面向智慧社區(qū)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

1、    面向智慧社區(qū)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)    樊玉明摘要：隨著環(huán)境問題的日益突出，人們對自身的生活環(huán)境有了更多的關(guān)注，但是能夠隨時查看周邊環(huán)境數(shù)據(jù)的途徑很窄，建設(shè)一個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.然而目前社會上存在的監(jiān)測系統(tǒng)大多處于單一儀器獨立監(jiān)測的狀態(tài)，監(jiān)測效率低且成本較高，所以建設(shè)一個信息化程度高的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)具有很強的現(xiàn)實意義.關(guān)鍵詞：智慧城市；環(huán)境監(jiān)測；單片機(jī)；傳感器；信息采集1系統(tǒng)硬件設(shè)計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

2、常工作時可以達(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，足以實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的各項功能.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)字信號輸出.內(nèi)部由ntc測溫元件和電阻式感濕元件組成，并且和一個高性能的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35.5v之間，可測量的濕度范圍為20%90%rh，測量誤差為±5%rh；可測量的溫度范圍為050，測量誤差為±2.采用單線制串行接口，易集成、功耗低，滿足環(huán)境監(jiān)測的

3、要求.使用單總線數(shù)據(jù)傳輸格式，通過pg11端與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸.uvm-30負(fù)責(zé)紫外線強度采集，采用線性電壓輸出，響應(yīng)200370nm間的波長，輸出電壓為01v，對應(yīng)uv指數(shù)010，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、抵抗可見光干擾強的優(yōu)點.接單片機(jī)pa0端.煙霧監(jiān)測使用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，對液化氣、丙烷、氫氣等可燃性氣體的檢測效果理想，擁有廣泛的探測范圍和優(yōu)異的穩(wěn)定性.一旦傳感器與煙霧相接觸，晶粒交界處的勢壘就會改變，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

4、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線收發(fā)模塊與gprs模塊.使用nrf24l01模塊實現(xiàn)無線收發(fā)功能.該模塊在2.42.5ghzism頻段工作.低功耗1.93.6v間工作，提供126頻道，可實現(xiàn)多點通信與跳頻通訊，最高工作頻率2mbps，高效gfsk調(diào)制，抗干擾能力強，可自動反應(yīng)并再次發(fā)射信號.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通用分組無線服務(wù)技術(shù)是計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上一項重要的數(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)，可實現(xiàn)wap瀏覽，e-mail等功能.本系統(tǒng)選用的sim800a模塊

5、是一款高性能高性價比的工業(yè)級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2.1 系統(tǒng)工作流程初始化主機(jī)和從機(jī)，檢測分別搭載在主機(jī)和從機(jī)上的無線收發(fā)模塊nrf24l01是否可以正常通訊.無線收發(fā)模塊可以正常傳輸信息后，開始初始化負(fù)責(zé)環(huán)

6、境數(shù)據(jù)采集的各項傳感器.從機(jī)將傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過nrf24l01無線模塊發(fā)送至主機(jī)，主機(jī)接收數(shù)據(jù)后在lcd屏上顯示各項監(jiān)測數(shù)值，通過sim800模塊發(fā)送環(huán)境數(shù)據(jù)至樂聯(lián)網(wǎng)，同時將數(shù)據(jù)與設(shè)定閾值比較，若超出閾值，立即發(fā)出聲光報警并發(fā)送異常數(shù)據(jù)至樂聯(lián)網(wǎng)平臺.2.2 環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測該部分作為整個環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的核心，包括對溫濕度、煙霧濃度、紫外線強度和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)各項環(huán)境因素是否正常，若出現(xiàn)異常，系統(tǒng)將啟動聲光報警并將異常信息通過gprs模塊發(fā)送至樂聯(lián)網(wǎng)平臺；正常情況下，系統(tǒng)則按時發(fā)送實時環(huán)境數(shù)據(jù).2.3 人體感應(yīng)監(jiān)測人體感應(yīng)裝置可選擇性安裝在必要地點

7、，作為社區(qū)安全保障.當(dāng)有人入侵時，hc-sr501傳感器輸出高電平，主機(jī)接收信號后啟動聲光報警，以提醒警衛(wèi)室相關(guān)人員.2.4 gprs模塊設(shè)計通過stm32f103zet6向sim800輸出at指令進(jìn)行相關(guān)控制.使用sim800模塊進(jìn)行g(shù)prs通信，設(shè)置指令at+cipstatus，可查詢當(dāng)前連接狀態(tài)；指令at+cdnscfg，如發(fā)送：at+cdnscfg=1，“cmnet”，設(shè)置為gprs連接，接入點為“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)

8、上傳至樂聯(lián)網(wǎng)使用gprs模塊連接soft-ap，登陸樂聯(lián)網(wǎng)指定ip地址并按照要求配置參數(shù)，配置成功后云平臺會自動顯示數(shù)據(jù)，用戶可根據(jù)自身需求綁定微信等信息接收平臺.3 結(jié)果與分析3.1 環(huán)境數(shù)據(jù)測量與分析對于溫濕度，本系統(tǒng)在室內(nèi)進(jìn)行測試，可準(zhǔn)確顯示傳感器采集的空氣溫濕度數(shù)據(jù).經(jīng)多次測試，測得數(shù)據(jù)誤差在±5%以內(nèi)，滿足實際需求.經(jīng)監(jiān)測，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，輸出電壓值均超過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).紫外線強度測量使用u-20紫外輻照度計進(jìn)行校準(zhǔn).測試環(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)測量的紫

9、外線數(shù)據(jù)與紫外輻照度計的測量值進(jìn)行分析計算，得出本系統(tǒng)測量的相對誤差在±3%之間，滿足最初的設(shè)計要求.pm2.5傳感器數(shù)據(jù)測量與分析，當(dāng)空氣質(zhì)量好的時候，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0.63.4v之間時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)測情況分析當(dāng)hc-sr501監(jiān)測到距離傳感器7m以內(nèi)并在<100°錐角內(nèi)出現(xiàn)人員時，向單片機(jī)輸出高電平，經(jīng)主機(jī)處理通過sim800模塊發(fā)送人員入侵信息，并進(jìn)行聲光報警.有效提高了社區(qū)安全程度.3.3 信息

10、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)公眾號平臺上，定期推送并上傳至樂聯(lián)網(wǎng)平臺，供居民實時了解所在社區(qū)的環(huán)境狀況.本設(shè)計將采集的信息上傳至樂聯(lián)網(wǎng)平臺，發(fā)布形式為：“當(dāng)前溫度：25；濕度：50%；火警：無；外人入侵：無；紫外線強度：87mw/m2；pm2.5：43g/m3.系統(tǒng)設(shè)置每2h向用戶發(fā)送當(dāng)前的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，如果檢測到數(shù)據(jù)異常，則立即發(fā)送異常的數(shù)據(jù)，由樂聯(lián)網(wǎng)平臺提示用戶并報告相應(yīng)的位置信息.4 結(jié)束語設(shè)計實現(xiàn)了一種智能的社區(qū)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)核心模塊的實現(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，可以實時監(jiān)測人們的生活環(huán)境，滿足現(xiàn)代化智慧社區(qū)的需求.經(jīng)實驗驗證，本系統(tǒng)智能化程度高、性