西華師范大學(xué) 劉 剛 馮元元 易沖沖

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基于STC12C5A60S2單片機(jī)的環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

西華師范大學(xué) 劉 剛 馮元元 易沖沖

【摘要】為了克服傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的效率低、時(shí)效性差、功能簡(jiǎn)單等問(wèn)題，本文提出了一個(gè)基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測(cè)方案，并設(shè)計(jì)了一款便攜式、多功能的環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)硬件電路以STC12C5A60S2單片機(jī)為控制核心，采用DHT11、RL5516型LDR、FC -28、GP2Y1010AUOF芯片進(jìn)行空氣溫濕度、光照強(qiáng)度、土壤濕度、PM2.5環(huán)境參數(shù)傳感采集。采集數(shù)據(jù)通過(guò)SIM900A模塊，以GPRS傳輸方式，借助公共移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)服務(wù)器。這種傳感器節(jié)點(diǎn)硬件電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗小、成本低、運(yùn)行可靠的優(yōu)點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】環(huán)境監(jiān)測(cè)；無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)；STC12C5A60S2；GPRS

1　引言

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷加快和人們物質(zhì)生活水平的持續(xù)提高，環(huán)境安全問(wèn)題日益突出?？茖W(xué)有效的環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)對(duì)于促進(jìn)世界的可持續(xù)發(fā)展和人類生存環(huán)境改善就成為極為重要的研究課題。傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)通常包括背景調(diào)查、確定方案、優(yōu)化布點(diǎn)、現(xiàn)場(chǎng)采樣、樣品運(yùn)送、實(shí)驗(yàn)分析、數(shù)據(jù)收集、分析綜合等過(guò)程，這種方法雖然精確性高，但是時(shí)效性差、覆蓋面有限。當(dāng)前，我國(guó)對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)建設(shè)方案要求是全面設(shè)點(diǎn)、全國(guó)聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)預(yù)警等，因而必須充分利用新技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是21世紀(jì)最具影響和創(chuàng)新性的技術(shù)之一，主要涉及現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子科學(xué)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及通信技術(shù)等。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，主要可應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)學(xué)保健、軍事情報(bào)收集、工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化、建筑安全監(jiān)測(cè)等方面[1]。目前基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要采用ZigBee、GPRS、FDMA、CDMA以及常規(guī)射頻進(jìn)行傳輸[2-3]。傳感器節(jié)點(diǎn)的控制核主要采用MSP430、51系列、ATmega單片機(jī)以及ARM系統(tǒng)[4-5]。本文面向農(nóng)業(yè)、林場(chǎng)、養(yǎng)殖場(chǎng)等應(yīng)用領(lǐng)域的環(huán)境監(jiān)測(cè)需求，利用STC12C5A60S2單片機(jī)開(kāi)發(fā)了基于STC12C5A60S2單片機(jī)的環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器終端節(jié)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度、光照強(qiáng)度、土壤水分、PM2.5空氣質(zhì)量指數(shù)等環(huán)境數(shù)據(jù)的及時(shí)采集、傳輸及分析處理等功能。

2　節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括傳感器模塊、MCU模塊、GPRS模塊、LCD顯示單元以及電源模塊。MCU模塊是傳感器節(jié)點(diǎn)的控制核心，選用STC12C5A60S2單片機(jī)[6]。這是因?yàn)樗哂懈咚?、低功耗、性價(jià)比高、便于調(diào)試和下載等優(yōu)點(diǎn)。它是新一代增強(qiáng)型8051單片機(jī)，在同樣晶振的情況下，速度是普通8051單片機(jī)的8～12倍；工作電壓3.5-5.5V；自帶ADC和PWM功能。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換(250K/S)。針對(duì)便攜式環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的控制要求，選擇STC12C5A60S2單片機(jī)既可保證快精準(zhǔn)的運(yùn)算，又可保證整個(gè)系統(tǒng)在戶外運(yùn)行時(shí)的安全可靠，豐富的引腳資源也便于對(duì)外設(shè)的控制及數(shù)據(jù)的讀取。

圖1　傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)Fig.1 The block of the sensor node

3　硬件電路

3.1傳感器模塊

環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感節(jié)點(diǎn)具有五個(gè)傳感子模塊，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫濕度、光照強(qiáng)度、土壤溫度、煙霧濃度、PM2.5空氣質(zhì)量指數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，如圖2所示。溫濕度采集采用含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出復(fù)合傳感器DHT11。DHT11主要由一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件組成，具有響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。溫濕度測(cè)量精度分別為±20C和±5%RH；量程分別為0-500C和20-90%RH。DHT11只需一根傳輸線與STC12C5A60S2單片機(jī)相連接，此傳輸線既可傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)又能傳遞時(shí)鐘信號(hào)，為保證工作穩(wěn)定性，配置了一個(gè)5KΩ的上拉電阻。光照強(qiáng)度探測(cè)是采用LDR感光器件5516，通過(guò)取樣電路和ADC電路，最終輸出光照強(qiáng)度數(shù)字信號(hào)至STC12C5A60S2單片機(jī)。LDR相當(dāng)于一個(gè)可調(diào)電阻；在于R30-R33是一組阻值固定的取樣電阻，實(shí)現(xiàn)光照強(qiáng)度電流信號(hào)變成電壓信號(hào)；ADC電路用PCF8591芯片搭建。土壤濕度采集是利用FC -28土壤濕度傳感器進(jìn)行的。采用LM393芯片作為比較器，工作電壓為3.3-5.0V，通過(guò)A0端口輸出模擬信號(hào)至STC12C5A60S2單片機(jī)，再利用單片機(jī)的ADC獲得土壤濕度數(shù)字信號(hào)。PM2.5參數(shù)監(jiān)測(cè)采用GP2Y1010AUOF粉塵傳感器實(shí)現(xiàn)[7]。可以測(cè)量0.8微米以上的微粒濃度，靈敏度達(dá)0.1mg/m3，具有非常低的電流消耗，典型值為11mA。

3.2GPRS通信模塊

基于SIM900A模塊，設(shè)計(jì)了通信單元硬件電路，如圖3所示。SIM900A的TX和RX端口分別與單片機(jī)的RXD端口和TXD端口相連接，利用STC12C5A60S2單片機(jī)的串口對(duì)SIM900A的數(shù)據(jù)進(jìn)行寫(xiě)入和讀取的操作，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送。SIM900A是一個(gè)二工頻的GSM/GPRS模塊，支持GPRS multi-slot class 10/class 8和GPRS編碼格式 CS-1，CS-2，CS-3 and CS-4[8]。SIM900A采用省電技術(shù)設(shè)計(jì)，在SLEEP模式下，最低耗電流只有1mA。該模塊內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，擴(kuò)展的TCP/IP命令讓用戶能夠很容易使用TCP/IP協(xié)議，這非常適合用戶數(shù)據(jù)傳輸。SIM900A的尺寸大小為24x24x3mm，尤其適用緊湊型產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

圖2　傳感電路Fig.2 The schematic of the sensing unit

圖3　GPRS電路Fig.3 The schematic of the GPRS unit

3.3供電單元

傳感器節(jié)點(diǎn)采用4節(jié)5號(hào)電池串聯(lián)進(jìn)行供電。考慮到輸出電壓的穩(wěn)定性和節(jié)電需求，我們基于UC3842設(shè)計(jì)了一個(gè)直流穩(wěn)壓開(kāi)關(guān)電源，如圖4所示。電流型脈寬調(diào)制芯片UC3842具有單端輸出特性，可直接驅(qū)動(dòng)雙極型的功率管或場(chǎng)效應(yīng)管。該芯片所需外圍電路簡(jiǎn)單，電壓電壓調(diào)整率可達(dá)0.01%，工作頻率最高達(dá)500KHz，啟動(dòng)電流小于1mA，正常工作電流為12mA，并集成欠壓鎖定，帶滯后電路。

圖4　供電電路Fig.4 The schematic of the power supp ly unit

圖5　顯示單元Fig.5 The schematic of the display unit

3.4顯示單元

傳感器節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)采用帶中文字庫(kù)的128X64液晶顯示模塊，進(jìn)行顯示的實(shí)地本地顯示，相應(yīng)硬件電路如圖5所示。128X64具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，顯示分辨率為128×64，內(nèi)置8192個(gè)16*16點(diǎn)漢字，和128個(gè)16*8點(diǎn)ASCII字符集。利用該模塊靈活的接口方式和簡(jiǎn)單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡(jiǎn)潔得多，且該模塊的價(jià)格也略低于相同點(diǎn)陣的圖形液晶模塊。而且128X64完全適合低電壓低功耗設(shè)計(jì)要求。

4　結(jié)語(yǔ)

本文基于STC12C5A60S2單片機(jī)和GPRS傳輸設(shè)計(jì)了一款低功耗、高性能、多功能的便攜式環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。此系統(tǒng)可及時(shí)準(zhǔn)確地采集所需的環(huán)境數(shù)據(jù)，并可本地顯示，也可借助現(xiàn)有的公共移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)程服務(wù)器，便于數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理、分析，服務(wù)于環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用。該系統(tǒng)緊湊輕巧、攜帶方便，非常適合野外、多點(diǎn)位監(jiān)測(cè)應(yīng)用，而且能在管理軟件支持下，結(jié)合GPS信息，完成組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域覆蓋性環(huán)境監(jiān)測(cè)。

參考文獻(xiàn)

[1]ResulD,EbubekirE.TemperatureandHmidityControlofthe TunnelsintheDamUsingW irelessSensorNetworks[C].19th InternationalConferenceonIntelligentEngineeringSystems,2015,379-383.

[2]ChanghaiP,KunQ,ChenyangW.DesignandApplicationofa VOC-monitoringSystemBasedonaZigBeeW irelessSensorNetwork[J].IEEESensorsJournal,2015,15(4):2255-2268.

[3]戴建,史志才,吳飛,等.基于GSM與ZigBee的環(huán)境監(jiān)測(cè)與采集系統(tǒng)[J].自動(dòng)化與儀表,2015,9:38-42.

[4]錢(qián)春陽(yáng),陸文龍,王建春,等.基于物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)施溫室監(jiān)控系統(tǒng)中無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2015,23(2):673-676.

[5]王宏偉.32位和8位單片機(jī)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2014,7:32-34.

[6]袁緒,宋康,查長(zhǎng)海,等.基于STC12C5A60S2的空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2015,23(6):133-135.

[7]徐連成.基于單片機(jī)空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)[J].電子技術(shù),2015,44(7):23-25.

[8]李興山,王曉超.基于SI4432和SIM 900A的溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),2015,43(7):426-429.