基于nRF2401A的無線環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

倪杰等

【摘 要】基于STC15F2K61S2單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境監(jiān)控；該系統(tǒng)主要由nRF2401無線模塊、SHT10溫濕度傳感器模塊、煙霧傳感器模塊等組成；SHT10溫濕度傳感器模塊和煙霧傳感器時(shí)時(shí)監(jiān)控環(huán)境的變化，再經(jīng)過將nRF2401無線模塊將檢測(cè)的數(shù)據(jù)傳回給單片機(jī)處理并在監(jiān)控主機(jī)顯示出相應(yīng)的信息，若超過設(shè)定的溫濕度值或氣體濃度，就會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的監(jiān)控。

【關(guān)鍵詞】STC15F2K60S2 nRF2401 SHT10 煙霧傳感器

【中圖分類號(hào)】 G 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】0450-9889（2014）07C-0190-03

隨著人們生活水平的不斷提高，人們對(duì)環(huán)境的關(guān)注越來越高，尤其是一些溫室大棚、養(yǎng)殖場(chǎng)、冷藏室等地方，能夠時(shí)時(shí)了解這些地方的環(huán)境變化尤其重要。為了解決這個(gè)問題，本系統(tǒng)利用無線技術(shù)、傳感器技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了環(huán)境參數(shù)（例如溫度、濕度、煙霧濃度等）的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，用戶可以隨時(shí)在監(jiān)控主機(jī)上查詢這些地方的環(huán)境情況，不用到現(xiàn)場(chǎng)去監(jiān)控，并能在監(jiān)控主機(jī)上對(duì)這些地方的環(huán)境需要的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，從而達(dá)到智能化目的。

一、系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由主機(jī)、從機(jī)和計(jì)算機(jī)終端構(gòu)成，系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。從機(jī)主要包括單片機(jī)模塊、無線數(shù)據(jù)接收/發(fā)送模塊、溫濕度采集、煙霧濃度采集模塊等，主要完成環(huán)境參數(shù)的采集以及控制參數(shù)（傳感數(shù)據(jù)）的接收（發(fā)送）；主機(jī)包括單片機(jī)模塊、無線數(shù)據(jù)接收/發(fā)送模塊、顯示模塊，主要完成環(huán)境參數(shù)的無線接收、控制參數(shù)的發(fā)送、顯示以及檢測(cè)異常報(bào)警等功能；計(jì)算機(jī)終端主要通過可視化軟件界面來顯示各種環(huán)境參數(shù)的變化情況、參數(shù)閥值的設(shè)置以及向主機(jī)（從機(jī)）發(fā)送控制參數(shù)等功能。

系統(tǒng)處于工作狀態(tài)時(shí)，從機(jī)的相關(guān)采集模塊采集現(xiàn)場(chǎng)溫度、濕度、煙霧濃度等參數(shù)，通過單片機(jī)的I/O接口將數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)通過顯示模塊將參數(shù)以一定格式顯示以便用戶觀察，另外通過無線模塊將參數(shù)通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到主機(jī)上。主機(jī)的無線模塊接收由從機(jī)發(fā)送過來的環(huán)境參數(shù)，并通過串口傳輸給計(jì)算機(jī)終端，在計(jì)算機(jī)終端上通過用高級(jí)程序設(shè)計(jì)語言編寫的監(jiān)測(cè)軟件及時(shí)顯示出各種環(huán)境參數(shù)的變化曲線。另外還可以在監(jiān)測(cè)軟件設(shè)置各種參數(shù)的閥值，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)判斷參數(shù)是否超過相應(yīng)的閥值以便做出相應(yīng)的處理動(dòng)作（如：發(fā)出報(bào)警聲音）；可以通過監(jiān)測(cè)軟件向從機(jī)發(fā)出控制參數(shù)（如：?jiǎn)?dòng)/停止，參數(shù)調(diào)整等）。

二、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用新一代單時(shí)鐘/機(jī)器周期（1T）8051單片機(jī)作為主控制器，無線接收/發(fā)送模塊采用nRF2401A，數(shù)據(jù)采集模塊分別采用SHT10溫濕度模塊和MQ-2煙霧模塊組，顯示模塊采用帶中文字庫的液晶LCD12864。下面介紹一些主要的模塊。

（一）微處理器模塊

微處理器選擇STC15F2K60S2單片機(jī)，該單片機(jī)是新一代單時(shí)鐘/機(jī)器周期（1T）8051單片機(jī)，具有高速、低功耗及超強(qiáng)抗干擾等特點(diǎn)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051單片機(jī)，但速度快8-12倍，內(nèi)部集成專用復(fù)位電路，3路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換器，超低功耗，寬電壓，該單片機(jī)幾乎包含了設(shè)計(jì)典型測(cè)控系統(tǒng)所必須的全部部件，可以稱為片上系統(tǒng)（SOC）。

（二）無線接收/發(fā)送模塊

（三）溫濕度模塊

溫濕度的采集直接關(guān)系我們檢測(cè)環(huán)境信息的準(zhǔn)確性，考慮到我們監(jiān)控環(huán)境有可能比較惡劣，若采用傳統(tǒng)的首先將溫濕度信號(hào)轉(zhuǎn)換電信號(hào)，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換的溫度測(cè)量方法，不但硬件電路設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，維護(hù)較為困難，且系統(tǒng)的可靠性不高。在本系統(tǒng)中采用SHT10溫濕度模塊，其主要特點(diǎn)為：

全量程標(biāo)定，兩線數(shù)字輸出；濕度測(cè)量范圍：0～100%RH；

溫度測(cè)量范圍：-40℃～+123.8℃； 濕度測(cè)量精度：±4.5%RH；溫度測(cè)量精度：±0.5%℃；

響應(yīng)時(shí)間：<8s；低功耗，可以完全放入水中。

（四）煙霧傳感器模塊

（五）電源模塊

（六）顯示模塊

該系統(tǒng)在主機(jī)和從機(jī)部分都有環(huán)境參數(shù)的顯示，考慮到方便和單片機(jī)連接，易于編程等方面，而且為了可以提供更加豐富的顯示信息，選擇了帶中文字庫的LCD12864液晶顯示模塊。LCD12864是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國標(biāo)一級(jí)、二級(jí)簡(jiǎn)體中文字庫的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為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?？梢燥@示8×4行16×16點(diǎn)陣的漢字，也可完成圖形顯示，低電壓低功耗是其又一顯著特點(diǎn)。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

（一）主機(jī)和從機(jī)測(cè)控軟件設(shè)計(jì)

主機(jī)、從機(jī)系統(tǒng)啟動(dòng)后，相關(guān)模塊進(jìn)行初始化，然后主機(jī)單片機(jī)發(fā)出數(shù)據(jù)采集指令給從機(jī)，從機(jī)單片機(jī)接收到指令后，啟動(dòng)相應(yīng)的采集模塊進(jìn)行環(huán)境參數(shù)采集。數(shù)據(jù)采集到后經(jīng)過轉(zhuǎn)換送給LCD12864顯示，并同時(shí)通過nRF2401A無線模塊發(fā)送給主機(jī)部分。然后，主機(jī)也顯示出來并通過串口轉(zhuǎn)發(fā)給計(jì)算機(jī)終端。主機(jī)和從機(jī)單片機(jī)程序流程圖如圖6所示。

（二）計(jì)算機(jī)終端軟件設(shè)計(jì)

為了便于主控室觀察，計(jì)算機(jī)終端部分利用C#編制可視化的監(jiān)測(cè)管理軟件，實(shí)現(xiàn)所測(cè)環(huán)境參數(shù)的圖形化，如圖7所示。在監(jiān)測(cè)界面上，通過不同顏色的曲線實(shí)時(shí)顯示溫濕度的變化，還可以將數(shù)據(jù)保存下來，以備通過菜單中的歷史數(shù)據(jù)選項(xiàng)調(diào)出。另外，還可設(shè)置煙霧報(bào)警的限值。

本系統(tǒng)是利用無線技術(shù)設(shè)計(jì)的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，可以用于家庭、工廠等環(huán)境參數(shù)的檢測(cè)，并通過無線模塊將參數(shù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺厥业闹鳈C(jī)，以便于及時(shí)了解實(shí)際環(huán)的狀況。另外，系統(tǒng)搭建簡(jiǎn)單方便、性能穩(wěn)定、可靠性高，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。同時(shí)可以擴(kuò)展傳感器對(duì)其他環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

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【作者簡(jiǎn)介】幸 敏（1979- ），廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，工程碩士，研究方向：電子技術(shù)。