基于物联网架构的仓库温湿度监控系统的设计

引言

由大量的部署在监测区域内的微型传感器节点构成的无线传感器网络，具有信号采集、实时监测、信息传输、协同处理、信息服务等功能，能感知、采集和处理网络所覆盖区域中感知对象的各种信息，并将处理后的信息传递给用户。本文通过NRF24L01无线传输模块和MC9S12XS128单片机组建成一个可以实时监测各基点温湿度的物联网结构,并对非正常温湿度数据报警于仓库管理员。

1系统结构与功能

系统的总体结构框图如图1所示。为了满足无线数据传输的要求，系统分为下位机子系统和上位机子系统两部分。其中，下位机子系统放置在温湿度的采集现场，由数字式温湿度传感器DHT11对现场的温湿度信息实时采集，并在单片机控制下通过LED数码管显示检测到的温湿度数值，同时将温湿度数据通过无线传输模块的发射端传送给上位机子系统，从而实现数据的无线传输功能。上位机子系统放置在控制机房,通过接收端获取下位机采集的信息，上位机利用监控软件实现对数据的读取，实时显示在上位机的软件界面上，同时可对温湿度数据保存，并利用数据库中的数据绘制曲线，当实际温湿度超出设定范围时自动报警。

图1系统结构框图

2系统硬件

2.1温湿度传感器DHT11

DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件。相对湿度分辨率为0.1%RH,精度为±5%RH,响应时间为6s。温度分辨率为0.1%RH,响应时间为10s,精度为±2。。。传输时通过数据线向单片机发送40b的数据，其中16b的湿度数据,16b的温度数据,8b的校验位。DHT11能基本满足设计所需，其价格便宜，体积较小，能适用于多种场合。

2.2无线传输模块NRF24L01

NRF24L01工作在2.4GHz全球开放ISM频段。由于空中传输时间很短，极大地降低了无线传输中的碰撞现象。当此模块工作在应答模式通信时，由于快速的空中传输及启动时间，极大地降低了电流消耗。NRF24L01的SPI接口可以利用单片机的硬件SPI口连接或利用单片机I/O口模拟SPI口进行连接。链路层完全集成在模块上，方便了开发。此模块同时还具有自动重发功能，自动检测和重发丢失的数据包。

2.3单片机MC9S12XS128

设计中选择了飞思卡尔公司的MC8S12X128单片机。该款单片机稳定性好，低工作电压，典型的S12总线频率为25MHz，最高可超频至80MHz。锁相环(PLL)系统时钟发生器利用较低的外部振荡器频率产生高速片内总线时钟，从而降低了噪声。该款单片机可以与温湿度传感器(DHT11)和无线传输模块(NRF24L01)良好兼容，特别是对于I/O接口，可以直接相连，无需电平转换。

3硬件设计

3.1温湿度传感器与单片机的连接

MC9S12XS128单片机的门控模块可用于对DHT11传感器的单线数据传送进行数据采集。在单片机程序中，对TSCR1、TFLG2、TIE、TFLG1_C7F、PAFLG、TIOS、PACTL、PACNT、TCTL3_EDG7B和TCTL3_EDG7A寄存器进行配置,并在中断服务子程序中对PAFLG_PAOVF、PAFLG_PAIF和TFLG1_C7F中断标志置位，可以达到对数据线上传送的数据值。单片机与DHT11的连接方式如图2所示。

图2DHT11与单片机连接方式

3.2无线模块与单片机的连接

NRF24L01与单片机的连接可靠性是保障系统能够正常、精确、高效运行的基础。根据MC9S12XS128单片机的特点和NRF24L01的接口设计要求，将单片机的I/O端口分别与NRF24L01的片选线、芯片模式控制线和SPI接口相连接。其中,单片机PTP1口与无线模块IRQ相连接，PTP0口与无线模块CE相连接，其他接口正常连接。

在设计中使用的是主机模式。在主机模式中，SPI模块的主机启动逻辑可从CPU接收数据和命令，并根据选定的传送速率产生串行时钟用来控制移位寄存器。该时钟同时通过SCK引脚传送到从设备端，用于控制从设备的移位寄存器。当CPU把待发送的数据写入到SPI数据寄存器时，根据所选择的SPI数据位宽，这个并行数据立刻被装入8位移位寄存器并移位输出到MOSI引脚传入设备。同时，从设备的移位数据通过MISO引脚输入到MCU内部的移位寄存器。最后一位传送结束后，数据并行传送到SPI接收数据寄存器等待CPU读取，同时SPI状态寄存器的SPRF或SPTEF状态标志置起。

3.3单片机与PC的通信连接

为方便单片机与PC机的连接，设计中使用的是RS232转USB的转换接口。

在单片机程序中配置SCI0CR1、SCI0CR2、SCI0BDL寄存器的值可以初始化单片机的串口,并可根据系统时钟设置串口的数据传输率。在发射程序中根据SCI0SR1寄存器的值可以判断单片机串口是否已经传输完毕，以便于下一数据的传输。

4软件设计

4.1无线数据传输程序设计

NRF24L01发送和接收数据的工作流程如图3所示，其通过SPI接口发送指令进行初始化，初始化的主要工作参数包括工作频率、发射功率、有效数据宽度、校验位等信息。

4.2上位机程序设计

上位机监控软件是由VisualC++6.0编写的，根据设计要求我们设计了以下两个窗体模块。

主控窗体

此窗体是上位机操控的主界面。其通过VisualC++6.0MSComm控件即可建立起单片机与PC机之间的通信，实时显示各个传感器当前采集到的温湿度数据。当采集到的数据值超过预定义的安全数据阈值时，界面弹出报警消息框。

数据曲线窗体

在此窗体中可以显示每个传感器的历史数据曲线以及历史平均数据曲线。

5结语

本研究的创新之处在于采用物联网这一概念贯穿整个研究设计阶段，且简单的硬件电路设计，降低了研究成本。本研究成果可以应用到医疗、农业、物流等大型仓库的温湿度检测，可以保证各类仓库安全、节能的商品存储。其监控外设通过USB与PC机之间相连操作方便。另外，系统的上位机功能强大，能够实现温湿度的远程测量与监控，并将采集的温湿度实时显示和保存，还能够记录历史数据，为分析提高仓库存储效率提供了便利。

20211021_61717f09a9bd9__基于物联网架构的仓库温湿度监控系统的设计