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分布式环境监控节点的设计与实现

2016/05/04|发布者: admin|阅读:
【摘要】本文主要介绍了一种基于单片机的分布式生态环境监控系统,可实时对目标区域进行温湿度、气压监测。该系统由主控节点及监测节点两部分组成,监测节点完成对温度、湿度、气压等信息的采集并通过无线网络发送给主控节点...

  摘 要:本文主要介绍了一种基于单片机的分布式生态环境监控系统,可实时对目标区域进行温湿度、气压监测。该系统由主控节点及监测节点两部分组成,监测节点完成对温度、湿度、气压等信息的采集并通过无线网络发送给主控节点;主控节点完成对监测节点信息的收集与处理并通过串口传送至上位机。该系统设计操作简单,使用方便,抗干扰能力强,在农业物联网领域具有十分广泛的社会效益和应用前景。 
关键词:单片机;温度;湿度;气压 
中图分类号:TP273.5 
温度、湿度及气压是影响生态环境的重要因素,其适宜与否与生产、生活密切相关。因此,对于温湿度、气压的测量及控制显得日益重要。单片机具有体积小、功能强、耗能低、开发周期短和价格低廉等优点,已成为自动化和测控领域中必不可少的器件。采用单片机对温湿度、气压进行测量与控制,不仅控制方便、操作简单而且很容易提高被控对象的技术指标。本文主要介绍以单片机STCLE5616AD为核心的基于无线网络的温度、湿度及气压的测量及监控系统。主控节点接收各个节点传输过来的数据并传输到上位机,上位机运行的软件实时显示各个节点处传来的温度,湿度,气压等环境指标,以实现对该处环境的实时监测和管理。 
1 系统电路设计 
本系统总体设计主要包括4部分:温湿度模块,气压模块,NRF24l01无线模块,电源管理模块。整个系统的总体结构框图如下所示: 
图1 系统整体框图 
1.1 温湿度采样和转换电路 
DHT11温湿度传感器是一款含有温湿度信息的复合传感器。其由一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件组成。为了节约单片机的IO引脚,DHT11采用单总线通信方式,通过一个上拉电阻(约5千欧)令单串行总线在非工作状态时为高电平。DHT11可以工作在3.3V,其工作电流约为0.3mA,待机电流为60uA,非常适合低功耗产品选用。 
系统将DHT11传感器的数据引脚与单片机的P1.7引脚相连,并通过一个约为5K的上拉电阻与数据引脚相连,使数据引脚在闲置状态时,若主机未发出呼应,从机则不应答。当主机的P1.7引脚由原来的高电平置为低电平,主机向从机发送开始信号,从机接收到主机发送过来的开始信号后再发送给主机一个低电平的应答信号,然后有上拉电阻将引脚置高,准备输出,此时从机开始向主机发送所采集到的温湿度数据。采样结束后释放串行总线结束数据的发送,等待主机的下一次开始信号。在数据发送时,共要发送40位的序列,其中0-15位是湿度的数据部分,16-31是温度的数据部分,32-39位是数据的校验部分。DHT11与单片机的连接电路与程序流程如图2、图3所示: 
图2 温湿度模块接线图 
图3 温湿度模块软件设计流程图 
1.2 气压采集和转换电路 
BMP180传感器是高精度的、具有低功耗特性的新一代数字式压力传感器,具有较强的稳定性。BMP180可供测量的范围约为30kpa-110kpa,供电需求也仅为1.7V-3.6V,其与单片机通过IIC接口进行连接。该传感器内部含有一个EEPROM,当单片机发送一个气压开始信号,经转换后,传感器采集的数据能够通过IIC总线被读出。在本系统中,IIC两根总线(时钟线和数据线)与单片机的P3.4,P3.5引脚相连,同时通过两个4.7千欧的电阻将IIC总线上拉。BMP180传感器与单片机的连接电路如图4,图5所示: 
图4 气压模块接线图 
图5 气压模块软件设计图 
1.3 电源管理模块的设计与实现 
系统采用TP4057管理芯片来完成对锂电池的充电与放电。TP4057是单节锂电池充电器,能够提供500mA的充电电流。它采用恒定电流/电压算法,无需二极管或者外部电流检测器作辅助。当系统采集到某一节点电量低于3.6V时,上位机立即显示电量不足的节点。而用户通过查看上位机得知各个模块电池的电量,可直接通过USB接口给电池充电。TLV11173V3用来把锂电池输出的4.2v电压转换为3.3v。 
图6 充电电路图 
1.4 无线通信模块设计与实现 
本系统使用NRF24L01模块作为无线数据传输的方案,NRF24L01属于内置2.4G天线、CRC检错及点对多点通信地址控制的无线模块,具有体积小,功耗低,抗干扰能力强等优良特性。NRF24L01所有的配置都通过一种高速的,全双工,同步的SPI通信总线完成。其可以接受来自6个不同地址节点但频率相同的数据,每个数据通道通过寄存器配置拥有自己的地址,即通过EN_RXADDR来配置数据通道的开启或关闭。当某个数据通道设置为应答方式并且接收到数据时,该模块会向接受通道地址发送一个应答信号。由于本系统的所涉及的节点数不多于6个,所以使用NRF24L01是非常适合的。图7为NRF24L01与单片机连接原理图。 
图7 无线模块引脚接线图 
2 通信节点协议设计 
本系统的通信协议主要是根据NRF24L01芯片设计而成,用于实现多节点单通道发送数据,单节点单通道结束数据。在每个节点的无线模块寄存器发送配置过程中实现不同通道的打开,比如节点1打开通道1,节点2打开通道2,而在节点配置为接受数据时,最多可以接收来自6路不同节点发送过来的数据,并通过返回状态寄存器标记通道号,以便区分数据的来源。 
另外,为了统一上位机与下位机的通讯,本系统采用了自定义协议的方式:以字符‘!’作为数据的首部,表示开始数据发送,每次发送完一个指标的数据后以0结束,以区分下一个数据指标。在所有数据传输结束后,定义简单的校验位,校验位算法是将每个字符所对应的ASCII相加求和取后两位坐位数据校验位,最后以字符‘#’结束数据的传输。此协议的定义有利于下位机与上位机的通信,从而方便数据的读取。 
3 结束语 
本文介绍了基于物联网的生态环境监控节点系统设计方案,并详细论述了相关硬件工作原理及程序流程。该系统可以对环境温度、湿度及气压进行检查和测量,并能够根据已设定的定值来调节检测目标。此设计系统具有较广的应用,不仅用于监测生态环境,也可运用于人们工作与生活的方方面面等各类环境监测。实验表明,该系统运行稳定,测量结果准确。 
参考文献: 
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[3]谢自美.电子线路设计实验测试[M].武汉:华中科技大学出版社,2000. 
[4]钟晓伟,宋蛰存.基于单片机的实验室温湿度控制系统设计[J].林业机械与木工设备,2010(01):39-42. 


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