基于CXA1191和SHT11的無線溫濕度監測系統

摘要：為降低設計成本，利用CXA1191和SHT11實現了一個無線溫濕度監測系統。在CXA1191原有的廣播接收功能的基礎上，巧妙結合編碼技術，成功實現了數據無線傳輸功能，并選擇SHT11實現高性能的溫濕度采集。系統的特色在于將成熟的廣播接收技術與數字技術相融合，具有較高的性價比，很好地滿足了無線溫濕度數據采集需求。
關鍵詞：無線數據傳輸；CXA1191；編碼；SHT11

在工農業生產、氣象、環保等部門，經常需要對環境溫度與濕度進行測量與控制。準確的溫濕度測量對生物制藥、食品加工和造紙等行業更是至關重要的。隨著測量技術自動化和智能化程度的提高，各種溫濕度采集系統已得到了廣泛應用。傳統的溫濕度測量采用有線傳輸方式，一般使用模擬化的溫濕度傳感器直接將非電量轉換成電量，再送至PC機或單片機作后續處理。其缺點在于：一是布線工作量大，成本高，傳輸距離較遠時還會引入較大的誤差和干擾；二是模擬式濕度傳感器一般都要設計信號調理電路并需要經過復雜的校準和標定過程，因此測量精度難以保證，且在線性度、重復性、互換性、一致性等方面往往不盡人意。盡管目前已有一些無線溫濕度采集方案，但其傳輸部分多采用價格較高的專用無線模塊實現。當應用中需要大量布設節點時采用專用模塊的系統造價會大大提高，難以滿足低成本、多節點應用環境下的用戶需求，如一些規模不大的、個體的農業環境控制。
為提高系統的性價比，本文提出了一種基于CXA1191的低成本溫濕度采集方案，主要面向精度高、數據量小、節點數多、成本敏感的應用需求。該方案將廣播接收技術與現代數字技術相結合，在深入研究CXA1191接收電路原理的基礎上，結合編碼器件和單片機系統，實現了數字信號的低成本無線傳輸。系統用高性能的SHT11溫濕度傳感器實現溫濕度測量，利用其高集成度的特點簡化設計、降低成本，提高了系統的實用性。

1 概述
溫濕度采集系統采用主從分布式結構，系統由PC機、匯聚節點和分布于不同位置的多個無線子節點構成。匯聚節點和子節點采用無線通信方式，PC機與匯聚節點通過RS232總線通信。匯聚節點從各子節點獲取現場溫濕度參數，并將采集到的數據經RS232總線上傳至PC機處理和顯示。節點由發射和接收電路、編碼電路、單片機系統、鍵盤和顯示等部分組成。發射電路由分立元件搭建，采用AM調制方式。接收電路由CXA1191對射頻信號作放大、混頻和濾波處理，將無線信號變換到中頻，中頻處理由檢波電路和編解碼電路完成。系統結構和節點結構如圖1、圖2所示。圖2中RS232通信功能僅為匯聚節點獨有，SHT溫濕度采集器件僅為子節點獨有。

2 接收電路
目前無線數據通信多采用專用模塊實現，市面上已有多種無線數傳模塊可供選擇。這些專用模塊使用簡單，功能齊備，即使是射頻開發經驗較少的設計者也能很快上手。其缺點是價格較高，當面對數據量小、功能要求不高且節點數又比較多的應用時性價比不理想。但如果自行設計電路，則往往又受到射頻設計難度高、調試工作量大以及設計者經驗缺乏等限制而難于實現，其中尤以接收電路結構最為復雜。考慮到以上因素，本文采用了一種折中的方案，即利用CXA1191的內部電路，配以少許外部元件，既實現了射頻接收的功能，又簡化了結構，開發者僅需基本的無線電知識即可獨立完成設計。
CXA1191是一款單片大規模收音電路，因其集成度高，外圍元件少，性能優良，在我國相當流行，廣受歡迎的“德生”收音機內部多數采用了這款芯片。CXA1191包括了AM／FM收音機從天線輸入、高放、混頻、本振、中放、檢波直至音頻功放的全部功能。圖3顯示的是設計中用到的CXA1191調頻電路部分(圖中檢波解碼部分是本設計的擴展)。

當CXA1191處于調頻接收狀態時，無線信號先經過帶通濾波，然后進入12腳在內部完成高頻放大。放大后的信號與本振混頻產生10．7 MHz的中頻信號。在正常收音模式下(如圖中虛線所示)，該中頻信號經10．7 MHz陶瓷濾波器選頻后接至17腳，在內部鑒頻、檢波和音頻放大，最后驅動揚聲器發聲。
通過以上分析不難發現，CXA1191的結構可以分為兩部分：1)低噪放、混頻、濾波部分(即獲取10．7 MHz中頻信號的電路)，這是一般的超外差式接收機的通用結構；2)鑒頻、檢波和放大，這是其專有的用于音頻信號解調處理的結構。其通用結構完全可以用作數字通信的射頻前端。例如，如果有一ASK(振幅鍵控)信號，載頻在87～109 MHz以內，該信號能通過帶通濾波器進入高放和混頻電路。適當調節本振，可以在陶瓷濾波器輸出端獲得10．7 MHz的ASK信號，此信號仍保留著原始的調制信息只是載頻有所降低，這正是希望得到的中頻ASK信號。對這個信號再做檢波和解碼處理，即可得到所需的數字信號。經實驗驗證，這個設想是可行的。
具體設計如圖3所示。改造方法十分簡單，在原CXA1191調頻電路的基礎上，斷開10．7 MHz濾波器與17腳的連接，將濾波器的輸出接至后面的檢波電路。CXA1191的其他功能如中波和短波接收均未用到，與之關聯的電路皆可省去，使設計和調試的任務大大減輕。實際調試時要注意適當調節高放和本振的兩個調諧回路，同時觀察陶瓷濾波器的輸出，盡量使輸出幅度最大，噪聲和失真最小。