面向智慧社區(qū)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

樊玉明

摘要：隨著環(huán)境問(wèn)題的日益突出，人們對(duì)自身的生活環(huán)境有了更多的關(guān)注，但是能夠隨時(shí)查看周邊環(huán)境數(shù)據(jù)的途徑很窄，建設(shè)一個(gè)面向智慧城市的信息化智能社區(qū)便成為滿足這一訴求的方法.然而目前社會(huì)上存在的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大多處于單一儀器獨(dú)立監(jiān)測(cè)的狀態(tài)，監(jiān)測(cè)效率低且成本較高，所以建設(shè)一個(gè)信息化程度高的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義.

關(guān)鍵詞：智慧城市；環(huán)境監(jiān)測(cè)；單片機(jī)；傳感器；信息采集

1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 主控制模塊

控制模塊采用STM32F103ZET6芯片，該芯片是以ARMCoretex-M3為內(nèi)核搭建的RISC處理器，正常工作時(shí)可以達(dá)到72MHz頻率，片內(nèi)雙RC晶振，可提供8K和32K頻率，并擁有64K片內(nèi)RAM和512K片內(nèi)Flash，內(nèi)部資源豐富，足以實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能.

1.2 環(huán)境數(shù)據(jù)采集模塊

系統(tǒng)使用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器采集溫濕度數(shù)據(jù)，DHT11是一款復(fù)合傳感器，含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出.內(nèi)部由NTC測(cè)溫元件和電阻式感濕元件組成，并且和一個(gè)高性能的8位單片機(jī)相連接，反應(yīng)迅速、能有效抵抗干擾.該傳感器工作電壓在3～5.5V之間，可測(cè)量的濕度范圍為20%～90%RH，測(cè)量誤差為±5%RH；可測(cè)量的溫度范圍為0～50℃，測(cè)量誤差為±2℃.采用單線制串行接口，易集成、功耗低，滿足環(huán)境監(jiān)測(cè)的要求.使用單總線數(shù)據(jù)傳輸格式，通過(guò)PG11端與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸.UVM-30負(fù)責(zé)紫外線強(qiáng)度采集，采用線性電壓輸出，響應(yīng)200～370nm間的波長(zhǎng)，輸出電壓為0～1V，對(duì)應(yīng)UV指數(shù)0～10，UVM-30紫外線傳感器響應(yīng)速度極快，低于0.5s，具備靈敏度高、抵抗可見(jiàn)光干擾強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn).接單片機(jī)PA0端.煙霧監(jiān)測(cè)使用MQ-2型煙霧傳感器，該傳感器屬于二氧化錫半導(dǎo)體氣敏材料，對(duì)液化氣、丙烷、氫氣等可燃性氣體的檢測(cè)效果理想，擁有廣泛的探測(cè)范圍和優(yōu)異的穩(wěn)定性.一旦傳感器與煙霧相接觸，晶粒交界處的勢(shì)壘就會(huì)改變，材料的電導(dǎo)率因此變化，電阻降低，并根據(jù)不同的煙霧濃度輸出不同的電壓值.電壓隨濃度升高，再利用A/D轉(zhuǎn)換將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，供單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析.

1.3 信息傳輸模塊

信息傳輸模塊包括無(wú)線收發(fā)模塊與GPRS模塊.使用NRF24L01模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)線收發(fā)功能.該模塊在2.4～2.5GHzISM頻段工作.低功耗1.9～3.6V間工作，提供126頻道，可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)通信與跳頻通訊，最高工作頻率2Mbps，高效GFSK調(diào)制，抗干擾能力強(qiáng)，可自動(dòng)反應(yīng)并再次發(fā)射信號(hào).使用SPI接口設(shè)定輸出功率頻道和協(xié)議，與單片機(jī)連接方式便捷，具有很好的適應(yīng)性.GPRS通用分組無(wú)線服務(wù)技術(shù)是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上一項(xiàng)重要的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，在原GSM網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上疊加了支持高速分組數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)WAP瀏覽，E-mail等功能.本系統(tǒng)選用的SIM800A模塊是一款高性能高性價(jià)比的工業(yè)級(jí)GSM/GPRS模塊，支持4頻GSM/GPRS，工作頻段為GSM850，EGS900，DCS1800，CS1900MHz頻率.GPRS數(shù)據(jù)上下行傳輸最大85.6kbps.本系統(tǒng)設(shè)計(jì)為TTL接口控制，支持3.3V/5V系統(tǒng).T_TX和T_RX引腳分別與單片機(jī)上的U3_RX和U3_TX引腳相接，V_MCU選用3.3V電壓.模塊包含DC電源適配器輸入接口，建議使用9V或12V電源輸入（至少1A）.

2系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)工作流程

初始化主機(jī)和從機(jī)，檢測(cè)分別搭載在主機(jī)和從機(jī)上的無(wú)線收發(fā)模塊NRF24L01是否可以正常通訊.無(wú)線收發(fā)模塊可以正常傳輸信息后，開(kāi)始初始化負(fù)責(zé)環(huán)境數(shù)據(jù)采集的各項(xiàng)傳感器.從機(jī)將傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)NRF24L01無(wú)線模塊發(fā)送至主機(jī)，主機(jī)接收數(shù)據(jù)后在LCD屏上顯示各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)值，通過(guò)SIM800模塊發(fā)送環(huán)境數(shù)據(jù)至樂(lè)聯(lián)網(wǎng)，同時(shí)將數(shù)據(jù)與設(shè)定閾值比較，若超出閾值，立即發(fā)出聲光報(bào)警并發(fā)送異常數(shù)據(jù)至樂(lè)聯(lián)網(wǎng)平臺(tái).

2.2 環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)

該部分作為整個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心，包括對(duì)溫濕度、煙霧濃度、紫外線強(qiáng)度和PM2.5濃度的數(shù)據(jù)采集.系統(tǒng)將采集數(shù)據(jù)與閾值比較，判斷社區(qū)內(nèi)各項(xiàng)環(huán)境因素是否正常，若出現(xiàn)異常，系統(tǒng)將啟動(dòng)聲光報(bào)警并將異常信息通過(guò)GPRS模塊發(fā)送至樂(lè)聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)；正常情況下，系統(tǒng)則按時(shí)發(fā)送實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù).

2.3 人體感應(yīng)監(jiān)測(cè)

人體感應(yīng)裝置可選擇性安裝在必要地點(diǎn)，作為社區(qū)安全保障.當(dāng)有人入侵時(shí)，HC-SR501傳感器輸出高電平，主機(jī)接收信號(hào)后啟動(dòng)聲光報(bào)警，以提醒警衛(wèi)室相關(guān)人員.

2.4 GPRS模塊設(shè)計(jì)

通過(guò)STM32F103ZET6向SIM800輸出AT指令進(jìn)行相關(guān)控制.使用SIM800模塊進(jìn)行GPRS通信，設(shè)置指令A(yù)T+CIPSTATUS，可查詢當(dāng)前連接狀態(tài)；指令A(yù)T+CDNSCFG，如發(fā)送：AT+CDNSCFG=1，“CMNET”，設(shè)置為GPRS連接，接入點(diǎn)為“CMNET”，可配置域名服務(wù)器DNS；發(fā)送數(shù)據(jù)則可以使用指令：AT+CIPSEND；建立TCP連接使用指令：AT+CIPSTART；關(guān)閉TCP連接使用指令：AT+CIPSHUT.

2.5 數(shù)據(jù)上傳至樂(lè)聯(lián)網(wǎng)

使用GPRS模塊連接soft-ap，登陸樂(lè)聯(lián)網(wǎng)指定IP地址并按照要求配置參數(shù)，配置成功后云平臺(tái)會(huì)自動(dòng)顯示數(shù)據(jù)，用戶可根據(jù)自身需求綁定微信等信息接收平臺(tái).

3 結(jié)果與分析

3.1 環(huán)境數(shù)據(jù)測(cè)量與分析

對(duì)于溫濕度，本系統(tǒng)在室內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，可準(zhǔn)確顯示傳感器采集的空氣溫濕度數(shù)據(jù).經(jīng)多次測(cè)試，測(cè)得數(shù)據(jù)誤差在±5%以內(nèi)，滿足實(shí)際需求.經(jīng)監(jiān)測(cè)，正常狀態(tài)下輸出電壓值約為0.4V，而當(dāng)煙霧濃度異常時(shí)，輸出電壓值均超過(guò)1V，由此設(shè)定閾值為1V，作為煙霧正常與否的判定標(biāo)準(zhǔn).紫外線強(qiáng)度測(cè)量使用U-20紫外輻照度計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn).測(cè)試環(huán)境為正午戶外，取每20min內(nèi)的平均紫外線到達(dá)地面的輻射量.將本系統(tǒng)測(cè)量的紫外線數(shù)據(jù)與紫外輻照度計(jì)的測(cè)量值進(jìn)行分析計(jì)算，得出本系統(tǒng)測(cè)量的相對(duì)誤差在±3%之間，滿足最初的設(shè)計(jì)要求.PM2.5傳感器數(shù)據(jù)測(cè)量與分析，當(dāng)空氣質(zhì)量好的時(shí)候，輸出電壓值在0.6V左右，而在灰塵濃度很高的情況下，輸出電壓不小于3.4V，電壓值在0.6～3.4V之間時(shí)與灰塵濃度幾乎成線性變化，得出推算公式：粉塵濃度（mg/m3）≈0.17輸出電壓（V）-0.1.

3.2 人體紅外監(jiān)測(cè)情況分析

當(dāng)HC-SR501監(jiān)測(cè)到距離傳感器7m以內(nèi)并在<100°錐角內(nèi)出現(xiàn)人員時(shí)，向單片機(jī)輸出高電平，經(jīng)主機(jī)處理通過(guò)SIM800模塊發(fā)送人員入侵信息，并進(jìn)行聲光報(bào)警.有效提高了社區(qū)安全程度.

3.3 信息采集發(fā)布形式

將采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)綁定到社區(qū)公眾號(hào)平臺(tái)上，定期推送并上傳至樂(lè)聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，供居民實(shí)時(shí)了解所在社區(qū)的環(huán)境狀況.本設(shè)計(jì)將采集的信息上傳至樂(lè)聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，發(fā)布形式為：“當(dāng)前溫度：25℃；濕度：50%；火警：無(wú)；外人入侵：無(wú)；紫外線強(qiáng)度：87mW/m2；PM2.5：43μg/m3.系統(tǒng)設(shè)置每2h向用戶發(fā)送當(dāng)前的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，如果檢測(cè)到數(shù)據(jù)異常，則立即發(fā)送異常的數(shù)據(jù)，由樂(lè)聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)提示用戶并報(bào)告相應(yīng)的位置信息.

4 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種智能的社區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)核心模塊的實(shí)現(xiàn)原理，該系統(tǒng)將單片機(jī)與多種傳感器系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人們的生活環(huán)境，滿足現(xiàn)代化智慧社區(qū)的需求.經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本系統(tǒng)智能化程度高、性能穩(wěn)定、數(shù)據(jù)傳輸可靠、通信方式靈活、成本低，具有廣泛的推廣使用價(jià)值.

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