室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)賴秋林〔德州學(xué)院物理系，山東德州253023〕摘要基于室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的需求,設(shè)計(jì)分布式采集和執(zhí)行、集中式管理的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中,給出一個(gè)通用的設(shè)計(jì)方案,并結(jié)合OSI開放標(biāo)準(zhǔn),自行設(shè)計(jì)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的非標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議。在整體方案的指導(dǎo)下,本文給出系統(tǒng)組件的實(shí)現(xiàn)方法,包括數(shù)據(jù)中心節(jié)點(diǎn)、環(huán)境監(jiān)測單元節(jié)點(diǎn)、控制執(zhí)行單元節(jié)點(diǎn)。在硬件設(shè)計(jì)中充分考慮不同種類節(jié)點(diǎn)之間的共性,采用通用模塊為節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一架構(gòu)的主控CPU板卡、電源管理板卡。其中主控CPU板卡基于單片機(jī)MSP430,。本文采用嵌入式軟件實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的通信協(xié)議和節(jié)點(diǎn)自身的運(yùn)行機(jī)制,并為數(shù)據(jù)中心開發(fā)控制臺(tái)面板。針對(duì)于網(wǎng)絡(luò)布局,給出幾種軟件設(shè)計(jì)算法。本文最后利用所設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)組件搭建室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的試驗(yàn)平臺(tái),并給出測試和驗(yàn)證結(jié)果,包括氣體的監(jiān)測數(shù)據(jù)、相應(yīng)的自動(dòng)控制功能、底層誤碼率分析。關(guān)鍵詞CPU;MSP430；OSI1緒論隨著人類科技的進(jìn)步和生活水平的提高,越來越多的人開始對(duì)室內(nèi)環(huán)境狀況提出了更高的要求,傳統(tǒng)的、非智能的監(jiān)控裝置正漸漸地被自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化的監(jiān)控系統(tǒng)所取代,無線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用正順應(yīng)了這類需求。本文針對(duì)室內(nèi)環(huán)境的技術(shù)指標(biāo)需求,設(shè)計(jì)了一個(gè)分布式采集和執(zhí)行、集中式管理的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中,給出了一個(gè)通用的設(shè)計(jì)方案,并結(jié)合OSI開放標(biāo)準(zhǔn),自行設(shè)計(jì)了無線傳感網(wǎng)絡(luò)的非標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議。在整體方案的指導(dǎo)下,本文給出了系統(tǒng)組件的實(shí)現(xiàn)方法,包括數(shù)據(jù)中心節(jié)點(diǎn)、環(huán)境監(jiān)測單元節(jié)點(diǎn)、控制執(zhí)行單元節(jié)點(diǎn)。在硬件設(shè)計(jì)中充分考慮了不同種類節(jié)點(diǎn)之間的共性,采用通用模塊為節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一架構(gòu)的主控CPU板卡、電源管理板卡、無線網(wǎng)絡(luò)接入板卡。其中主控CPU板卡基于單片機(jī)MSP430,電源管理板卡可無縫切換外5V供電和鋰電池充電、供電,無線網(wǎng)絡(luò)接入板卡基于射頻芯片nRF2401。本文采用嵌入式軟件實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)間的通信協(xié)議和節(jié)點(diǎn)自身的運(yùn)行機(jī)制,并為數(shù)據(jù)中心開發(fā)了控制臺(tái)面板。針對(duì)于網(wǎng)絡(luò)布局,給出了幾種軟件設(shè)計(jì)算法。本文最后利用所設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)組件搭建了室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的試驗(yàn)平臺(tái),并給出了測試和驗(yàn)證結(jié)果,包括氣體的監(jiān)測數(shù)據(jù)、相應(yīng)的自動(dòng)控制功能、底層誤碼率分析。結(jié)果說明,該系統(tǒng)能夠根本實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境的自動(dòng)監(jiān)控,目前可敏感的氣體CO2,敏感的環(huán)境包括溫度、濕度和光強(qiáng),被控對(duì)象包括排風(fēng)和燈光。本文為環(huán)境監(jiān)控提供了一種可選的方案,具有一定的理論價(jià)值和工程意義。2設(shè)計(jì)任務(wù)與要求2.1根本要求該系統(tǒng)能夠?qū)κ覂?nèi)環(huán)境的溫度、濕度、亮度、二氧化碳的濃度等進(jìn)行檢測并顯示當(dāng)前的溫度、濕度、亮度、及二氧化碳的濃度等，在其超過所設(shè)定的值時(shí)可以自動(dòng)進(jìn)行控制。2.2技術(shù)指標(biāo)1〕測量精度：誤差小于+5%；2〕能用十進(jìn)制顯示當(dāng)前測量值；3〕具有有線或無線通信能力；實(shí)現(xiàn)主從控制及多點(diǎn)檢測；3設(shè)計(jì)方案及方案論證3.1設(shè)計(jì)分析本系統(tǒng)是由主控模塊、檢測模塊、顯示模塊、控制模塊及電源模塊組成的室內(nèi)環(huán)境檢測控制系統(tǒng)，能夠自動(dòng)檢測并控制室內(nèi)溫度、濕度以及CO2濃度，在其超過設(shè)定值時(shí)，通過控制裝置將其濃度降低。系統(tǒng)框圖入圖1所示。執(zhí)行模塊執(zhí)行模塊電源模塊主控模塊溫度檢測模塊亮度檢測模塊CO2檢測模塊顯示模塊濕度檢測模塊鍵盤模塊圖1系統(tǒng)框圖3.2設(shè)計(jì)方案論證1〕主控制器模塊：方案一：采用51單片機(jī)控制系統(tǒng)。單片機(jī)算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng)，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種算法和邏輯控制，并且有功耗低、體積小、技術(shù)成熟和本錢低等優(yōu)點(diǎn)，能滿足題目要求。方案二：采用FPGA〔現(xiàn)場可編程邏輯門陣列〕作為系統(tǒng)的控制核心。由于FPGA具有強(qiáng)大的資源，使用方便靈活，易于進(jìn)行功能擴(kuò)展，并且可應(yīng)用EDA軟件仿真、調(diào)試，易于進(jìn)行功能擴(kuò)展。但其本錢偏高，引腳較多，硬件電路布線復(fù)雜。根據(jù)以上具體分析選擇方案一。2〕電源模塊：方案一：采用穩(wěn)壓管穩(wěn)壓，可以穩(wěn)定5V電壓，但是穩(wěn)壓效果不穩(wěn)定。方案二：采用變壓器降壓，7805作穩(wěn)壓管，穩(wěn)壓性能穩(wěn)定。綜合考慮，采用方案二。3〕溫度檢測模塊：方案一：采用熱敏電阻，此元件雖然價(jià)格廉價(jià)，但是其非線性特性會(huì)影響系統(tǒng)精度。方案二：選用美國Dallas半導(dǎo)體公司的數(shù)字化溫度傳感器DS18B20。DS18B20為數(shù)字式溫度傳感器，無需其他外加電路，直接輸出數(shù)字量?？芍苯优c單片機(jī)通信，讀取測溫?cái)?shù)據(jù)，電路簡單。此器件具有體積小、抗干擾強(qiáng)、價(jià)格廉價(jià)、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)其各方面特性都滿足此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求根據(jù)以上分析選擇方案二。4〕濕度檢測：方案一：采用HR202濕敏電阻作為濕度檢測傳感器，其電阻隨著濕度變化范圍較大，而且不是線性變化，檢測輸出量為模擬量，須經(jīng)AD轉(zhuǎn)換之后才能由單片機(jī)處。方案二：HS1101是基于獨(dú)特工藝設(shè)計(jì)的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)，在電路中等效于一個(gè)電容器，其電容隨所測空氣的相對(duì)濕度增大而增大。具有極好的線性輸出，在相對(duì)濕度為0～100％RH的范圍內(nèi)，電容的容量由163pF變化到202pF，其誤差不大于±2％RH；濕度量程為1～99％RH，工作溫度范圍為-40℃～100℃；濕度輸出受溫度影響極小(溫度系數(shù)僅為0.04pF／℃)；常溫下使用無需溫度補(bǔ)償，無需校準(zhǔn)。綜合考慮，采用方案二。5〕亮度檢測：方案一：采用光敏電阻作為亮度檢測的傳感器，其阻值較大，且隨著光照強(qiáng)度增強(qiáng)阻值減小。方案二：采用光強(qiáng)傳感器TSL2561，一種高速、低功耗、寬量程、可編程靈活配置的光強(qiáng)度數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片。該芯片可廣泛應(yīng)用于各類顯示屏的監(jiān)控，目的是在多變的光照條件下，使得顯示屏提供最正確的顯示亮度并盡可能降低電源功耗；還可以用于街道光照控制、平安照明等眾多場合。綜合考慮，采用方案二。6〕顯示模塊：方案一：采用液晶顯示屏。液晶顯示屏〔LCD〕具有功耗小、輕薄短小無輻射危險(xiǎn)，平面直角顯示以及影象穩(wěn)定不閃爍，可視面積大，畫面效果好，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。方案二：采用四位七段數(shù)碼顯示管分別顯示光照的有無、溫度的百、十、個(gè)位。數(shù)碼管具有：低能耗、低損耗、低壓、壽命長、耐老化，對(duì)外界環(huán)境要求較低。同時(shí)數(shù)碼管采用BCD編碼顯示數(shù)字，程序編譯容易，資源占用較少。根據(jù)題目要求選擇方案一。7〕鍵盤模塊：鍵盤采用4*4矩陣鍵盤,鍵值讀取方法采用掃描法，端口使用P2口，其中P2.0～P2.3做行線，P2.4～P2.7做列線，在對(duì)行、列掃描之前，先會(huì)掃描整個(gè)P2口，當(dāng)讀到有鍵按下才，會(huì)去具體掃描行與列。8〕執(zhí)行模塊：方案：當(dāng)溫度高于設(shè)定溫度時(shí)，主控器控制報(bào)警模塊工作；當(dāng)濕度和CO2濃度高于設(shè)定值時(shí)，主控器自動(dòng)啟動(dòng)風(fēng)扇電機(jī)，翻開通風(fēng)口降低濕度和CO2濃度高于設(shè)定濕度和CO2濃度時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉通風(fēng)口；當(dāng)光照達(dá)不到設(shè)定值時(shí)，主控器啟動(dòng)光照模塊。系統(tǒng)框圖如圖2。圖2系統(tǒng)框圖4系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)4.1電路設(shè)計(jì)1〕主控電路：由80C51單片構(gòu)成單片機(jī)最小系統(tǒng)是整個(gè)電路的核心，起到處理和控制的功能。如圖3所示。圖3主控電路2〕電源電路：變壓器和7805組成電源穩(wěn)壓電路。直流穩(wěn)壓電路的方框圖，如圖4所示。圖4直流穩(wěn)壓電路的方框圖如圖5所示。圖5電源電路3〕溫度檢測電路：溫度采集選用了DS18B20溫度傳感器，其特點(diǎn)如下：〔1〕在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。〔2〕測溫范圍－55℃～＋125℃，固有測溫分辨率0.5℃?！?〕支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，最多只能并聯(lián)8個(gè)，如果數(shù)量過多，會(huì)使供電電源電壓過低，從而造成信號(hào)傳輸?shù)牟环€(wěn)定，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測溫?！?〕工作電源:3～5V/DC。〔5〕在使用中不需要任何外圍元件。〔6〕測量結(jié)果以9~12位數(shù)字量方式串行傳送。由DS18B20組成溫度檢測電路。如圖6所示。圖6溫度檢測電路4〕濕度檢測電路：濕度傳感器HS1101作為可變電容與單片機(jī)LPC2132管腳P1.0相連?？刂齐妷憾酥杂秒娮鑂4=909k歐，而不用O.1μF電容，是為了匹配濕度傳感器HS1101的溫度系數(shù)而引進(jìn)的一個(gè)溫度系數(shù)。R5=1k歐是短路保護(hù)電阻，為了使占空比盡量接近50％，R5要選得比R3小得多，但應(yīng)保證電路的輸出頻率在6660Hz附近，此處選R4=49.4kQ，R3=576k歐.由HS1101組成濕度檢測電路。如圖7所示。圖7濕度檢測電路5〕亮度檢測電路：SL2561內(nèi)部連接一個(gè)光敏二極管和一個(gè)紅外響應(yīng)光敏二極管。這個(gè)集成電路具有提供20位動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)近適光響應(yīng)的能力。兩個(gè)集成的積分式A/D轉(zhuǎn)換器，可將光敏電流轉(zhuǎn)換成一個(gè)數(shù)字輸出，并存入芯片內(nèi)部通道0和通道1各自的存放器中。數(shù)字輸出表示測量每一個(gè)通道的光強(qiáng)，可以是微處理器的輸入。微控制器那么通過對(duì)其內(nèi)部的16個(gè)存放器的讀寫來實(shí)現(xiàn)對(duì)TSL2561的控制。由TSL2561構(gòu)成的亮度檢測電路，如圖8所示。圖8亮度檢測電路6〕顯示電路：顯示模塊采用LCD1602，它能夠同時(shí)顯示16x02即32個(gè)字符?！?6列2行〕在本次設(shè)計(jì)中，第一行為提示信息，第二行為數(shù)據(jù)信息其引腳功能如下：第1腳：VSS為電源地。第2腳：VDD接5V電源正極。第3腳：V0為液晶顯示器比照度調(diào)整端，接正電源時(shí)比照度最弱，接地電源時(shí)比照度最高〔比照度過高時(shí)會(huì)產(chǎn)生“鬼影〞，使用時(shí)通過一個(gè)10K的電位器調(diào)整比照度〕。第4腳：RS為存放器選擇，高電平1時(shí)選擇數(shù)據(jù)存放器、低電平0時(shí)選擇指令存放器。第5腳：RW為讀寫信號(hào)線，高電平(1)時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平(0)時(shí)進(jìn)行寫操作。第6腳：E(或EN)端為使能(enable)端。第7～14腳：D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)端。第15～16腳：空腳或背燈電源。15腳背光正極，16腳背光負(fù)極。LCD12864組成顯示電路。如圖9所示。圖9顯示電路7〕鍵盤電路:鍵盤采用4*4矩陣鍵盤,鍵值讀取方法采用掃描法，端口使用P2口，其中P2.0～P2.3做行線，P2.4～P2.7做列線，在對(duì)行、列掃描之前，先會(huì)掃描整個(gè)P2口，當(dāng)讀到有鍵按下才，會(huì)去具體掃描行與列。如圖10所示。圖10鍵盤電路8〕控制電路：當(dāng)溫度高于設(shè)定溫度時(shí)，主控器控制報(bào)警模塊工作；當(dāng)濕度和CO2濃度高于設(shè)定值時(shí)，主控器自動(dòng)啟動(dòng)風(fēng)扇電機(jī)，翻開通風(fēng)口降低濕度和CO2濃度高于設(shè)定濕度和CO2濃度時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉通風(fēng)口；當(dāng)光照達(dá)不到設(shè)定值時(shí)，主控器啟動(dòng)光照模塊。如下列圖所示。圖11亮度執(zhí)行電路圖12濕度執(zhí)行電路圖13溫度報(bào)警電路4.2總電路圖圖14總電路圖5軟件流程圖按鍵有無？按鍵有無？系統(tǒng)初始化設(shè)置環(huán)境參量補(bǔ)償模式讀取傳感器數(shù)值1602顯示界面是否超過上下限？啟動(dòng)執(zhí)行模塊，使相關(guān)設(shè)備進(jìn)行補(bǔ)償YYNN圖15程序流程圖6系統(tǒng)制板及調(diào)試6.1系統(tǒng)制版局部PCB電路圖如圖16所示：圖16局部PCB電路圖6.2系統(tǒng)調(diào)試1〕硬件調(diào)試：主控模塊的調(diào)試，檢測其在所需I/O口是否能夠正常輸出所需信號(hào)；電源模塊，用萬用表測量電源輸出是否為要求值；顯示模塊調(diào)試，在程序檢驗(yàn)正確之后觀察顯示模塊是否正常顯示所需要內(nèi)容；檢測模塊，在電源接通知后，檢測其是否有信號(hào)輸出；控制模塊，單片機(jī)模擬各個(gè)檢測量超出所設(shè)定范圍后，輸出控制信號(hào)，觀察控制裝置能否正常調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境。2〕軟件調(diào)試：利用編程軟件檢查程序是否有錯(cuò)誤，并在無錯(cuò)誤的前提下，將程序下載到單片機(jī)中。假設(shè)能夠正常完成各種檢測量的檢測和檢測量的控制，那么程序正常；假設(shè)不成正常完成各種檢測量的檢測，那么需要修改程序的某些變量，使其能夠正常地完成各種檢測，并對(duì)其進(jìn)行控制。3〕調(diào)試結(jié)果：各個(gè)模塊均可以正常工作，在不同的工作環(huán)境中數(shù)據(jù)偏差范圍小，使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性能好，抗干擾能力強(qiáng)，能夠很好地控制各個(gè)室內(nèi)環(huán)境量。結(jié)論本裝置能夠正常檢測室內(nèi)溫度、濕度和亮度，在溫度超過設(shè)置值時(shí)會(huì)自動(dòng)報(bào)警，在濕度和亮度超過設(shè)定量之后能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)恢復(fù)到設(shè)定值范圍內(nèi)。能夠有效的調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境，并且能夠十進(jìn)制顯示當(dāng)前溫度、濕度和亮度，且誤差小于+5%，到達(dá)了系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。參考文獻(xiàn)[1]李建忠著.單片機(jī)原理及應(yīng)用〔第二