[論文レビュー] Design and Development of Low Cost PC Based Real Time Temperature and Humidity Monitoring System

Nungleppam Monoranjan Singh, Kanak Chandra Sarma|arXiv (Cornell University)|Jul 14, 2012

Embedded Systems and FPGA Design参考文献 8被引用数 10

ひとこと要約

本論文では、PIC12F675マイコン、LM35およびTPS-00715センサ、シリアル/USB通信を用いた低コストでPCベースのリアルタイム温度・湿度モニタリングシステムを提示する。10ビット分解能（4.88mVの精度）を達成し、湿度は5次多項式補正により測定され、商業用湿度計と比較して±2%未満のずれを示し、低コストで研究室および産業用途に適している。

ABSTRACT

This paper presents the design and development of a low cost Data Acquisition System (DAS) using PIC12F675 microcontroller for real time temperature and humidity monitoring. The designed DAS has 4 analog input channels having 10-bit resolution and was interfaced through the serial port of the PC. A precision integrated temperature sensor and an instrumentation-quality RH (Relative Humidity) sensor were used for sensing the temperature and humidity respectively. The firmware was written in Basic and compiled using Oshonsoft PIC IDE and downloaded to the microcontroller by using PICkit2 programmer. An application program was also developed using Visual Basic 6, which allows displaying the waveform of the signal(s) in real time and the data can be saved into the hard disk of the computer for future use and analysis. It can also be interfaced to the USB port of the PC or laptop using USB to serial adapter BAFO BF-810. Thus, the designed low cost device works with the legacy hardware as well as the modern USB interface.

研究の動機と目的

• 研究室および産業現場における温度および相対湿度の継続的モニタリングのため、低コストでリアルタイムのデータ取得システムを開発すること。
• 手動測定の限界および高価な商業用データ取得（DAQ）カードの欠点を克服し、特にリソースが限られた機関に適したシステムを提供すること。
• レガシーポートのRS-232と最新のUSBインターフェースの両方に対応するため、USB-シリアルアダプタを用いたシステム設計を行うこと。
• 信号整形、ファームウェアベースのADCサンプリング、非線形センサ出力の多項式補正を活用し、高い精度と信頼性を実現すること。
• リアルタイムのデータ可視化、ログ記録、および将来的な分析を想定した.csv形式での長期保存を可能にすること。

提案手法

• PIC12F675マイコンを用いたデータ取得システム（DAS）を構築し、4つの10ビットADC入力チャネルと内部4MHz発振子を搭載した。
• 温度はLM35（0–50 °C、10mV/°C）センサ、湿度はTPS-00715（10–90% RHに対応して1–3V出力）センサをそれぞれ使用した。
• OP07演算増幅器とザイナーダイオードを用いた信号整形回路により、入力を保護し、出力をマイコンの互換性のある0–5Vにスケーリングした。
• Oshonsoft PIC IDEを用いたBasic言語によるファームウェアを記述し、PICkit2プログラマを介してPIC12F675にプログラムし、定期的なADCサンプリングとシリアル送信を実行した。
• Visual Basic 6アプリケーションがMSCommコンponentを用いてシリアルポートをポーリングし、データ受信、リアルタイム波形表示、.csv形式でのデータ保存を実行した。
• 電圧読み取り値をパcent単位の相対湿度に変換するため、5次多項式方程式（y = 15.538x⁵ – 161.37x⁴ + 655.54x³ – 1289.1x² + 1259.3x – 472.15）を実装した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 市販部品を用いた低コストでPCベースのシステムが、リアルタイムかつ高精度な温度・湿度モニタリングを実現できるか？
• RQ2 自作DASの相対湿度測定精度は、商業用デジタル湿度計と比較してどの程度の性能を示すか？
• RQ3 10ビット分解能とシリアル通信を備えたマイコンベースのシステムが、研究室および産業用モニタリングのニーズをどの程度満たせるか？
• RQ4 標準アダプタを用いて、レガシーなRS-232と最新のUSBインターフェースの両方に互換性を持たせられるか？
• RQ5 非線形湿度センサ出力の多項式補正により、どの程度の精度が達成できるか？

主な発見

• システムは0–5V範囲における10ビットADCにより4.88mVの電圧分解能を達成し、高精度なデータ取得が可能となった。
• 自作システム（RH4）と商業用湿度計（RH1、RH2）との間の湿度測定誤差は±2%未満であり、一般的な5%の閾値をはるかに上回る性能を示した。
• TPS-00715センサの補正曲線は実験データと強く一致しており、5次多項式フィットによって妥当性が検証された。
• システムは12時間にわたる温度および湿度のリアルタイム波形を正常に再構築し、後続分析用に.csv形式でデータを保存した。
• BAFO BF-810 USB-シリアルアダプタを用いることで、RS-232およびUSBインターフェースの両方と正常に動作し、後方および前方互換性を確保した。
• システム全体は極めて低コストで開発されたため、予算が限られた教育・研究機関での導入に適していることが示された。