基于STC12C5A60S2單片機的環境監測傳感器節點設計

西華師范大學 劉 剛 馮元元 易沖沖

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基于STC12C5A60S2單片機的環境監測傳感器節點設計

西華師范大學 劉 剛 馮元元 易沖沖

【摘要】為了克服傳統的環境監測系統的效率低、時效性差、功能簡單等問題，本文提出了一個基于無線傳感器網絡技術的環境監測方案，并設計了一款便攜式、多功能的環境監測傳感器節點。該節點硬件電路以STC12C5A60S2單片機為控制核心，采用DHT11、RL5516型LDR、FC -28、GP2Y1010AUOF芯片進行空氣溫濕度、光照強度、土壤濕度、PM2.5環境參數傳感采集。采集數據通過SIM900A模塊，以GPRS傳輸方式，借助公共移動通信網絡，實現數據實時上傳到遠程數據服務器。這種傳感器節點硬件電路具有結構簡單、功耗小、成本低、運行可靠的優點。

【關鍵詞】環境監測；無線傳感節點；STC12C5A60S2；GPRS

1　引言

隨著我國城鎮化進程不斷加快和人們物質生活水平的持續提高，環境安全問題日益突出。科學有效的環境質量監測對于促進世界的可持續發展和人類生存環境改善就成為極為重要的研究課題。傳統的環境監測通常包括背景調查、確定方案、優化布點、現場采樣、樣品運送、實驗分析、數據收集、分析綜合等過程，這種方法雖然精確性高，但是時效性差、覆蓋面有限。當前，我國對環境監測建設方案要求是全面設點、全國聯網、自動預警等，因而必須充分利用新技術來設計環境監測系統。無線傳感器網絡技術是21世紀最具影響和創新性的技術之一，主要涉及現代計算機技術、電子科學技術、網絡技術以及通信技術等。無線傳感器網絡的應用領域十分廣泛，主要可應用于環境監測、醫學保健、軍事情報收集、工業生產自動化、建筑安全監測等方面[1]。目前基于無線傳感器網絡技術的環境監測系統主要采用ZigBee、GPRS、FDMA、CDMA以及常規射頻進行傳輸[2-3]。傳感器節點的控制核主要采用MSP430、51系列、ATmega單片機以及ARM系統[4-5]。本文面向農業、林場、養殖場等應用領域的環境監測需求，利用STC12C5A60S2單片機開發了基于STC12C5A60S2單片機的環境監測傳感器終端節點，可實現對溫濕度、光照強度、土壤水分、PM2.5空氣質量指數等環境數據的及時采集、傳輸及分析處理等功能。

2　節點結構

基于無線傳感器網絡技術的環境監測系統的傳感器節點結構如圖1所示，主要包括傳感器模塊、MCU模塊、GPRS模塊、LCD顯示單元以及電源模塊。MCU模塊是傳感器節點的控制核心，選用STC12C5A60S2單片機[6]。這是因為它具有高速、低功耗、性價比高、便于調試和下載等優點。它是新一代增強型8051單片機，在同樣晶振的情況下，速度是普通8051單片機的8～12倍；工作電壓3.5-5.5V；自帶ADC和PWM功能。內部集成MAX810專用復位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉換(250K/S)。針對便攜式環境監控系統的控制要求，選擇STC12C5A60S2單片機既可保證快精準的運算，又可保證整個系統在戶外運行時的安全可靠，豐富的引腳資源也便于對外設的控制及數據的讀取。

圖1　傳感器節點結構Fig.1 The block of the sensor node

3　硬件電路

3.1傳感器模塊

環境監測傳感節點具有五個傳感子模塊，能同時實現環境溫濕度、光照強度、土壤溫度、煙霧濃度、PM2.5空氣質量指數的實時數據采集，如圖2所示。溫濕度采集采用含有已校準數字信號輸出復合傳感器DHT11。DHT11主要由一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件組成，具有響應快、抗干擾能力強、穩定性好的特點。溫濕度測量精度分別為±20C和±5%RH；量程分別為0-500C和20-90%RH。DHT11只需一根傳輸線與STC12C5A60S2單片機相連接，此傳輸線既可傳輸數據信號又能傳遞時鐘信號，為保證工作穩定性，配置了一個5KΩ的上拉電阻。光照強度探測是采用LDR感光器件5516，通過取樣電路和ADC電路，最終輸出光照強度數字信號至STC12C5A60S2單片機。LDR相當于一個可調電阻；在于R30-R33是一組阻值固定的取樣電阻，實現光照強度電流信號變成電壓信號；ADC電路用PCF8591芯片搭建。土壤濕度采集是利用FC -28土壤濕度傳感器進行的。采用LM393芯片作為比較器，工作電壓為3.3-5.0V，通過A0端口輸出模擬信號至STC12C5A60S2單片機，再利用單片機的ADC獲得土壤濕度數字信號。PM2.5參數監測采用GP2Y1010AUOF粉塵傳感器實現[7]。可以測量0.8微米以上的微粒濃度，靈敏度達0.1mg/m3，具有非常低的電流消耗，典型值為11mA。

3.2GPRS通信模塊

基于SIM900A模塊，設計了通信單元硬件電路，如圖3所示。SIM900A的TX和RX端口分別與單片機的RXD端口和TXD端口相連接，利用STC12C5A60S2單片機的串口對SIM900A的數據進行寫入和讀取的操作，實現數據發送。SIM900A是一個二工頻的GSM/GPRS模塊，支持GPRS multi-slot class 10/class 8和GPRS編碼格式 CS-1，CS-2，CS-3 and CS-4[8]。SIM900A采用省電技術設計，在SLEEP模式下，最低耗電流只有1mA。該模塊內嵌TCP/IP協議，擴展的TCP/IP命令讓用戶能夠很容易使用TCP/IP協議，這非常適合用戶數據傳輸。SIM900A的尺寸大小為24x24x3mm，尤其適用緊湊型產品設計。

圖2　傳感電路Fig.2 The schematic of the sensing unit

圖3　GPRS電路Fig.3 The schematic of the GPRS unit

3.3供電單元

傳感器節點采用4節5號電池串聯進行供電。考慮到輸出電壓的穩定性和節電需求，我們基于UC3842設計了一個直流穩壓開關電源，如圖4所示。電流型脈寬調制芯片UC3842具有單端輸出特性，可直接驅動雙極型的功率管或場效應管。該芯片所需外圍電路簡單，電壓電壓調整率可達0.01%，工作頻率最高達500KHz，啟動電流小于1mA，正常工作電流為12mA，并集成欠壓鎖定，帶滯后電路。

圖4　供電電路Fig.4 The schematic of the power supp ly unit

圖5　顯示單元Fig.5 The schematic of the display unit

3.4顯示單元

傳感器節點系統采用帶中文字庫的128X64液晶顯示模塊，進行顯示的實地本地顯示，相應硬件電路如圖5所示。128X64具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，顯示分辨率為128×64，內置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。由該模塊構成的液晶顯示方案與同類型的圖形點陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結構或顯示程序都要簡潔得多，且該模塊的價格也略低于相同點陣的圖形液晶模塊。而且128X64完全適合低電壓低功耗設計要求。

4　結語

本文基于STC12C5A60S2單片機和GPRS傳輸設計了一款低功耗、高性能、多功能的便攜式環境監測系統。此系統可及時準確地采集所需的環境數據，并可本地顯示，也可借助現有的公共移動網絡把數據傳輸至遠程服務器，便于數據進一步處理、分析，服務于環境監測應用。該系統緊湊輕巧、攜帶方便，非常適合野外、多點位監測應用，而且能在管理軟件支持下，結合GPS信息，完成組網，實現區域覆蓋性環境監測。

參考文獻

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[3]戴建,史志才,吳飛,等.基于GSM與ZigBee的環境監測與采集系統[J].自動化與儀表,2015,9:38-42.

[4]錢春陽,陸文龍,王建春,等.基于物聯網的設施溫室監控系統中無線傳感器節點設計[J].計算機測量與控制,2015,23(2):673-676.

[5]王宏偉.32位和8位單片機的無線傳感器網絡系統[J].單片機與嵌入式系統應用,2014,7:32-34.

[6]袁緒,宋康,查長海,等.基于STC12C5A60S2的空氣質量檢測系統設計[J].電子設計工程，2015,23(6):133-135.

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[8]李興山,王曉超.基于SI4432和SIM 900A的溫室環境監測系統設計[J].江蘇農業科學,2015,43(7):426-429.