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基于藍牙技術的溫濕度采集系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】基于藍牙技術的溫濕度采集系統(tǒng)，包括：溫濕度傳感器、單片機、藍牙模塊和無線儲能模塊，其中溫濕度傳感器、藍牙模塊和無線儲能模塊分別都與單片機相連，溫濕度傳感器采樣溫濕度模擬值，并轉換為數(shù)字量后發(fā)送至單片機，單片機接收數(shù)據(jù)后通過藍牙模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至計算機接收端以及手機接收端，無線儲能模塊自身在環(huán)境中收集能量來對單片機供電。根據(jù)本發(fā)明的基于藍牙技術的溫濕度采集系統(tǒng)，通過藍牙無線傳送數(shù)據(jù)和通過無線儲能模塊實現(xiàn)系統(tǒng)的自身供電，從而能夠使本發(fā)明的溫濕度采集系統(tǒng)能夠應用到惡劣環(huán)境下的環(huán)境監(jiān)測。
【專利說明】基于藍牙技術的溫濕度采集系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本發(fā)明總體涉及溫濕度采集系統(tǒng)，具體涉及基于藍牙技術的節(jié)能溫濕度采集系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]無線通信技術在環(huán)境監(jiān)測和抗震救災等領域有重要的應用。無線傳感器常需安裝在人員不宜進入的復雜環(huán)境下。在此環(huán)境下，不便對無線傳感器更換電池，一旦電池能量不足無線傳感器將無法正常工作。此外，普通的有線通信技術也難以保證數(shù)據(jù)通信的完整實施，一旦通信電纜斷裂，整個測量系統(tǒng)將會癱瘓。
[0003]近年來能量收集(Energy Harvesting,EH)技術的研究有望解決能量收集問題,藍牙通信技術的發(fā)展也已日臻成熟，已受到業(yè)界廣泛關注。所謂能量收集即從無線傳感器工作環(huán)境中的太陽能，風能，振動等能量中直接獲取傳感器工作所需的電能，從而擺脫對傳統(tǒng)化學電池的依賴。當然，能量收集技術的應用還依賴于無線傳感器自身的低功耗電子設計。藍牙通信技術的使用也將大大降低測量系統(tǒng)的復雜度。綜合利用藍牙技術和能量收集技術將會對復雜環(huán)境下的信號檢測提供解決方案。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種基于藍牙技術的溫濕度采集系統(tǒng)，其能夠克服現(xiàn)有技術的某種或某些缺陷。
[0005]根據(jù)本發(fā)明的基于藍牙技術的溫濕度采集系統(tǒng)，包括:
[0006]溫濕度傳感器、單片機、藍牙模塊和無線儲能模塊，其中溫濕度傳感器、藍牙模塊和無線儲能模塊分別都與單片機相連，溫濕度傳感器采樣溫濕度模擬值，并轉換為數(shù)字量后發(fā)送至單片機，單片機接收數(shù)據(jù)后通過藍牙模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至計算機接收端以及手機接收端，無線儲能模塊自身在環(huán)境中收集能量來對單片機供電。
[0007]在本發(fā)明的一個具體實施例中，其中溫濕度傳感器采用AM2301傳感器，單片機芯片采用STC90C51，溫濕度傳感器與單片機之間通過單總線通信模式，溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)線通過上拉電阻與單片機的引腳相接。
[0008]在本發(fā)明的另一個具體實施例中，其中藍牙模塊采用HC-06型號的貼片式藍牙。
[0009]在本發(fā)明的又一個具體實施例中，其中無線儲能模塊采用LTC3588芯片，PZl與PZ2引腳之間連接有振動源，Vin端加入斷電備用電池，Vout端提供恒定電壓輸出。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的基于藍牙技術的溫濕度采集系統(tǒng)，通過藍牙無線傳送數(shù)據(jù)和通過無線儲能模塊實現(xiàn)系統(tǒng)的自身供電，從而能夠使本發(fā)明的溫濕度采集系統(tǒng)能夠應用到惡劣環(huán)境下的環(huán)境監(jiān)測。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1為根據(jù)本發(fā)明的溫濕度采集系統(tǒng)的整體結構示意圖；[0012]圖2為根據(jù)本發(fā)明的溫濕度采集系統(tǒng)的溫濕度傳感器的單總線連線圖；
[0013]圖3為根據(jù)本發(fā)明的溫濕度采集系統(tǒng)的單片機與傳感器、藍牙的引腳連接；以及
[0014]圖4為根據(jù)本發(fā)明的溫濕度采集系統(tǒng)的基于LTC3588芯片的儲能電路設計。
【具體實施方式】
[0015]下面結合附圖詳細描述為根據(jù)本發(fā)明的溫濕度采集系統(tǒng)。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的溫濕度采集系統(tǒng)主要包括溫濕度傳感器、單片機、藍牙模塊、無線儲能模塊以及數(shù)據(jù)接收端。下面具體描述各組件或模塊的設計和功能。
[0017](I)本發(fā)明的溫濕度傳感器采用AM2301傳感器。如圖2所示，AM2301濕敏電容數(shù)字溫濕度模塊是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器。它應用專用的數(shù)字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個電容式感濕元件和一個高精度測溫元件，并與一個高性能8位單片機想連接。因此該產品具有品質卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等優(yōu)點。每個傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進行校準。校準系數(shù)以程序的形式儲存在單片機中，傳感器內部在檢測信號的處理過程中要調用這些校準系數(shù)。標準單總線接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達20米以上，使其成為各類應用甚至最為苛刻的應用場合的最佳選擇。
[0018](2)單片機是系統(tǒng)的核心模塊，它首先溫濕度傳感器通信，并獲取溫濕度數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)傳輸至PC端及手機。如圖2所示，本發(fā)明的單片機所采用的是HC6800系列開發(fā)板，芯片為STC90C51。單片機的開發(fā)流程如下:l)Keil環(huán)境下的編程。KeilC51是美國KeilSoftware公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，是一個很好的單片機C語言集成開發(fā)環(huán)境(IDE)。該環(huán)境下，可執(zhí)行C語言的編輯、編譯，并輸出單片機可執(zhí)行的十六進制文件(.hex)。2)程序的燒錄。程序的燒錄是指將keil環(huán)境下所生成的十六進制文件(.hex)燒寫進單片機的程序存儲器。本發(fā)明采用STC-1SP，STC-1SP是一款單片機下載編程燒錄文件，針對STC系列單片機而設計，使用簡便，現(xiàn)已被廣泛使用。3)觀察數(shù)據(jù)采集結果。若代碼執(zhí)行無誤，最終溫濕度數(shù)據(jù)將在PC端的VB上位機和手機屏幕中顯示，并在PC端顯示走勢圖。
[0019]單片機內部有一個電源管理寄存器PC0N，這個寄存器的最低兩位，IDL和H)分別用來設定是否使單片機進入空閑模式和掉電模式。當單片機進入空閑模式時，除CPU處于休眠狀態(tài)外，其余硬件全部處于活動狀態(tài)，芯片中程序未涉及到的數(shù)據(jù)存儲器和特殊功能寄存器中的數(shù)據(jù)在空閑模式期間都將保持原值。但假若定時器正在運行，那么計數(shù)器寄存器中的值還將繼續(xù)增加。單片機在空閑模式下可由任一中斷或硬件復位喚醒。使單片機進入空閑模式的目的通常是為了降低系統(tǒng)的功耗。以STC90系列單片機為例，當單片機正常工作時的功耗通常為4mA?7mA，進入空閑模式時其功耗降至2mA，當進入掉電模式時功耗可降至0.1 μ A以下。本發(fā)明的軟件設計思想是單片機每隔30s采集一次溫濕度數(shù)據(jù)，然后進入空閑模式，30秒中斷到來時自動喚醒單片機，以實現(xiàn)低功耗的目的。
[0020](3)藍牙模塊:藍牙模塊是本發(fā)明中無線功能的具體實現(xiàn)，采用HC-06型號的貼片式藍牙，其功能與特點如下:1)誤碼率低2)低功耗，低成本3)體積小4)外圍設計電路簡單5)內置2.4G H z天線，用戶需調試天線。[0021]藍牙模塊的分配:藍牙模塊中共有三個藍牙，一個藍牙作為單片機模塊的無線信號發(fā)送裝置，另兩個藍牙分別作為PC端和手機端的無線信號接收裝置。整個藍牙模塊銜接方便，通信阻礙低，簡單輕松地解決了無線傳輸問題。
[0022](4)無線儲能模塊:如圖4所示，采用LTC3588芯片，該芯片集成了低損耗全波橋式整流器、具有高效率的降壓轉換器，以及優(yōu)化的高輸出阻抗能源諸如壓電傳感器，以形成完整的能量采集解決方案。超低靜態(tài)電流欠壓鎖定(UVLO)模式具有寬遲滯窗口，允許充電堆積在一個輸入電容，直到降壓轉換器有效地傳輸所存儲的電能至輸出端口。在調節(jié)階段，LTC3588-1進入睡眠狀態(tài)。此時輸入和輸出靜態(tài)電流是微乎其微的。降壓轉換器按照實際需求打開和關閉。芯片的四個輸出弓丨腳的電壓，1.8V，2.5V，3.3V和3.6V，可選擇高達IOOmA的連續(xù)輸出電流；輸出電容可適時受更高的輸出電流所調節(jié)。輸入保護分流設置為20V，可為輸入電容提供更多的能量儲存。
[0023]無線儲能模塊設計電路如圖4所示，PZl引腳和PZ2引腳中間連接一個振動源。在Vin端加入斷電備用電池。整個電路設計中涉及到二極管整流與電容電感。VOUT提供恒定
3.3V電壓輸出。
[0024]下面再結合附圖具體描述本發(fā)明的溫濕度采集系統(tǒng)的工作原理和過程。
[0025]圖1是溫濕度采集系統(tǒng)的整體結構示意圖。傳感器搭建好模擬電路，系統(tǒng)通過傳感器采樣環(huán)境中的模擬溫濕度值，傳感器自動將模擬量轉換為數(shù)字量后發(fā)送至單片機，單片機串口連接至藍牙。當單片機接收完數(shù)據(jù)后，通過無線藍牙裝置，將數(shù)據(jù)發(fā)送至計算機接收端以及手機接收端。計算機接收端通過基于Visual Basic編寫的程序實時接收溫濕度數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)以文本格式保存至計算機磁盤中，繪制出溫濕度走向圖，并標示出報警值。
[0026]圖2為單片機的芯片STC90C52與溫濕度傳感器AM2301的連接典型應用電路。單總線通信模式時，SDA上拉后與芯片的I/O端口相連。AM2301器件采用簡化的單總線通信。單總線即只有一根數(shù)據(jù)線，系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)交換、控制均由數(shù)據(jù)線完成。單片機(芯片STC90C52)通過一個漏極開路或三態(tài)端口連至該數(shù)據(jù)線，以允許設備在不發(fā)送數(shù)據(jù)時能夠釋放總線，而讓其它設備使用總線；單總線通常要求外接一個約5.1kQ的上拉電阻，這樣，當總線閑置時，其狀態(tài)為高電平。由于它們是主從結構，只有主機呼叫傳感器時，傳感器才會應答，因此主機訪問傳感器都必須嚴格遵循單總線序列，如果出現(xiàn)序列混亂，傳感器將不響應主機。
[0027]SDA用于單片機與AM2301之間的通訊和同步，采用單總線數(shù)據(jù)格式，一次傳送40位數(shù)據(jù)，高位先出。用戶主機(MCU)發(fā)送一次起始信號(把數(shù)據(jù)總線SDA拉低至少800 μ s)后，ΑΜ2301從休眠模式轉換到高速模式。待主機開始信號結束后，ΑΜ2301發(fā)送響應信號，從數(shù)據(jù)總線SDA串行送出40Bit的數(shù)據(jù)，先發(fā)送字節(jié)的高位；發(fā)送的數(shù)據(jù)依次為濕度高位、濕度低位、溫度高位、溫度低位、校驗位，發(fā)送數(shù)據(jù)結束觸發(fā)一次信息采集，采集結束傳感器自動轉入休眠模式，直到下一次通信來臨。
[0028]單片機與溫濕度傳感器和藍牙通信，以接收傳感器采樣到的溫濕度數(shù)據(jù)，并通過藍牙發(fā)送至計算機，實現(xiàn)無線傳輸?shù)墓δ堋Ｒ虼藛纹瑱C與傳感器和藍牙的引腳連接是保證數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)年P鍵。本系統(tǒng)中，擬利用單片機P1.0輸入/輸出端口與單總線式傳感器的數(shù)據(jù)發(fā)送接口(SDA)連接進行數(shù)據(jù)接收；單片機的串行通信口與藍牙連接，進行數(shù)據(jù)發(fā)送。各部分的引腳連連接如圖3所示。[0029]下面再介紹一下根據(jù)本發(fā)明的溫濕度采集系統(tǒng)的實驗調試過程，也是本發(fā)明的一個【具體實施方式】。
[0030]本實驗采用控制變量的試驗方法，首先保持溫度不變，改變環(huán)境濕度值，觀察計算機接收濕度值的實時走向圖；其次，同樣的方法，保持濕度不變，改變環(huán)境溫度值，觀察計算機接收溫度值的實時走向圖。因此，本實驗在一個密閉的房間中展開，內設空調模擬環(huán)境溫度變化，設除濕機來模擬環(huán)境濕度變化。實驗過程中，將無線儲能模塊的PZl與PZ2引腳之間的振動源以長直尺代替，長直尺端連接壓電陶瓷(型號T220-A4-503X)。壓電陶瓷連接至PZl與PZ2引腳。當長直尺以較高的頻率振動時，預計Vout端口可以得到3.3V電壓輸出。
[0031]操作步驟如下:
[0032]步驟一:連接各個模塊，檢查電路連線，確保系統(tǒng)可以正常運行。
[0033]步驟二:打開單片機開關，單片機與傳感器開始通信。
[0034]步驟三:打開計算機VB數(shù)據(jù)接收程序，觀察VB數(shù)據(jù)接收窗口是否有溫濕度數(shù)據(jù)。
[0035]步驟四:打開手機藍牙數(shù)據(jù)接收程序，觀察接收區(qū)是否能夠接收到數(shù)據(jù)。
[0036]步驟五:僅控制溫度上升，記錄下5分鐘內10次的溫度及濕度值。
[0037]當只控制溫度上升的時候，記錄下5分鐘內10次的溫度及濕度值，并利用計算機繪制折線圖。當只控制相對濕度上升的時候，記錄下5分鐘內10次的相對濕度及溫度值，并利用計算機繪制折線圖。在單片機發(fā)送數(shù)據(jù)的同時，打開手機藍牙數(shù)據(jù)接收程序，藍牙配對完成后觀察程序接收區(qū)的數(shù)據(jù)值。
[0038]本領域技術人員應當理解，上述圖示內容和實施例僅用于解釋本發(fā)明而非用于對其作出任何限制。
【權利要求】
1.一種基于藍牙技術的溫濕度采集系統(tǒng)，包括: 溫濕度傳感器、單片機、藍牙模塊和無線儲能模塊，其中溫濕度傳感器、藍牙模塊和無線儲能模塊分別都與單片機相連，溫濕度傳感器采樣溫濕度模擬值，并轉換為數(shù)字量后發(fā)送至單片機，單片機接收數(shù)據(jù)后通過藍牙模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至計算機接收端以及手機接收端，無線儲能模塊自身在環(huán)境中收集能量來對單片機供電。
2.根據(jù)權利要求1所述的溫濕度采集系統(tǒng)，其中溫濕度傳感器采用AM2301傳感器，單片機芯片采用STC90C51，溫濕度傳感器與單片機之間通過單總線通信模式，溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)線通過上拉電阻與單片機的引腳相接。
3.根據(jù)權利要求1所述的溫濕度采集系統(tǒng)，其中藍牙模塊采用HC-06型號的貼片式藍牙。
4.根據(jù)權利要求1所述的溫濕度采集系統(tǒng)，其中無線儲能模塊采用LTC3588芯片，PZl與PZ2引腳之間連接有振動源，Vin端加入斷電備用電池，Vout端提供恒定電壓輸出。
【文檔編號】G01D21/02GK103822667SQ201410075705
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年3月4日 優(yōu)先權日:2014年3月4日
【發(fā)明者】孫紅, 魯曉琴, 金辰, 張華軒, 尚靜, 潘永軍 申請人:上海理工大學