室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引 言

健康舒適的室內(nèi)環(huán)境對(duì)任何一種建筑來(lái)說(shuō)都尤為重要， 實(shí)驗(yàn)室作為人員密集型建筑，良好的室內(nèi)環(huán)境有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。如果溫度過(guò)高或過(guò)低，濕度過(guò)濕（高于 70%） 或過(guò)燥（低于 30%），光照的過(guò)明或過(guò)暗，都會(huì)使學(xué)生產(chǎn)生不適感，影響正常排汗和情緒、降低注意力。由此可見(jiàn)，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的不盡人意，在無(wú)形中影響了學(xué)生的健康和學(xué)習(xí)效率。因此，開(kāi)發(fā)了室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以便 24 小時(shí)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境質(zhì)量參數(shù)。本無(wú)線檢測(cè)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)如下（：1）該系統(tǒng)可以延長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)室里面設(shè)備的使用壽命，為設(shè)備提供一個(gè)安全的使用環(huán)境 ；（2）該系統(tǒng)能夠提高管理效率，溫濕度數(shù)據(jù)可以遠(yuǎn)程傳輸，管理人員在巡查的時(shí)候不必到機(jī)房去就可以遠(yuǎn)程了解實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境問(wèn)題 ；（3）本系統(tǒng)可以代替管理人員 24 小時(shí)監(jiān)控非上班時(shí)間實(shí)驗(yàn)室存在的安全隱患，達(dá)到對(duì)實(shí)驗(yàn)室遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

在日常生活中，由于存在個(gè)體差異，在各種條件下要找到一個(gè)單一的指標(biāo)來(lái)準(zhǔn)確反映人體對(duì)環(huán)境的舒適性是很困難的。因此，在環(huán)境舒適性的檢測(cè)過(guò)程中，我們往往關(guān)注三個(gè)比較重要的影響環(huán)境舒適性的因素：溫度、濕度、照度。所以本系統(tǒng)針對(duì)實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境分別采集溫度、濕度、照度這三個(gè)因素來(lái)衡量實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的舒適性。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示。

本文所述的室內(nèi)環(huán)境無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為硬件設(shè)計(jì)方案和軟件設(shè)計(jì)方案兩部分。

1.1 硬件設(shè)計(jì)方案

該系統(tǒng)采用模塊化的硬件設(shè)計(jì)，由 STC12 系列單片機(jī)微控制器、溫濕度傳感器、光照傳感器、CC2530 芯片的ZigBee 收發(fā)模塊、液晶顯示模塊、電源模塊等組成。該終端具有室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的自動(dòng)采集、計(jì)算處理等功能，它可以連續(xù)自動(dòng)地測(cè)量溫度、濕度、光照這些指標(biāo)，各種要素經(jīng)過(guò)傳感器將模擬量轉(zhuǎn)化成相應(yīng)數(shù)字量，供采集器定時(shí)處理后給單片機(jī)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、顯示及無(wú)線傳輸。

1.2 軟件設(shè)計(jì)方案

室內(nèi)環(huán)境無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)由主程序、溫濕度傳感器驅(qū)動(dòng)子程序、光照傳感器驅(qū)動(dòng)子程序、LCD12864 液晶顯示子程序、串口通信子程序等組成。對(duì)于硬件方案用到的編程軟件其中包括對(duì)于微控 STC12C5A60S2 進(jìn)行 C 語(yǔ)言程序編譯的Keil 軟件，將Keil 軟件生成的.hex 頭文件燒錄至 MCU 中的下載軟件STC-ISP 中。

2 室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量無(wú)線采集系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)過(guò)程中， 使用了模塊化的設(shè)計(jì)方法，分別為微處理器電路設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集模塊電路設(shè)計(jì)、顯示模塊電路設(shè)計(jì)、串口通信電路設(shè)計(jì)、無(wú)線收發(fā)模塊。在本系統(tǒng)中，對(duì)實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量參數(shù)數(shù)據(jù)的采集主要依靠各種傳感器，如溫濕度傳感器AM2301、照度傳感器模塊 GY30。這些傳感器的工作原理是利用物質(zhì)各種物理性質(zhì)隨環(huán)境變化的規(guī)律把溫度、濕度、照度等轉(zhuǎn)換為模擬量或數(shù)字量進(jìn)行輸出，通過(guò)單片機(jī)采集這些電量數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行計(jì)算即可確定各環(huán)境參數(shù)的數(shù)值。在室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，本文使用了STC12C5A60S2 單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)。具體包括 ：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)，溫濕度接口電路，光照接口電路，接口電路，電源電路，串口通信接口電路。

2.1 MCU的選型

本 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 采 用 的 是 STC12C5A60S2 單 片 機(jī)。

STC12C5A60S2 在眾多的 51 系列單片機(jī)中，算是國(guó)內(nèi) STC 公司的1T 增強(qiáng)系列中更具有競(jìng)爭(zhēng)力的一種，因?yàn)樗坏?051 指令、管腳完全兼容，而且其片內(nèi)具有Flash工藝的大容量程序存儲(chǔ)器。如STC12C5A60S2 單片機(jī)內(nèi)部就自帶高達(dá) 60 K 的 FlashROM， 這種工藝的存儲(chǔ)器用戶(hù)可以用電的方式瞬間擦除、改寫(xiě)。而且STC 系列單片機(jī)支持串口程序燒寫(xiě)。顯而易見(jiàn)，這種單片機(jī)對(duì)開(kāi)發(fā)設(shè)備的要求很低，開(kāi)發(fā)時(shí)間也大大縮短。寫(xiě)入單片機(jī)內(nèi)的程序還可進(jìn)行加密，很好地保護(hù)了用戶(hù)的勞動(dòng)成果。

2.2 溫濕度傳感器AM2301

DHT21 數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專(zhuān)用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電容式感濕元件和一個(gè)NTC 測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能 8 位單片機(jī)相連接。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性?xún)r(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。每個(gè)DHT21 傳感器都在極為精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲(chǔ)存在OTP 內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測(cè)信號(hào)的處理過(guò)程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號(hào)傳輸距離可達(dá) 20 米以上，使其成為各類(lèi)應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場(chǎng)合的最佳選擇。

2.3 光照傳感器模塊GY30

本系統(tǒng)采用新型單片測(cè)光芯片 GY30 模塊，該模塊的工作電壓為 3.3 V，內(nèi)置了 BH1750 芯片，可以對(duì)廣泛的亮度進(jìn)行 1 勒克斯的高精度測(cè)定，實(shí)現(xiàn)了照明度（1 ～ 65 536 勒克斯）數(shù)字值的直接輸出。主控器通過(guò)I2C（Inter － Integrated Circuit）通訊接口讀取 GY30 采集到的數(shù)據(jù)，然后按照用戶(hù)要求的形式通過(guò)界面將數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出來(lái)。

2.4 ZigBee數(shù)據(jù)傳輸模塊選型

本系統(tǒng)中所使用的 ZigBee 模塊為某電子公司的無(wú)線模塊，該無(wú)線模塊在產(chǎn)品類(lèi)型中分為三種：ZigBee（Coordinator-協(xié)調(diào)器）模塊、ZigBee Router（路由器）模塊、ZigBee End Device（終端設(shè)備）模塊。 ZigBee 能耗無(wú)線監(jiān)測(cè)終端的硬件設(shè)計(jì)中，無(wú)線 ZigBee 模塊（Router- 路由器）的功能是以無(wú)線方式發(fā)送數(shù)據(jù)資料包，并尋找最適合的路由路徑，當(dāng)有其他終端節(jié)點(diǎn)加入時(shí)，其也可為其他終端節(jié)點(diǎn)分配地址。CC2530 結(jié)合了領(lǐng)先的RF 收發(fā)器的優(yōu)良性能，其內(nèi)部包含一個(gè) 8051 CPU，且系統(tǒng)內(nèi)可編程，其支持 TI 官方指定的IAR 編譯軟件， 并具備 8 KB RAM，因此，CC2530 是一個(gè)完整的 SoC 解決方案。通過(guò)其可以建立強(qiáng)大的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

2.5 ST7920型12864液晶顯示模塊

為了在節(jié)約硬件資源的基礎(chǔ)上可以得到更豐富的顯示內(nèi)容，并考慮到低功耗的要求，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的顯示電路采用ST7920 型 12864 帶字庫(kù)的液晶顯示模塊。

3 室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本節(jié)的主要內(nèi)容是進(jìn)行室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)的核心為底層硬件溫濕度傳感器 AM2301 模塊、光照傳感器 GY30 模塊、LCD12864 液晶、串口通信等編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序，使得監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在上電后可以分別正常監(jiān)測(cè)溫濕度值、光照值的顯示，及進(jìn)行串口通信。室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主控程序流程圖如圖 2 所示。

3.1 溫濕度傳感器AM2301驅(qū)動(dòng)子程序設(shè)計(jì)

DATA 數(shù)據(jù)線用于MCU 與 AM2301 之間的通信。四十比特完整的數(shù)據(jù) = 十六比特的濕度數(shù)據(jù)值+ 十六比特的溫度數(shù)據(jù)值+ 八比特校驗(yàn)和。例如，接收四十比特的數(shù)值，溫濕度傳感器AM2301 的數(shù)據(jù)格式如圖 3 所示。

空閑時(shí)總線為高電平，通訊開(kāi)始MCU 拉低總線1～10 ms， 然后釋放總線，延時(shí) 20 ～ 40 μs 后主機(jī)開(kāi)始檢測(cè)響應(yīng)信號(hào)。從機(jī) AM2301 的響應(yīng)信號(hào)是一個(gè) 80 μs 左右的低電平，隨后從機(jī)在拉高總線 80 μs 左右代表即將進(jìn)入數(shù)據(jù)傳送。長(zhǎng)的高電平代表的是信號(hào) 1 ；短的高電平代表的是信號(hào) 0。溫濕度傳感器AM2301 數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)序圖如圖 4 所示。

3.2 光照傳感器GY30驅(qū)動(dòng)子程序設(shè)計(jì)

GY30 與主控器之間的通訊使用I2C 通訊協(xié)議。時(shí)鐘線為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)線由高電平向低電平變化表示開(kāi)始信號(hào) ；時(shí)鐘線為高電平期間，數(shù)據(jù)線由低向高變化表示結(jié)束信號(hào)。I2C 通訊協(xié)議的起始信號(hào)與終止信號(hào)時(shí)序圖如圖 5 所示。

3.3 串口通信子程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)對(duì)單片機(jī)所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)的讀取是通過(guò)USART 實(shí)現(xiàn)的。由于單片機(jī)內(nèi)部集成有 USART模塊，因此 MCU只需要連接MAX232芯片，就能和 PC 通信。首先，單片機(jī)要設(shè)置異步通信的比特率數(shù)據(jù)位、停止位、校驗(yàn)方式等，最后才打開(kāi)中斷。在本系統(tǒng)中，異步串口通訊模塊比特率設(shè)置為 9600， 通信模式采用模式l，即每次發(fā)送的有效數(shù)據(jù)為 8位，另加一位停止位。串口通信的軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖 6所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量的關(guān)鍵問(wèn)題，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)， 采用無(wú)線數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)认冗M(jìn)信息技術(shù)手段，準(zhǔn)確采集室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)，使實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量在計(jì)量、采集、統(tǒng)計(jì)方面更加完善，同時(shí)確保實(shí)驗(yàn)室的正常、高效、健康、穩(wěn)定地運(yùn)行。管理人員只需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)就可以了解實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的實(shí)際情況，從而極大地減輕對(duì)實(shí)驗(yàn)室的管理工作，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)管理。