基于nRF2401A的無線環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設計

倪杰等

【摘 要】基于STC15F2K61S2單片機，實現(xiàn)對環(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時監(jiān)控環(huán)境的變化，再經(jīng)過將nRF2401無線模塊將檢測的數(shù)據(jù)傳回給單片機處理并在監(jiān)控主機顯示出相應的信息，若超過設定的溫濕度值或氣體濃度，就會發(fā)出聲光報警，從而實現(xiàn)對環(huán)境的監(jiān)控。

【關鍵詞】STC15F2K60S2 nRF2401 SHT10 煙霧傳感器

【中圖分類號】 G 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2014）07C-0190-03

隨著人們生活水平的不斷提高，人們對環(huán)境的關注越來越高，尤其是一些溫室大棚、養(yǎng)殖場、冷藏室等地方，能夠時時了解這些地方的環(huán)境變化尤其重要。為了解決這個問題，本系統(tǒng)利用無線技術、傳感器技術、單片機技術實現(xiàn)了環(huán)境參數(shù)（例如溫度、濕度、煙霧濃度等）的遠程實時監(jiān)控，用戶可以隨時在監(jiān)控主機上查詢這些地方的環(huán)境情況，不用到現(xiàn)場去監(jiān)控，并能在監(jiān)控主機上對這些地方的環(huán)境需要的參數(shù)進行設置，從而達到智能化目的。

一、系統(tǒng)整體設計

本系統(tǒng)由主機、從機和計算機終端構成，系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。從機主要包括單片機模塊、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）；主機包括單片機模塊、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、顯示以及檢測異常報警等功能；計算機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)閥值的設置以及向主機（從機）發(fā)送控制參數(shù)等功能。

系統(tǒng)處于工作狀態(tài)時，從機的相關采集模塊采集現(xiàn)場溫度、濕度、煙霧濃度等參數(shù)，通過單片機的I/O接口將數(shù)據(jù)傳輸給單片機，單片機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)絡發(fā)送到主機上。主機的無線模塊接收由從機發(fā)送過來的環(huán)境參數(shù)，并通過串口傳輸給計算機終端，在計算機終端上通過用高級程序設計語言編寫的監(jiān)測軟件及時顯示出各種環(huán)境參數(shù)的變化曲線。另外還可以在監(jiān)測軟件設置各種參數(shù)的閥值，系統(tǒng)會自動判斷參數(shù)是否超過相應的閥值以便做出相應的處理動作（如：發(fā)出報警聲音）；可以通過監(jiān)測軟件向從機發(fā)出控制參數(shù)（如：啟動/停止，參數(shù)調整等）。

二、系統(tǒng)硬件設計

本系統(tǒng)采用新一代單時鐘/機器周期（1T）8051單片機作為主控制器，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，該單片機是新一代單時鐘/機器周期（1T）8051單片機，具有高速、低功耗及超強抗干擾等特點，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051單片機，但速度快8-12倍，內(nèi)部集成專用復位電路，3路PWM，8路高速10位A/D轉換器，超低功耗，寬電壓，該單片機幾乎包含了設計典型測控系統(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系我們檢測環(huán)境信息的準確性，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轉換電信號，再經(jīng)A/D轉換的溫度測量方法，不但硬件電路設計較為復雜，維護較為困難，且系統(tǒng)的可靠性不高。在本系統(tǒng)中采用SHT10溫濕度模塊，其主要特點為：

全量程標定，兩線數(shù)字輸出；濕度測量范圍：0～100%RH；

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

響應時間：<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)在主機和從機部分都有環(huán)境參數(shù)的顯示，考慮到方便和單片機連接，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)部含有國標一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為128×64，內(nèi)置8192個16×16點漢字，和128個16×8點ASCII字符集。利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構成全中文人機交互圖形界面。可以顯示8×4行16×16點陣的漢字，也可完成圖形顯示，低電壓低功耗是其又一顯著特點。

三、系統(tǒng)軟件設計

（一）主機和從機測控軟件設計

主機、從機系統(tǒng)啟動后，相關模塊進行初始化，然后主機單片機發(fā)出數(shù)據(jù)采集指令給從機，從機單片機接收到指令后，啟動相應的采集模塊進行環(huán)境參數(shù)采集。數(shù)據(jù)采集到后經(jīng)過轉換送給LCD12864顯示，并同時通過nRF2401A無線模塊發(fā)送給主機部分。然后，主機也顯示出來并通過串口轉發(fā)給計算機終端。主機和從機單片機程序流程圖如圖6所示。

（二）計算機終端軟件設計

為了便于主控室觀察，計算機終端部分利用C#編制可視化的監(jiān)測管理軟件，實現(xiàn)所測環(huán)境參數(shù)的圖形化，如圖7所示。在監(jiān)測界面上，通過不同顏色的曲線實時顯示溫濕度的變化，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)選項調出。另外，還可設置煙霧報警的限值。

本系統(tǒng)是利用無線技術設計的環(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，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，以便于及時了解實際環(huán)的狀況。另外，系統(tǒng)搭建簡單方便、性能穩(wěn)定、可靠性高，具有很強的實用性。同時可以擴展傳感器對其他環(huán)境參數(shù)進行監(jiān)測。

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