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摘要为了更好地解决严寒地区供热温湿度检测的问题， 设计了基于单总线技术的温湿度检测系统。介绍了系统的总体设计方案， 并对单总线温湿度检测电路， 通信电路等硬件设计， 以及系统软件设计及流程进行了阐述。通过补偿前后的温湿度测试结果比较， 表明该系统能够满足对温湿度要求比较高的场合。
关键词 单总线技术 温湿度检测 LabVIEW 虚拟仪器软件 CAN 总线技术
在严寒地区， 供热是否达标是供热部门和用户之间最敏感的话题。传统的温湿度检测系统需要使用电源、信号、地线等多根导线， 同时对信号传输距离、电磁干扰等方面的要求较为严格。尤其是在测量点数较多时， 系统的成本明显增加， 而系统的可靠性却大为降低。
为了更好地解决物业和用户之间的矛盾， 实时检测用户端的温湿度， 保证供热质量， 设计了基于单总线技术的全数字化多点温湿度检测系统。
1 系统总体设计方案
系统主要由用户终端（下位机）、中继站和上位机（物业管理中心） 组成， 见图1。下位机负责采集各房间的温湿度， 并通过CAN 总线将采集到的数据传送到中继站； 中继站（一栋楼设一个） 对不同用户终端的温湿度进行整理和保存， 并定时（每隔15 s）将数据通PTR8000 无线传输模块传送到物业管理中心。上位机主要对小区内每户的每个房间温湿度进行统一管理和实时检测， 在保证供热达标的前提下，实现节能。
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关键词 单总线技术 温湿度检测 LabVIEW 虚拟仪器软件 CAN 总线技术
在严寒地区， 供热是否达标是供热部门和用户之间最敏感的话题。传统的温湿度检测系统需要使用电源、信号、地线等多根导线， 同时对信号传输距离、电磁干扰等方面的要求较为严格。尤其是在测量点数较多时， 系统的成本明显增加， 而系统的可靠性却大为降低。
为了更好地解决物业和用户之间的矛盾， 实时检测用户端的温湿度， 保证供热质量， 设计了基于单总线技术的全数字化多点温湿度检测系统。
1 系统总体设计方案
系统主要由用户终端（下位机）、中继站和上位机（物业管理中心） 组成， 见图1。下位机负责采集各房间的温湿度， 并通过CAN 总线将采集到的数据传送到中继站； 中继站（一栋楼设一个） 对不同用户终端的温湿度进行整理和保存， 并定时（每隔15 s）将数据通PTR8000 无线传输模块传送到物业管理中心。上位机主要对小区内每户的每个房间温湿度进行统一管理和实时检测， 在保证供热达标的前提下，实现节能。
2 系统电路设计
2. 1 单总线温湿度检测电路
2． 1． 1 温湿度传感器设计
温湿度传感器是本系统的测量单元， 设计中将Honeywell 公司生产的相对湿度传感器HIH - 3610 和Dallas 公司生产的智能电池监视器DS2438 相结合，构成如图2 所示的单总线多点温湿度检测电路， 从而大大减少了布线及安装费用， 提高了智能化程度和测量精度。湿度传感器HIH - 3610 具有精度高、响应快速、高稳定性、低温漂、抗化学腐蚀性能强及互换性好等优点。HIH - 3610 输出电压与相对湿度的关系曲线如图3 所示。
2 ． 1 ． 2 温湿度检测原理
设计中选用Dallas公司的智能电池监视器件DS243 8 来完成测量点的温度和湿度传感器HIH - 3610 的VCC和VOUT的测量。
DS2438 器件的工作方式为单总线技术， 即将地址线、数据线、控制线合为一根信号线， 数据交换和控制都在这根线上完成。其内置13位温度传感器（最小分辨率为0 . 031 25 ℃）、二通道10 位电压A / D 转换寄存器、10 位电流A / D 转换寄存器、40 byte 非易失性用户存储器。
湿度传感器HIH - 3610 的输出电压与相对湿度的关系式为：值得一提的是电压VCC并非恒等于5 V， 事实上受到技术和电网等干扰的影响， 其电压是在5 V 附近有微小的波动。公式（2） 是在25 ℃ 时传感器输出电压和相对湿度的关系， 当环境温度改变时应进行温度补偿， 补偿公式为：
RH = （sensor % RH） /（1. 054 6 - 0. 002 16 T ） （3）
式中： T——— 环境温度值， ℃；
RH——— 湿度的修正值， 即环境的实际湿度值。
2. 2 通信电路设计
2． 2． 1 用户终端和中继站之间的通信
考虑到上下楼层之间的屏蔽和各种干扰给无线通信带来的传输距离短、性能不稳定等问题， 用户和中继站之间的通信采用CAN 总线技术。CAN 总线（Controller Area Network） 即控制器局域网， 是由德国Bosch 公司20 世纪80 年代初提出的， 是国际上应用最广泛的现场总线之一。最初CAN 总线被设计作为汽车环境中的通讯， 在车载电子控制装置之间交换信息，形成汽车电子控制网络。由于其卓越的性能、极高的可靠性和低廉的价格， 应用范围越来越广泛， CAN 已经形成标准， 并已被公认为几种最有前途的现场总线之一［1］。其通信电路见图4， 图中SJA1000 为CAN通信控制器、82C250 为CAN 总线驱动器， 控制器AT89S52 负责采集各用户终端的温湿度， 并通过P TR8000 将数据传送到上位机。
为了增强CAN 总线节点的抗干扰能力， SJA1000的TX0 和RX0 与82C250 之间加光电耦合器TLP521 - 2 ， 实现了CAN 总线上各用户间的电气隔离。另外， 82C250 的CANH 和CANL 之间接120 Ω电阻， 达到阻抗匹配的目的， 提高数据传输距离和传输质量。
2． 2． 2 中继站和上位机之间的通信
中继站和上位机之间的通信采用无线通信方式。通信模块为挪威Nordic 公司推出的PTR8000 射频发射器芯片。工作电压为1 . 9 ~ 3 . 6 V， 可使用433 /868 / 915 MHz 3 个不同的ISM （工业、科学、医学）频段（可以免费使用）。
PTR8000 传输数据时为非实时方式， 即接收端收到发送端发出的数据后先暂存于芯片存储器内，控制器可以在需要时再到芯片中去取。控制器和PTR8000 接口连接见图5。电路中+ 5 V 电压通过A1117 线性稳压器降为+ 3. 3V 的电压， 作为PTR8000模块的工作电压。
2． 2． 3 通信可靠性措施
为了防止两个或两个以上的用户终端同时传送报文所产生的总线访问冲突现象，CA N 总线通过使用标识符的逐位仲裁解决冲突。仲裁机制确保了报文和时间均不损失。在仲裁期间， 每一个用户终端对发送位的电平（CAN 总线上用“显性” 和“隐性” 这两个互补的逻辑值表示“0” 和“1”） 与被监控的总线电平进行比较。如果电平相同， 则该用户终端可以继续发送； 如果发送的电平和监视到的电平不一致，则该单元就失去了仲裁， 必须退出发送状态。设置CAN 总线仲裁域中的11 位标识符可以对每个用户加以区别。
2. 3 智能显示终端
利用QX 32C_256 彩色LCD （液晶显示） 智能显示终端可以完成时间、各种数据及图形的显示， 而且依靠触摸屏的特殊输入功能还能实现传统键盘的功能。另外它还具有功耗低、抗干扰能力强、性价比高、重量轻、安装方便等特点［2］。中继站的控制器与QX 32C_256 智能显示终端的连接如图6 所示。
3 软件设计
系统的软件设计主要包括用户终端的温湿度检测、中继站的数据通信和管理、上位机的数据管理。中继站和用户终端的软件编程主要采用C 语言和汇编语言嵌套的方式（DS2438 单总线器件对时序要求特别严格， 数据采集和通信需用汇编语言编写）［3］。为了减少编程的工作量， 上位机的管理程序用LabVIEW 8. 0编写， 以方便小区物业管理中心实时检测各用户的温湿度并加以补偿。LabVIEW 8. 0软件平台采用强大的图形化语言编程， 人机界面友好， 具有完善的数据可视化分析和仪器控制能力［ 4 ］。具体程序设计流程图见图7 ~ 图9。
4 测试结果
及校正图10 为在没有温度补偿情况下测得的温湿度传感器的变化曲线。从图10 （b） 中可知， 当没有温度补偿时， 相对湿度值几乎没有变化。
为了得到较准确的相对湿度值，应对由于环境温度和工作电压变化而引起的相对湿度值的变化进行相应的补偿（即通过公式3 加以补偿）。补偿后的温湿度变化曲线如图11所示。从图11 中可以看出： 在环境温度发生变化时， 湿度也发生相应的变化， 提高了测量精度， 能满足对温湿度要求比较高的应用场合。
5 结束语
利用单总线温湿度传感技术、CAN 总线技术、PTR8000 无线传输模块、LabVIEW 虚拟仪器软件，设计了测量精度和智能化程度较高的小区温湿度检测系统。本系统的研究成果已经使用于吉林省某高校的学生宿舍供热管理， 保证供热质量的同时， 节省了大量的能源。实践证明， 本系统结构简单、安装方便、智能化程度高、便于管理， 在智能小区建设和其他相关领域中具有广泛的应用前景。
2. 1 单总线温湿度检测电路
2． 1． 1 温湿度传感器设计
温湿度传感器是本系统的测量单元， 设计中将Honeywell 公司生产的相对湿度传感器HIH - 3610 和Dallas 公司生产的智能电池监视器DS2438 相结合，构成如图2 所示的单总线多点温湿度检测电路， 从而大大减少了布线及安装费用， 提高了智能化程度和测量精度。湿度传感器HIH - 3610 具有精度高、响应快速、高稳定性、低温漂、抗化学腐蚀性能强及互换性好等优点。HIH - 3610 输出电压与相对湿度的关系曲线如图3 所示。
2 ． 1 ． 2 温湿度检测原理
设计中选用Dallas公司的智能电池监视器件DS243 8 来完成测量点的温度和湿度传感器HIH - 3610 的VCC和VOUT的测量。
DS2438 器件的工作方式为单总线技术， 即将地址线、数据线、控制线合为一根信号线， 数据交换和控制都在这根线上完成。其内置13位温度传感器（最小分辨率为0 . 031 25 ℃）、二通道10 位电压A / D 转换寄存器、10 位电流A / D 转换寄存器、40 byte 非易失性用户存储器。
湿度传感器HIH - 3610 的输出电压与相对湿度的关系式为：值得一提的是电压VCC并非恒等于5 V， 事实上受到技术和电网等干扰的影响， 其电压是在5 V 附近有微小的波动。公式（2） 是在25 ℃ 时传感器输出电压和相对湿度的关系， 当环境温度改变时应进行温度补偿， 补偿公式为：
RH = （sensor % RH） /（1. 054 6 - 0. 002 16 T ） （3）
式中： T——— 环境温度值， ℃；
RH——— 湿度的修正值， 即环境的实际湿度值。
2. 2 通信电路设计
2． 2． 1 用户终端和中继站之间的通信
考虑到上下楼层之间的屏蔽和各种干扰给无线通信带来的传输距离短、性能不稳定等问题， 用户和中继站之间的通信采用CAN 总线技术。CAN 总线（Controller Area Network） 即控制器局域网， 是由德国Bosch 公司20 世纪80 年代初提出的， 是国际上应用最广泛的现场总线之一。最初CAN 总线被设计作为汽车环境中的通讯， 在车载电子控制装置之间交换信息，形成汽车电子控制网络。由于其卓越的性能、极高的可靠性和低廉的价格， 应用范围越来越广泛， CAN 已经形成标准， 并已被公认为几种最有前途的现场总线之一［1］。其通信电路见图4， 图中SJA1000 为CAN通信控制器、82C250 为CAN 总线驱动器， 控制器AT89S52 负责采集各用户终端的温湿度， 并通过P TR8000 将数据传送到上位机。
为了增强CAN 总线节点的抗干扰能力， SJA1000的TX0 和RX0 与82C250 之间加光电耦合器TLP521 - 2 ， 实现了CAN 总线上各用户间的电气隔离。另外， 82C250 的CANH 和CANL 之间接120 Ω电阻， 达到阻抗匹配的目的， 提高数据传输距离和传输质量。
2． 2． 2 中继站和上位机之间的通信
中继站和上位机之间的通信采用无线通信方式。通信模块为挪威Nordic 公司推出的PTR8000 射频发射器芯片。工作电压为1 . 9 ~ 3 . 6 V， 可使用433 /868 / 915 MHz 3 个不同的ISM （工业、科学、医学）频段（可以免费使用）。
PTR8000 传输数据时为非实时方式， 即接收端收到发送端发出的数据后先暂存于芯片存储器内，控制器可以在需要时再到芯片中去取。控制器和PTR8000 接口连接见图5。电路中+ 5 V 电压通过A1117 线性稳压器降为+ 3. 3V 的电压， 作为PTR8000模块的工作电压。
2． 2． 3 通信可靠性措施
为了防止两个或两个以上的用户终端同时传送报文所产生的总线访问冲突现象，CA N 总线通过使用标识符的逐位仲裁解决冲突。仲裁机制确保了报文和时间均不损失。在仲裁期间， 每一个用户终端对发送位的电平（CAN 总线上用“显性” 和“隐性” 这两个互补的逻辑值表示“0” 和“1”） 与被监控的总线电平进行比较。如果电平相同， 则该用户终端可以继续发送； 如果发送的电平和监视到的电平不一致，则该单元就失去了仲裁， 必须退出发送状态。设置CAN 总线仲裁域中的11 位标识符可以对每个用户加以区别。
2. 3 智能显示终端
利用QX 32C_256 彩色LCD （液晶显示） 智能显示终端可以完成时间、各种数据及图形的显示， 而且依靠触摸屏的特殊输入功能还能实现传统键盘的功能。另外它还具有功耗低、抗干扰能力强、性价比高、重量轻、安装方便等特点［2］。中继站的控制器与QX 32C_256 智能显示终端的连接如图6 所示。
3 软件设计
系统的软件设计主要包括用户终端的温湿度检测、中继站的数据通信和管理、上位机的数据管理。中继站和用户终端的软件编程主要采用C 语言和汇编语言嵌套的方式（DS2438 单总线器件对时序要求特别严格， 数据采集和通信需用汇编语言编写）［3］。为了减少编程的工作量， 上位机的管理程序用LabVIEW 8. 0编写， 以方便小区物业管理中心实时检测各用户的温湿度并加以补偿。LabVIEW 8. 0软件平台采用强大的图形化语言编程， 人机界面友好， 具有完善的数据可视化分析和仪器控制能力［ 4 ］。具体程序设计流程图见图7 ~ 图9。
4 测试结果
及校正图10 为在没有温度补偿情况下测得的温湿度传感器的变化曲线。从图10 （b） 中可知， 当没有温度补偿时， 相对湿度值几乎没有变化。
为了得到较准确的相对湿度值，应对由于环境温度和工作电压变化而引起的相对湿度值的变化进行相应的补偿（即通过公式3 加以补偿）。补偿后的温湿度变化曲线如图11所示。从图11 中可以看出： 在环境温度发生变化时， 湿度也发生相应的变化， 提高了测量精度， 能满足对温湿度要求比较高的应用场合。
5 结束语
利用单总线温湿度传感技术、CAN 总线技术、PTR8000 无线传输模块、LabVIEW 虚拟仪器软件，设计了测量精度和智能化程度较高的小区温湿度检测系统。本系统的研究成果已经使用于吉林省某高校的学生宿舍供热管理， 保证供热质量的同时， 节省了大量的能源。实践证明， 本系统结构简单、安装方便、智能化程度高、便于管理， 在智能小区建设和其他相关领域中具有广泛的应用前景。