基于CC1101模块的无线温湿度监测终端设计

李鹏

（湖北交通职业技术学院交通信息学院 湖北省武汉市 430079）

仓库内环境的温湿度是直接影响所存储物资保管质量的重要因素[1]。传统的仓储系统对温湿度的控制实时性较差，主要体现在对温湿度的采集与温湿度的控制系统之间闭环响应速度不够，而且温湿度监测装置布线较为麻烦，可维护性与可扩展性较差。随着时代的发展与社会的进步，仓储系统也迎来了新的挑战。如何精确高效的采集仓库内环境的温湿度参数并传送至主机或者管理员从而形成快速的闭环，具有重要的研究意义。基于此，设计了一款无线温湿度监测终端，它采用聚合物锂电池供电、方便布线的同时能高效的传输数据。本文将通过系统总体组成，硬软件部分的设计来介绍无线温湿度监测终端的设计。

1 系统与无线温湿度监测终端框架

温湿度监测系统主要包括无线温湿度监测终端、无线智能网关和工控机。各终端通过SHT10 将温湿度信号采集，终端内单片机将采集到的数据按照通信协议打包之后通过CC1101 模块发送到无线智能网关，智能网关将各个终端发送来的数据解析之后再打包发送到工控机。系统的框架如图1所示。

图1：系统总体框图

2 无线终端硬件设计

无线温湿度监测终端采用STC15W4K56S4 单片机作为主控芯片，整个终端的主要组成部分为MCU 最小系统、CC1101 无线通信模块、SHT10 温湿度采集单元、无线终端地址编码单元、电源单元。各个单元通过MCU 最小系统协调无线温湿度监测终端的整体硬件框图如图2所示。

图2：无线温湿度监测终端的整体硬件框图

2.1 MCU最小系统设计

MCU 最小系统作为整个系统的核心，主要有以下作用：配置CC1101 模块、驱动SHT10 温湿度模块、对采集数据打包并按数据帧发送。终端采用的MCU 为国产STC15W4K56S4 单片机，该型号单片机是一种增强型的8051 内核单片机，运算速度比普通8051内核单片机快8-12 倍、具备2.5V～5.5V 的宽工作电压、大容量的存储器[2]。除此之外，外设也非常丰富，抗干扰能力也很强，在本应用场合是一个较为理想的主控芯片。最小系统与外围电路如图3所示。

图3：单片机最小系统与外围电路图

2.2 温湿度采集单元设计

针对温湿度的测量，综合各方面因素，本设计选用了SHT10传感器，该传感器集环境温度、湿度测量于一体，在精度要求不高的场合是一种非常理想的选择，具有成本低、稳定性好的特点。每个SHT1X 系列的传感器都经过精确的校准，可以为后期的调试节省精力。此外，其工作电压也是宽范围（2.5V～5.5V），外围电路也很简单，无需额外的信号调理电路，所占的PCB 尺寸也较少，非常适用于各类移动终端。其对外的接口为两线双向的串行接口，易于被单片机控制，单片机可以通过此接口向SHT10 发送不同的指令进而测量温度和湿度，SHT10 与单片机接口电路如图4所示。

图4：SHT10 接口电路图

2.3 无线通信单元

无线通信的方式有很多，本终端和相对应的智能网关之间数据的收发均采用工业级CC1101 模块实现。该模块的核心为TI 公司的CC1101 芯片。CC1101 是一种单片低成本的Sub-1GHzRF 收发芯片，工作频段可调，主要工作于315/433/868/915MHz、ISM/SRD频段。数据传输速率可达500kbps，发射功率最大10mW，发射功率也可根据需要通过软件调节，此外还有多种调制模式可设置。鉴于低频段信号波长较长、信号绕射能力好等特点[3]。本设计中采用的433MHz 作为基频。同时，该芯片具有4 线SPI 接口，单片机可通过该SPI 接口来配置CC1101 的工作模式以及发送和接受数据。此外，鉴于该芯片需要配置的寄存器太多，而且参数配置复杂，可借助于SmartRFStudio 7 来简化以上工作。CC1101 无线模块与接口电路如图5所示。

图5：CC1101 模块与接口电路图

2.4 地址编码单元

无线智能网关和各个无线温湿度监测终端之间形成了一个星型网络拓扑结构[4]。为了方便上位机的管理、以及设备灵活的组网，因此需要对各个无线温湿度监测终端设定一个地址或者编号（ID），本单元利用编码开关和若干电阻实现了地址编码的功能，其电路图如图6所示。

图6：地址编码单元电路图

2.5 电源单元

终端采用聚合物锂电池供电，锂电的电压为3.7V，CC1101 模块承载电压超过3.6V 会被烧坏。为保证整个终端安全稳定的工作，故而将系统电压设定为3.3V。一般的LDO 芯片压降偏大，在这里选用的电源管理芯片为RT8059，它是一款高效率的DC/DC 转换芯片，具有2.5V～5.5V 的宽电压输入，是一款非常适用于单节锂电的电源管理芯片。电源单元电路图如图7所示，可通过调整R1、R2的阻值调节输出电压。

图7：电源单元电路图

3 软件设计

软件部分采用C 语言层次化、模块化的完成了无线温湿度检测终端的固件程序设计[5]。将整个工程分成了硬件层、中间层、应用层。按照功能模块又分成了初始化模块、设备自检模块、温湿度数据采集模块、数据打包模块、数据发送等模块。程序的工作流程如图8所示。

图8：程序流程图

无线终端开机后首先调用初始化模块进行各单元的初始化，以及对CC1101 模块进行配置。初始化完成后进入设备自检阶段，本阶段主要对终端中相应的硬件单元检测，以确保系统正常运行，自检通过后读取拨码开关设置的节点地址并存储，然后进入周期性的温湿度测量阶段，采集到温湿度数据后和节点地址组成数据帧发送至无线智能网关。

4 小结

基于CC1101模块的无线温湿度监测终端采用低成本的单片机、传感器、无线通信某块实现了温湿度的监测。同传统的仓储管理方式相比，节省成本的同时还可以显著的提高效率。此外，本终端采用电池供电和无线通信的方式传输数据，也可以为施工和运维带来便利，具有一定的实用价值。存在的不足是CC1101的传输距离有限，若监测范围较大，需要额外的无线智能网关或中继，这也是今后有待改进的地方。