基于嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)空氣環(huán)境數(shù)據(jù)采集與實(shí)時(shí)通信

王欣頔 楊曙輝

【摘要】 系統(tǒng)基于以ARM11內(nèi)核的S3C6410微處理器作為中控核心，以7寸TFY-LCD液晶顯示屏作為數(shù)據(jù)顯示設(shè)備，通過433MHZ無(wú)線RF905模塊作為數(shù)據(jù)傳輸方式，實(shí)時(shí)接收從采集終端傳送過來(lái)的溫度、濕度以及煙塵、煤氣等有害物質(zhì)含量等室內(nèi)的空氣環(huán)境數(shù)據(jù)信息，當(dāng)有害物質(zhì)（氣體）超過預(yù)設(shè)的報(bào)警值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)通過語(yǔ)音和液晶顯示畫面進(jìn)行報(bào)警。采集終端基于以51內(nèi)核STC12C5A60S2單片機(jī)為核心，以溫濕度傳感器、氧氣含量傳感器及煙塵含量傳感器等傳感器模塊作為傳感終端，實(shí)時(shí)采集室內(nèi)多種空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，并串行發(fā)送給中控端。

【關(guān)鍵字】 嵌入式系統(tǒng) S3C6410 ARM11 數(shù)據(jù)采集 室內(nèi)空氣監(jiān)測(cè) RF905 無(wú)線模塊 SYN6288語(yǔ)音模塊

前言

隨著社會(huì)的發(fā)展，生活水平的提高，人們?cè)絹?lái)越重視環(huán)保、健康問題，不僅關(guān)注室外空氣質(zhì)量，也更加關(guān)心室內(nèi)空氣環(huán)境。室內(nèi)空氣環(huán)境主要包括溫度、濕度、以及煙塵、煤氣等有害物質(zhì)含量。本項(xiàng)目擬基于ARM11嵌入式微處理器，通過無(wú)線傳輸模塊，控制各種相關(guān)傳感器采集室內(nèi)空氣環(huán)境數(shù)據(jù)，各種數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)無(wú)線傳回微處理器，在彩色液晶屏上顯示。當(dāng)有害物質(zhì)（氣體）超過預(yù)設(shè)的報(bào)警值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)通過語(yǔ)音和液晶顯示畫面進(jìn)行報(bào)警，提醒人們注意室內(nèi)空氣質(zhì)量。該系統(tǒng)不僅可用于家居環(huán)境，還適用于醫(yī)院、餐廳、商場(chǎng)等公共場(chǎng)所。此外還可應(yīng)用于紡織、醫(yī)藥、輕工、糧食倉(cāng)儲(chǔ)以及釀酒等生產(chǎn)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集與報(bào)警。該系統(tǒng)有廣泛的應(yīng)用前景，對(duì)改善人們的生活、促進(jìn)安全生產(chǎn)具有重要意義。

一、緒論

為了在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)室內(nèi)空氣環(huán)境監(jiān)測(cè)的美好愿景，中控端采用的S3C6410是一個(gè)16/32位RISC微處理器，旨在提供一個(gè)具有成本效益、功耗低，性能高的應(yīng)用處理器解決方案，包括了強(qiáng)大的二位圖像硬件加速器，內(nèi)部集成了24位真彩色液晶顯示控制器，器采用64/32位內(nèi)部總線架構(gòu)，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力。中控端可以處理并顯示采集終端的溫濕度傳感器、氧氣含量傳感器和煙塵含量傳感器所采集的室內(nèi)空氣數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通過NRF905無(wú)線傳輸模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其中采集終端采用基于51內(nèi)核的STC12C5A60S2單片機(jī)，其所集成的8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換接口和SPI接口，能夠方便有效地將傳感器的信號(hào)讀取并處理后轉(zhuǎn)發(fā)給NRF905無(wú)線傳輸模塊，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)造。

二、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1采集終端部分

2.1.1傳感器

①數(shù)字型溫濕度傳感器將溫度量和濕度量轉(zhuǎn)換成容易被測(cè)量處理的數(shù)字式電信號(hào)，常見的濕度測(cè)量方法有：動(dòng)態(tài)法（雙壓法、雙溫法、分流法），靜態(tài)法（飽和鹽法、硫酸法），露點(diǎn)法，干濕球法和形形色色的電子式傳感器法，至少具有±5%RH的精度。

②煙塵含量傳感器將氣體種類及其與濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，根據(jù)這些電信號(hào)的強(qiáng)弱就可以獲得與待測(cè)氣體在環(huán)境中的存在情況有關(guān)的信息。

2.1.2微型控制器

STC12C5A60S2是單時(shí)鐘/機(jī)器周期（1T）的單片機(jī)，是高速/低功耗/超抗干擾的8051內(nèi)核單片機(jī)，具有8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換接口和SPI接口，適用于對(duì)模擬型數(shù)據(jù)采集傳感器的信號(hào)的處理。并將從各路傳感器讀取的信號(hào)經(jīng)適當(dāng)處理后通過SPI接口傳遞至無(wú)線模塊并轉(zhuǎn)發(fā)給中控端。

2.2無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊

nRF905無(wú)線芯片主要工作于433MHz、868MHz和915MHz的ISM頻段。芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置。非常適合于低功耗、低成本的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。NRF905無(wú)線傳輸模塊性能參數(shù)如下：

①422.4～473.5MHz工作頻段；

②512個(gè)通訊頻道，滿足多點(diǎn)通訊、分組、跳頻等應(yīng)用需求，通道切換時(shí)間≤6us；

③發(fā)射功率可設(shè)置為：10dBm、6dBm、-2dBm和-10dBm；

④通過SPI接口與MCU連接；

⑤支持50kbps傳輸速率；

⑥ShockBurst傳輸模式，自動(dòng)生成前導(dǎo)碼和CRC校驗(yàn)碼；

⑦工作電壓范圍：1.9V～3.6V，待機(jī)模式下電流僅為12.5μA。

2.3中控端部分

2.3.1 S3C6410中央控制單元

S3C6410是一個(gè)16/32位RISC微處理器，旨在提供一個(gè)具有成本效益、功耗低，性能高的應(yīng)用處理器解決方案，包括了強(qiáng)大的二位圖像硬件加速器，內(nèi)部集成了24位真彩色液晶顯示控制器，器采用64/32位內(nèi)部總線架構(gòu)，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力。

其顯示控制特性包括TFT LCD接口：

①320×240，640×480或其他顯示分辨率高達(dá)1024×1024。最大2k × 2k虛擬屏幕尺寸。

②支持五個(gè)窗口層作為PIP或OSD。

③可編程OSC窗口定位。

④16級(jí)Alpha混合。

串行通信特性包括SPI接口：

①2通道串行外設(shè)接口。

②64字節(jié)緩沖器用來(lái)接收/傳送。

③基于DMA或基于中斷操作。

④50Mb/s的發(fā)送/接收（全雙工）。

GPIO特性包括：

①188個(gè)靈活配置的GPIO，可任意配置為輸入口或輸出口。

2.3.2 TFT-LCD液晶顯示

TFT（Thin Film Transistor）即薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管。所謂薄膜晶體管，是指液晶顯示器上的每一液晶象素點(diǎn)都是由集成在其后的薄膜晶體管來(lái)驅(qū)動(dòng)。從而可以做到高速度、高亮度、高對(duì)比度顯示屏幕數(shù)據(jù)信息。

2.3.3串口通信

串行接口主要應(yīng)用于遠(yuǎn)程通信和低速輸出設(shè)備。由于串行數(shù)據(jù)通信傳輸線條數(shù)最少，占用資源最省，專用芯片便宜，發(fā)送和接受器簡(jiǎn)單。因而采用RS-232標(biāo)準(zhǔn)串行口進(jìn)行中控端與上位機(jī)端數(shù)據(jù)通信，將中控端接收到的溫、濕度數(shù)據(jù)、氧氣含量數(shù)據(jù)等環(huán)境數(shù)據(jù)信息傳輸給上位機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)保存，分析。

串口TXD信號(hào)負(fù)載著從電腦或者設(shè)備到另一端的數(shù)據(jù)，串口RXD信號(hào)負(fù)載著從上位機(jī)端上傳到中控端的數(shù)據(jù)

串口通信一般設(shè)置如下：（一句話）

①信速率為115200bps，

②起始位為1，

③數(shù)據(jù)位為8，

④停止位為1，

⑤無(wú)奇偶校驗(yàn)。

2.3.4按鍵電路（鍵盤模塊）

通過普通的復(fù)位按鍵的一端通過電阻接地，另一端連接處理器IO口，當(dāng)按鍵按下時(shí)，低電平信號(hào)以外部中斷方式被處理器檢測(cè)，程序做出相應(yīng)識(shí)別，并完成相應(yīng)的功能設(shè)置。

2.3.5語(yǔ)音提示/報(bào)警

基于SYN6288語(yǔ)音合成芯片的語(yǔ)音合成模塊，控制器根據(jù)當(dāng)前接收到的環(huán)境數(shù)據(jù)的值的是否超過設(shè)定范圍，可通過UART通訊接口向SYN6288-A語(yǔ)音合成芯片發(fā)送相應(yīng)控制命令和文本，SYN6288-A語(yǔ)音合成模塊把接收到的文本合成為語(yǔ)音信號(hào)輸出，輸出的信號(hào)經(jīng)功率放大器進(jìn)行放大后連接到喇叭進(jìn)行播放，從而發(fā)出對(duì)應(yīng)的提示或報(bào)警聲音。

①工作原理示意圖（圖1）：

②模塊示意圖（圖2）。

三、總結(jié)

總之，本基于ARM11實(shí)現(xiàn)室內(nèi)空氣環(huán)境數(shù)據(jù)采集與無(wú)線傳輸系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)室內(nèi)空氣環(huán)境多數(shù)據(jù)的采集，包括溫度、濕度以及煙塵、煤氣等有害物質(zhì)含量等，采集的數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)街锌囟耍阌谌藗冇^察，通過編程設(shè)置有害物質(zhì)（氣體）含量報(bào)警值，當(dāng)超過該值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警，報(bào)警時(shí)通過語(yǔ)音喇叭提示，同時(shí)在液晶畫面上顯示提示信息，提醒人們注意室內(nèi)空氣質(zhì)量。本系統(tǒng)的一個(gè)中控端可控制幾十個(gè)數(shù)據(jù)采集終端，采集數(shù)據(jù)并無(wú)線傳輸至中控端，中控端通過串口傳輸至上位機(jī)服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫(kù)保存，處理，具有良好的可擴(kuò)展性。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程[M]，北京航空航天大學(xué)出版社，2005-01.

[2] 三星電子公司.S3C6410用戶手冊(cè)[J]，2008-10.

[3] 深圳海洋電子有限公司.SYN6288-A語(yǔ)音合成模塊數(shù)據(jù)手冊(cè)[J]，2009-06.

[4] 張麗麗，戴學(xué)豐.基于ARM處理器語(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]， 2006：218-219.

[5] 呂俊芳.傳感器接口與檢測(cè)儀器電路[M].北京航空航天大學(xué)出版社，1989.

[6] 徐惠民.單片微型計(jì)算機(jī)原理、接口及應(yīng)用[M].北京郵電大學(xué)出版社，2000.

[7] 侯海嶺，姚年春.無(wú)線收發(fā)芯片nRF905的原理及其在單片機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]，2006-03.