李蘇炫　柴夢情　張金亮

摘 要：針對(duì)當(dāng)下物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展，對(duì)物流運(yùn)輸可靠、安全、智能監(jiān)測的需求愈加強(qiáng)烈的現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了一種基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的微環(huán)境監(jiān)測終端系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由主控?cái)?shù)據(jù)處理模塊、電源供電模塊、外圍接口模塊、GPRS模塊、GPS模塊與液晶顯示模塊等組成，文中對(duì)主要模塊的硬件進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)和分析。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)各硬件模塊設(shè)計(jì)合理，能夠較好地滿足功能需求。

關(guān)鍵詞：環(huán)境監(jiān)測;液晶顯示;GPRS;傳感器;GPS;物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號(hào)：TP11文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2020）04-00-04

0 引 言

社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及國內(nèi)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展壯大，為貨物流通和交通運(yùn)輸帶來了巨大的變化，也逐步改變了長期以來“重生產(chǎn)、輕流通”的思想。運(yùn)輸過程中如何對(duì)貨物和產(chǎn)品狀態(tài)進(jìn)行有效、全面的檢測逐步受到廣泛關(guān)注，對(duì)其相關(guān)技術(shù)展開深入研究也是實(shí)現(xiàn)安全、可靠、智能、綠色物流的關(guān)鍵所在[1]。

傳統(tǒng)有線傳輸監(jiān)測技術(shù)往往存在成本較高、線束多、故障排查困難等缺點(diǎn)，而新興的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以很好地解決上述問題[2-3]，該技術(shù)在眾多環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用，如室內(nèi)家庭環(huán)境監(jiān)測[4]、煤礦作業(yè)環(huán)境監(jiān)測[5]、車載移動(dòng)環(huán)境監(jiān)測[6-7]等。

本文基于智能傳感、車載定位、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測終端系統(tǒng)，由各類傳感器實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地采集環(huán)境數(shù)據(jù)，并對(duì)相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行本地存儲(chǔ)，按照設(shè)定的通信協(xié)議上傳至服務(wù)中心。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用場景及模塊構(gòu)成如圖1所示。

系統(tǒng)旨在實(shí)現(xiàn)對(duì)車載微環(huán)境信息及數(shù)據(jù)的采集，用戶可在智能網(wǎng)關(guān)模塊實(shí)時(shí)查看環(huán)境的溫濕度、光照度、空氣質(zhì)量、車載設(shè)備經(jīng)緯度等信息，并根據(jù)預(yù)設(shè)的閾值實(shí)時(shí)判斷環(huán)境質(zhì)量，對(duì)于異常及時(shí)發(fā)送提示信息，方便用戶做出決策。此外網(wǎng)關(guān)模塊可定時(shí)將采集的數(shù)據(jù)上傳至遠(yuǎn)程服務(wù)器，便于后期進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與追蹤。

系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，硬件總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)主要包括主控?cái)?shù)據(jù)處理模塊、電源供電模塊、外圍接口模塊、GPRS模塊、GPS模塊、傳感器網(wǎng)關(guān)模塊、存儲(chǔ)模塊、藍(lán)牙模塊與液晶顯示模塊。

2 詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1 電源模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主電源與輸入接口電路如圖3所示。電源輸入通過一個(gè)50 V/2 A的自恢復(fù)保險(xiǎn)絲F1與一個(gè)48 V瞬態(tài)電壓抑制二極管D6進(jìn)行電源反接保護(hù)和過壓保護(hù)。電源模塊U7的輸入和輸出都接入了電解電容和無極性電容進(jìn)行電源去耦濾波，該電源模塊在輸入9～36 V電壓時(shí)均可輸出穩(wěn)定的+5 V電壓。

系統(tǒng)運(yùn)行的3.3 V電源電路如圖4所示，輸入和輸出同樣接入特定電容進(jìn)行濾波。

2.2 LCD模塊電源驅(qū)動(dòng)與接口電路

（1）LCD驅(qū)動(dòng)電源與背光電路

LCD驅(qū)動(dòng)電源的作用是產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)LCD工作的電壓。LCD需要電源驅(qū)動(dòng)的三個(gè)管腳分別為AVDD，VGH，VGL。其中，AVDD需要的典型供電電壓為+10.4 V;VGH需要的典型供電電壓為+16 V;VGL需要的典型供電電壓為-7 V。根據(jù)電源的需求特性，采用MP1541DJ即U2升壓，然后利用倍壓整流和反向串聯(lián)電路產(chǎn)生各一路正負(fù)電源，通過16 V和6.8 V的穩(wěn)壓二極管得到所需電壓。

（2）背光二極管的電壓是否可調(diào)

LCD背光二極管的電源驅(qū)動(dòng)主要通過改變電壓達(dá)到改變電流的目的，這里選用EUP2584，即U3。該芯片在輸入+5 V

電壓的情況下，端口+VLED+與+VLED-之間連接背光二極管，電壓在0～27 V范圍內(nèi)可調(diào)。

背光驅(qū)動(dòng)電路的XEINT10端口可用來控制背光芯片是否使能，也可通過輸入0電平關(guān)閉背光電源芯片。背光驅(qū)動(dòng)電路通過XPWMTOUT1端口實(shí)現(xiàn)核心板對(duì)背光亮度的連續(xù)調(diào)節(jié)。

LCD驅(qū)動(dòng)電源與背光電路如圖5所示。

2.3 GPRS模塊電路

GPRS模塊電路主要由GPRS電源電路和GPRS模塊接口電路組成。

（1）GPRS電源電路

GPRS電源電路使用降壓型DC/DC開關(guān)電源芯片MP2359，通過設(shè)置該芯片的輸出反饋分壓電阻的分壓值使輸出電壓變?yōu)?3.8 V。芯片的使能端通過GPRS_PWR端口控制。GPRS電源電路如圖6所示。

（2）GPRS模塊接口與外圍電路

GPRS模塊選用SIM900A，其外圍接口電路主要由模塊電源濾波電路、啟動(dòng)電路、SIM卡接口電路、復(fù)位電路、LED信號(hào)指示電路和串口通信電路等組成。其中，電源濾波電路由于GPRS啟動(dòng)電流較大，尤其在初始化時(shí)，系統(tǒng)中加入的220 μF+100 μF的電容無法提供啟動(dòng)電流，因此需要加入一個(gè)330 μF的電容，總?cè)萘砍^500 μF為宜。

模塊啟動(dòng)電路中，通過拉低PWRKEY并保持至少1 s后釋放便可以開啟模塊。同理，通過拉低PWRKEY并保持至少1 s后釋放便可以關(guān)閉模塊。PWRKEY端口在模塊內(nèi)部已上拉至3 V，所以集電極開路連接到該端口即可。系統(tǒng)啟動(dòng)后，待核心板正常工作，并給GPRS_ON端口輸入一個(gè)高電平，系統(tǒng)才能有效工作。

GPRS模塊接口與外圍電路如圖7所示。

2.4 GPS模塊電路

定位模塊采用U-BLOX公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的NEO-6M模塊，其外圍接口電路如圖8所示。該模塊采用3.3 V電壓供電，電源輸入端經(jīng)過3個(gè)濾波電容后可提供平穩(wěn)的電壓以保證模塊正常、持久工作。此外，該模塊自帶高增益有源天線，采用串口通信輸出數(shù)據(jù)，其TTL電平兼容3.3 V/5 V系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)測試

根據(jù)硬件設(shè)計(jì)繪制系統(tǒng)PCB板，焊接完畢后對(duì)各模塊逐步調(diào)試，以確保硬件電路的正確性。

系統(tǒng)硬件測試項(xiàng)目主要包括電源與各模塊接口及驅(qū)動(dòng)電路的測試，焊接和測試順序按照如下測試步驟進(jìn)行：

（1）測試主電源電路;

（2）測試3.3 V電源;

（3）測試核心板相關(guān)電路;

（4）測試核心板外圍其他接口電路;

（5）測試LCD電源和接口電路;

（6）測試GPRS電源和接口電路;

（7）測試GPS接口電路。

測試的主要工具包括可調(diào)穩(wěn)壓電源、數(shù)字萬用表、示波器、串口調(diào)試工具等。依照上述順序?qū)χ饕K進(jìn)場測試，結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表1所列。

4 結(jié) 語

本文基于智能傳感、車載定位、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的微環(huán)境監(jiān)測終端系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)的主要硬件模塊進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)和分析，通過焊接和調(diào)試，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)各模塊均正常工作，滿足了預(yù)期的功能要求和設(shè)計(jì)指標(biāo)。

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