室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量無線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

引 言

健康舒適的室內(nèi)環(huán)境對任何一種建筑來說都尤為重要， 實驗室作為人員密集型建筑，良好的室內(nèi)環(huán)境有助于提高學生的學習效率。如果溫度過高或過低，濕度過濕（高于 70%） 或過燥（低于 30%），光照的過明或過暗，都會使學生產(chǎn)生不適感，影響正常排汗和情緒、降低注意力。由此可見，實驗室環(huán)境的不盡人意，在無形中影響了學生的健康和學習效率。因此，開發(fā)了室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量無線監(jiān)測系統(tǒng)，以便 24 小時監(jiān)控實驗室的環(huán)境質(zhì)量參數(shù)。本無線檢測系統(tǒng)的主要特點如下（：1）該系統(tǒng)可以延長實驗室里面設(shè)備的使用壽命，為設(shè)備提供一個安全的使用環(huán)境 ；（2）該系統(tǒng)能夠提高管理效率，溫濕度數(shù)據(jù)可以遠程傳輸，管理人員在巡查的時候不必到機房去就可以遠程了解實驗室的環(huán)境問題 ；（3）本系統(tǒng)可以代替管理人員 24 小時監(jiān)控非上班時間實驗室存在的安全隱患，達到對實驗室遠程監(jiān)控的目的。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

在日常生活中，由于存在個體差異，在各種條件下要找到一個單一的指標來準確反映人體對環(huán)境的舒適性是很困難的。因此，在環(huán)境舒適性的檢測過程中，我們往往關(guān)注三個比較重要的影響環(huán)境舒適性的因素：溫度、濕度、照度。所以本系統(tǒng)針對實驗室的環(huán)境分別采集溫度、濕度、照度這三個因素來衡量實驗室環(huán)境的舒適性。系統(tǒng)的總體設(shè)計框圖如圖1 所示。

本文所述的室內(nèi)環(huán)境無線監(jiān)測系統(tǒng)分為硬件設(shè)計方案和軟件設(shè)計方案兩部分。

1.1 硬件設(shè)計方案

該系統(tǒng)采用模塊化的硬件設(shè)計，由 STC12 系列單片機微控制器、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)的自動采集、計算處理等功能，它可以連續(xù)自動地測量溫度、濕度、光照這些指標，各種要素經(jīng)過傳感器將模擬量轉(zhuǎn)化成相應數(shù)字量，供采集器定時處理后給單片機進行處理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、顯示及無線傳輸。

1.2 軟件設(shè)計方案

室內(nèi)環(huán)境無線監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計由主程序、溫濕度傳感器驅(qū)動子程序、光照傳感器驅(qū)動子程序、LCD12864 液晶顯示子程序、串口通信子程序等組成。對于硬件方案用到的編程軟件其中包括對于微控 STC12C5A60S2 進行 C 語言程序編譯的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)量無線監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)計

實驗室室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量無線采集系統(tǒng)在硬件設(shè)計過程中， 使用了模塊化的設(shè)計方法，分別為微處理器電路設(shè)計、數(shù)據(jù)采集模塊電路設(shè)計、顯示模塊電路設(shè)計、串口通信電路設(shè)計、無線收發(fā)模塊。在本系統(tǒng)中，對實驗室室內(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)字量進行輸出，通過單片機采集這些電量數(shù)據(jù)并對其進行計算即可確定各環(huán)境參數(shù)的數(shù)值。在室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量無線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計中，本文使用了STC12C5A60S2 單片機進行設(shè)計。具體包括 ：單片機最小系統(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 采 用 的 是 STC12C5A60S2 單 片 機。

STC12C5A60S2 在眾多的 51 系列單片機中，算是國內(nèi) STC 公司的1T 增強系列中更具有競爭力的一種，因為他不但和8051 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器。如STC12C5A60S2 單片機內(nèi)部就自帶高達 60 K 的 FlashROM， 這種工藝的存儲器用戶可以用電的方式瞬間擦除、改寫。而且STC 系列單片機支持串口程序燒寫。顯而易見，這種單片機對開發(fā)設(shè)備的要求很低，開發(fā)時間也大大縮短。寫入單片機內(nèi)的程序還可進行加密，很好地保護了用戶的勞動成果。

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(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期穩(wěn)定性。傳感器包括一個電容式感濕元件和一個NTC 測溫元件，并與一個高性能 8 位單片機相連接。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等優(yōu)點。每個DHT21 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OTP 內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測信號的處理過程中要調(diào)用這些校準系數(shù)。單線制串行接口，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。

2.3 光照傳感器模塊GY30

本系統(tǒng)采用新型單片測光芯片 GY30 模塊，該模塊的工作電壓為 3.3 V，內(nèi)置了 BH1750 芯片，可以對廣泛的亮度進行 1 勒克斯的高精度測定，實現(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)，然后按照用戶要求的形式通過界面將數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出來。

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線模塊，該無線模塊在產(chǎn)品類型中分為三種：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 能耗無線監(jiān)測終端的硬件設(shè)計中，無線 ZigBee 模塊（Router- 路由器）的功能是以無線方式發(fā)送數(shù)據(jù)資料包，并尋找最適合的路由路徑，當有其他終端節(jié)點加入時，其也可為其他終端節(jié)點分配地址。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 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 是一個完整的 SoC 解決方案。通過其可以建立強大的無線傳感器網(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)計中的顯示電路采用ST7920 型 12864 帶字庫的液晶顯示模塊。

3 室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量無線監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計

本節(jié)的主要內(nèi)容是進行室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量無線監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計，軟件設(shè)計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、串口通信等編寫驅(qū)動程序，使得監(jiān)測系統(tǒng)在上電后可以分別正常監(jiān)測溫濕度值、光照值的顯示，及進行串口通信。室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量無線監(jiān)測系統(tǒng)主控程序流程圖如圖 2 所示。

3.1 溫濕度傳感器AM2301驅(qū)動子程序設(shè)計

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。

空閑時總線為高電平，通訊開始MCU 拉低總線1～10 ms， 然后釋放總線，延時 20 ～ 40 μs 后主機開始檢測響應信號。從機 AM2301 的響應信號是一個 80 μs 左右的低電平，隨后從機在拉高總線 80 μs 左右代表即將進入數(shù)據(jù)傳送。長的高電平代表的是信號 1 ；短的高電平代表的是信號 0。溫濕度傳感器AM2301 數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r序圖如圖 4 所示。

3.2 光照傳感器GY30驅(qū)動子程序設(shè)計

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

3.3 串口通信子程序設(shè)計

上位機對單片機所存儲的數(shù)據(jù)的讀取是通過USART 實現(xiàn)的。由于單片機內(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，單片機要設(shè)置異步通信的比特率數(shù)據(jù)位、停止位、校驗方式等，最后才打開中斷。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)計流程圖如圖 6所示。

4 結(jié) 語

本文針對室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量的關(guān)鍵問題，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)， 采用無線數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)认冗M信息技術(shù)手段，準確采集室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)，使實驗室室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量在計量、采集、統(tǒng)計方面更加完善，同時確保實驗室的正常、高效、健康、穩(wěn)定地運行。管理人員只需要通過網(wǎng)絡(luò)就可以了解實驗室環(huán)境的實際情況，從而極大地減輕對實驗室的管理工作，實現(xiàn)實驗室的科學管理。