù)據(jù)位和停止位。點擊開始接收系統(tǒng)會自動每５秒會接收一次信息。如果需要進行手動采集可以直接點擊手動采集進行自動與手動之間的切換。采集到的信息會顯示在右側(cè)框中，格式分別是時間，溫度，濕度。
如果需要對采集到的數(shù)據(jù)進行保存方便以后的分析整理可以點擊保存數(shù)據(jù)，此時系統(tǒng)會自動將數(shù)據(jù)保存為ＴＸＴ格式的文件。
總結(jié)
本文主要是設(shè)計與實現(xiàn)基于藍牙的無線溫濕度采集系統(tǒng)。通過藍牙無線通信方式，把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機采集系統(tǒng)中，采集系統(tǒng)負責對數(shù)據(jù)的接收處理、信息提取、保存。考慮到實際應(yīng)用中的通訊特點，文中的通訊方式采用了藍牙無線通訊與串口通訊相結(jié)合的方式。分別對藍牙通信的建立和實現(xiàn)、串口通信實現(xiàn)方式進行了簡單介紹。上位機軟件設(shè)計采用了Ｃ＃語言進行編程實現(xiàn)了系統(tǒng)的初始化，建立藍牙通訊，數(shù)據(jù)接收等進程管理。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)硬件設(shè)計可靠性強，實用性強，軟件設(shè)計簡單方便進行二次開發(fā)，可以滿足不同情況下的數(shù)據(jù)采集和通訊要求。
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