基于物聯網的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計與實現

許 晨

隨著社會的不斷進步、工業(yè)的發(fā)展，“霧霾”這個名詞頻繁出現在新聞媒體上.人們對環(huán)保的要求、對生活環(huán)境中溫度和濕度等舒適度的要求在逐漸地提高.隨著科技的發(fā)展，在生活中使用物聯網，把傳感器與生活環(huán)境聯系起來，改善家居環(huán)境的研究得到人們的廣泛關注.

本文基于物聯網平臺的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，設計出環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)構架、環(huán)境監(jiān)測的系統(tǒng)硬件與軟件，并進行系統(tǒng)的運行測試.力求實現通過傳感器把可測的環(huán)境數據轉變成相應的D/A信號，并由ZigBee網絡發(fā)送至主控處理器中處理，再使用網絡接口把數據發(fā)送到物聯網平臺上，在平臺上實時顯示出環(huán)境數據，用戶通過手機和移動設備就可以便捷地查看到環(huán)境數據的目的.

1 物聯網平臺的介紹

物聯網平臺是通過應用程序編程接口，支持多種網絡的接入，將不同功能的傳感器、測量儀器和儀表接入平臺，并使用軟件來完成對儀器的控制.主要有個人門戶功能，數據存儲和分析，儀表無縫接入和手機App功能，在環(huán)境監(jiān)測、智慧農業(yè)、資產管理、智能生活、工業(yè)生產中有著廣泛的應用.目前國內較成熟的物聯網平臺有阿里云、海爾U+、百度云天工等.

2 物聯網的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)構架設計

物聯網的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)構架自下而上可以分為三個部分：感知層、網絡層、應用層.由這三個部分實現數據識別采集、自動控制——物物互聯的網絡傳輸——處理反饋和綜合管理的功能.

2.1 感知層的構建

系統(tǒng)的感知層由負責環(huán)境數據采集的傳感器構建而成，系統(tǒng)中的主要檢測對象為家居環(huán)境或者校園中的溫度、濕度、PM2.5顆粒物的濃度，因此在傳感器的選擇上要兼顧性能和價格，以及實用性.經過綜合的考慮，選用溫濕度傳感器DHT11，DHT11是已校準數字信號輸出的溫濕度傳感器，它使用數字信號進行采集與傳輸，該產品的可靠性和穩(wěn)定性較高，同時還具有超快響應、較強的抗干擾能力、價格低廉的優(yōu)勢，產品的功耗較低，適用于各種尺寸的電路［1］.

在PM2.5顆粒物濃度傳感器的選取上，考慮使用攀藤PMS5003.它是用激光散射原理來測量顆粒物濃度傳感器，具有零錯誤報警率.它在工作時響應速度快并可連續(xù)采集大氣環(huán)境中顆粒物的數量和分布，把測得數值轉換成顆粒物濃度，而后使用數字接口輸出數據.該傳感器可通過接口安裝在環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的采集電路中，提供出實時的顆粒物濃度數據［2］.

2.2 網絡層的構建

物聯網是物與物的網絡連接，其要點在使用網絡來匯集感知層的監(jiān)測數據.在物聯網中，網絡層的工作是把感知層輸出數據進行安全可靠的傳送，目前Wi-Fi、無線通訊等技術的應用較廣.與此同時短距離無線通訊的應用也得到快速的發(fā)展，常用的有：ZigBee、Bluetooth和紅外.［3］

通過對比，兼顧實用和易用性，選擇ZigBee技術.它是一種新型的雙向無線通訊技術，由此來構建網絡層.ZigBee的主要工作頻段為2.4GHz、868MHz和915MHz，它的傳輸速率較低，最高為250kbit/s，它能覆蓋10～75m的范圍，主要特點為低功耗、低成本、低速率、近距離、短時延、高容量、高安全、免執(zhí)照頻段.［4］

2.3 應用層的構建

物聯網的首要工作就是應用感知層和網絡層的信息，應用層的工作是處理感知層和網絡層的數據，根據數據做出反饋，實現環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的綜合管理.應用層的選擇使用物聯網平臺完成構建.

2.4 環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)總體架構設計

綜上可知，環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的感知層使用DHT11和PMS5003，測得環(huán)境參數，再轉換成D/A信號.網絡層使用ZigBee技術組網與作為中介，把采集的D/A信號送入主控處理器中，主控處理器負責數據的協(xié)調處理，協(xié)調網絡，把處理結果送至物聯網平臺，通過物聯網平臺定位和監(jiān)測各節(jié)點的信息和數據［5］.完成系統(tǒng)的設計后，即可使用電腦和手機的軟件，實時查看被測點的環(huán)境參數.系統(tǒng)框圖如圖1所示.

圖1 環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)總體框圖

3 環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)硬件與軟件的設計與實現

系統(tǒng)的硬件主要包含：傳感器數據采集電路、主控處理器及周邊電路和系統(tǒng)通信接口電路.

3.1 傳感器數據采集電路實現

數據采集傳感器選擇的是DHT11溫濕度傳感器和攀藤PMS5003，他們輸出的均是數字信號，配合ZigBee模塊（CC2530）的數據處理功能，進行數據的采集.

（1）CC2530的簡介.CC2530是TI公司出品的增強型8051MCU，一體化的真正的片上系統(tǒng)解決方案.它集成了單周期8051內核，通過SFR總線，把CPU、DMA控制器、物理存儲器與外設相連.8-KB的SRAM映射到DATA存儲與部分XDATA存儲中.能以極低的成本建立起強大的網絡節(jié)點.［6］

（2）數據采集電路.由于溫濕度傳感器DHT11與PM2.5濃度傳感器PMS5003輸出的均是數字信號，傳感器數據采集的CC2530就需要提供相應的數字接口.設計CC2530的電路時，應具有單片機最小系統(tǒng)的特性，所以傳感器數據采集電路擁有復位電路、時鐘電路、指示電路和RF收發(fā)電路，如圖2所示.

圖2 CC2530及外設電路原理圖

①復位電路（RESET）由10k上拉電阻R3、電容C7組成，CC2530的復位引腳RESET有上電、掉電復位，看門狗復位，低電平復位這四種功能，可使用軟件設置寄存器來實現前三種復位.電路中，電源VDD通過R3給C7充電，此時RESET是高電平，單片機工作，點擊RESET后C7放電，RESET為低電平，單片機為復位.

②時鐘振蕩的電路.CC2530中含有16M、31k RC振蕩器和外接32M、32.768k石英晶振.32M晶振的啟動時間對于某些應用顯得時間過長，CC2530先在16M的振蕩器上快速運行，穩(wěn)定后切換到32M晶振上.外部的32.768k晶振的作用是提供時鐘信號.為了優(yōu)化系統(tǒng)中數據的接收和發(fā)送，選擇使用外接32M晶振和32.768k晶振.

③RF收發(fā)電路.電路中使用濾波電容，增加穩(wěn)定性.其中溫濕度傳感器DHT11的2腳為輸出端，在DHT11的電路中加入10k的上拉電阻R6.然后把DHT11的2腳與CC2530的P0_7腳（網絡標號DHT11）連接.PMS5003通過RXD和TXD兩個引腳與CC2530相連，由此完成了電路設計.［7］

（3）系統(tǒng)電源選擇.系統(tǒng)電源使用電源適配器供電和電池供電兩種方式，可以提供系統(tǒng)需要的5V與3.3V供電.

3.2 主控處理器及周邊電路設計與實現

使用Arduino UNO R3作為主控處理器.它是Arduino家族中最常用、便捷的開源電子平臺.它具有開源的I/O接口板和多種語言的開發(fā)環(huán)境.

（1）Arduino的電路板.Arduino UNO R3的硬件包含USB接口、54路的數字傳輸I/O接口、16MHz的晶振、電源插座、ICSP接口和RESET按鈕.Arduino UNO R3有插座外接直流電源供電、電池供電、USB供電三種方式，并且可以自動選擇.I/O接口的驅動能力強，驅動電流為40mA.它還具有256k的FLASH存儲器，8k的SRAM運存，4k的可擦可編程只讀存儲器（EEPROM）.［8］

（2）主控處理器電路.主控處理器作用是處理ZigBee網絡發(fā)來的采集數據與控制物聯網平臺進行通信［9］，它包含兩個串口——CC2530通信端口（數據收發(fā)）、網絡通信端口（數據收發(fā)），而Arduino UNO R3具有系統(tǒng)所需求的四個串口.主控處理器電路含有復位與晶振電路，同時連接所有I/O接口，方便擴展.主控處理器電路PCB圖，如圖3所示.

圖3 主控處理器電路PCB圖

（3）網絡通信接口電路.系統(tǒng)選擇的芯片為W5500以太網網絡模塊，W5500的特點是全硬件TCP/IP協(xié)議棧，通過SPI（高速串行外設接口）連接網絡.它支持TCP、UDP、ICMP、IPv4、ARP、IGMP、PPPoE協(xié)議，經過多年應用，技術成熟可靠.W5500使用32KB收發(fā)緩存作為其數據通信內存.

3.3 傳感器數據采集程序的設計

由于系統(tǒng)使用DHT11與PMS5003輸出的是數字信號，理論上只需讓CC2530準確讀取數據采集的信息就可以了，但在測試應用中，往往要考慮諸多因素的干擾.數據采集傳感器的工作環(huán)境不同，且易受到干擾，使處理器最終得到的數據產生誤差.因此為保證得到真實有效的采集數據，在對傳感器數據采集程序設計時就要考慮濾波算法的選擇.在權衡之后，考慮到被測環(huán)境數據主要為室內家居和校園宿舍樓，方案使用中位值濾波法——連續(xù)采樣N次（N為奇數），把N次采樣值按大小排列，取中間值為本次有效值.中位值濾波法的優(yōu)點是能克服因偶發(fā)因素引起的波動干擾，適用于采集變化緩慢的環(huán)境參數（家居環(huán)境和校園宿舍環(huán)境）.當然它的缺點是對變化較快的環(huán)境參數檢測不準確.［9］

3.4 ZigBee組網的設計與實現

ZigBee是一種新型的通信協(xié)議，它具有傳輸距離短、功耗低、數據傳輸速率低的特點.該協(xié)議有五層，自下而上分別是物理層（PHY）、媒體訪問控制層（MAC）、傳輸層（TL）、網絡層（NWK）、應用層（APL），處于最底的兩層遵守IEEE 802.15.4標準［10］.

在ZigBee協(xié)議中的節(jié)點設備主要有：終端（end）、路由器（router）、協(xié)調器（coordinator）.

協(xié)調器的主要作用是進行最高權限的網絡維護，實現多級通信功能，一個ZigBee網絡中只能有一個協(xié)調器；路由器的主要作用是轉發(fā)節(jié)點信息；終端節(jié)點的主要作用是進行數據采集，并且完成實時數據的傳輸［11］.ZigBee網絡的拓撲結構主要有星形、樹形和網狀結構.系統(tǒng)使用樹形網絡組網，因此需要對終端、路由器和協(xié)調器進行程序設計.其程序流程如圖4、圖5所示.

圖4 協(xié)調器程序流程

圖5 路由器程序流程及終端程序流程

3.5 主控處理器與網絡通信接口程序的設計與實現

ZigBee樹形網絡通過主控處理器和網絡接口組建，整個系統(tǒng)數據和指令都是經由主控處理器處理和網絡通信接口進行發(fā)送［12］，它們是環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中數據傳遞的紐帶，其程序流程圖如圖6所示.

圖6 主控處理器處理數據流程圖

4 環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的運行測試結果

在完成環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設計后，進行測試工作.首先打開Flash_Downland_Tools工具軟件，把節(jié)點的程序和主控處理器的文件寫入，通用USB線接上電腦.做完以上工作之后，連接網絡，打開物聯網平臺，即可進行系統(tǒng)的運行測試.

通過物聯網平臺的解決方案，可以使用智能手機、電腦進行實時數據查看，以Andorid設備為例，在手機App軟件上查看具體的功能.同時由于監(jiān)測系統(tǒng)在設計之初就考慮到擴展性，后期可以在系統(tǒng)中添加多個終端數據采集節(jié)點.通過觀察已完成節(jié)點，得到了被測點的PM2.5濃度、溫度、濕度情況曲線圖（周期為30天），其測試數據如圖7所示.

圖7 系統(tǒng)PM2.5濃度、溫度、濕度變化曲線圖

5 結語

借助物聯網平臺，研究了物聯網的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的整體構架，對環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)硬件與軟件進行了設計.為了驗證設計的結果，對被測點30天內的PM2.5濃度、溫度、濕度數據繪制曲線圖，并且與標準的PM2.5顆粒物濃度、溫度、濕度測試儀數據相比較.測試結果表明：該系統(tǒng)具有一定應用價值，完成了基于物聯網的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的實現.不足之處是系統(tǒng)的采集器較少，目前只測試了PM2.5濃度、溫度、濕度，系統(tǒng)軟件還需針對多采集器進行優(yōu)化.下一步將繼續(xù)添加環(huán)境監(jiān)測傳感器，完成環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)化.

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