無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計研究

范本杰

摘要：環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)由一個監(jiān)控終端與若干探測節(jié)點構(gòu)成。監(jiān)控終端由鍵盤模塊、液晶顯示、探測模塊及無線收發(fā)模塊等組成，利用無線模塊能夠?qū)ζ渌綔y點的環(huán)境數(shù)據(jù)進行實時收集，還可探測本地環(huán)境數(shù)據(jù)，及時警告長處探測閾值的節(jié)點數(shù)據(jù)。探測節(jié)點則由環(huán)境監(jiān)測模塊與無線收發(fā)模塊構(gòu)成，能夠探測周邊環(huán)境數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可及時上報，對環(huán)境保護決策有重要意義。為有效擴寬環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)相應(yīng)覆蓋范圍，文章在檢測環(huán)境污染因子（二氧化硫、二氧化氮、臭氧等）時，選用了預(yù)設(shè)路由的接力數(shù)據(jù)傳輸方式，對于低功能無線傳輸模塊具有較近的傳輸距離問題有效得以解決。

關(guān)鍵詞：環(huán)境監(jiān)測；實時監(jiān)控；無線通信；接力傳輸

無人值守綜合監(jiān)控系統(tǒng)可在比較復(fù)雜環(huán)境中實現(xiàn)無人值守檢測，集中式管理與分布式監(jiān)控遠程設(shè)備。對于無線遠程實施監(jiān)控系統(tǒng)來講，在系統(tǒng)內(nèi)充分運用了諸多先進技術(shù)，如無線通信技術(shù)、現(xiàn)代傳感技術(shù)及環(huán)境測試技術(shù)等，可將其大致劃分為三部分，即以Web為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)發(fā)布與分析模塊、服務(wù)器端接收存儲模塊及終端采集發(fā)送模塊。本文基于MSP430探討環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計路徑。

1.系統(tǒng)分析與模塊介紹

1.1系統(tǒng)總體設(shè)計

無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計中，選用節(jié)點尋址技術(shù)，實施多節(jié)點通信。手機無線通信距離外的各節(jié)點數(shù)據(jù)，乃是無線實時檢測系統(tǒng)所需解決的關(guān)鍵問題，也就是監(jiān)控終端采用切實辦法對無線通信距離之外的探測節(jié)點數(shù)據(jù)進行實時收集，有別于其它類型的預(yù)設(shè)路由的接力數(shù)據(jù)傳輸方式，對于覆蓋區(qū)域相應(yīng)拓展問題給予了有效解決，在運行中，監(jiān)控終端始終均為主控，能夠收集制定區(qū)域框架內(nèi)各探測節(jié)點的實時數(shù)據(jù)，而對于特殊情況，針對所接收到的遠端請求，能以被動的方式來接受，若在節(jié)點發(fā)生緊急情況，能夠及時作出處理。而對于探測節(jié)點，其處從屬地位，監(jiān)控終端對其實施控制，在緊急狀況下，可調(diào)整至主動發(fā)送，保證能夠及時上報可能出現(xiàn)的環(huán)境污染因子。

1.2系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.2.1硬件設(shè)計思路

無論是探測模塊還是監(jiān)控模塊，均需由MCU實現(xiàn)，本文均選用MSP430F1611單片機（TI公司），將其當(dāng)作控制器，對于MSP系列單片機來講，其實際就是功耗超低、擁有精簡指令集且為16位的混合型單片機，其具有比較底的功耗消耗，此點對于本系統(tǒng)設(shè)計，對于本次設(shè)計尤為重要。對于環(huán)境監(jiān)測模塊而言，可監(jiān)測二氧化硫、氮氧化物、PM2.5、VOCs等信息，而對于其它類環(huán)境信息的測量，在本系統(tǒng)中快速植入。定點采集及輪詢等方式，各節(jié)點實現(xiàn)有序通信，而通過運用預(yù)設(shè)路由的接力數(shù)據(jù)傳輸方式，能夠較好的且系統(tǒng)化的解決覆蓋范圍拓展問題，對于監(jiān)控終端，還有屏顯與鍵盤功能，本文選用128×64液晶屏顯及4×4按鈕鍵盤。

1.2.2無線通信模塊

對于環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，其實為靜態(tài)信息，具有相對不高的數(shù)據(jù)傳輸速度要求，在對無線通信模塊進行設(shè)計時，則可將nkF24L01數(shù)字無線收發(fā)器作為優(yōu)選。此接收器其實為一款低成本無線收發(fā)器，即為工業(yè)級內(nèi)置硬件鏈路層協(xié)議。此器件于2.4GHz工作，在ISM頻段全球開放，內(nèi)部設(shè)置有多種功能模塊，如調(diào)制器、晶體振蕩器、功率放大器及頻率合成器等，并且其中還內(nèi)置有ShockBurst技術(shù)（增強型），另外，可通過程度配置方式，確定通信頻道與輸出功率。可直接連接于單片機I/O，具有較少的外界元件。nRY24L01在功耗方面比較低，若將發(fā)生功率調(diào)整至-6dBm，則工作電流便會維持在8mA：若處于接收狀態(tài)，電流則維持在12.2mA，通過各種低功率工作模式的運用，可更好的開展節(jié)能設(shè)計。

1.2.3監(jiān)控模塊

對于監(jiān)控模塊，對于其核心處理器的選用，通常以MSP430F1611單片機為基礎(chǔ)，實際就是功耗超低、擁有精簡指令集且為16位的混合型單片機。監(jiān)控模塊當(dāng)中的液晶顯示與鍵盤，能夠操作各種菜單功能，另外，還可進行數(shù)據(jù)與信息的實時查詢。在內(nèi)容上，還包含有基于本地環(huán)境的監(jiān)測模塊，類似一節(jié)點。

1.2.4環(huán)境監(jiān)測模塊

環(huán)境監(jiān)測模塊的核心處理器也采用的是MSP430F1611單片機，能夠測量二氧化硫、二氧化氮和臭氧等。在檢測二氧化硫、二氧化氮和臭氧時，分別選用紫外熒光傳感器、化學(xué)發(fā)光傳感器和紫外吸收傳感器，測量范圍為0-500ppb，通過與SPI形成兼容效應(yīng)，用微型SOT23-6來封裝。通常情況下，化學(xué)發(fā)光法傳感器測量范圍為0-500ppb。

2.系統(tǒng)功能設(shè)計

2.1輪詢模式

先選擇“數(shù)據(jù)采集”，從中找出“輪詢模式”，然后進至此模式，對于其中各個節(jié)點，需逐個訪問，針對各節(jié)點的執(zhí)行，需要做到與定點采集模式相同，首先從節(jié)點1進行定點采集之后以自動的方式在，在需要訪問的后續(xù)地址上加一，也就是節(jié)點2，以此方式類推，直至最后節(jié)點。最后屏顯所測數(shù)據(jù)，以便清晰觀察分析。探測時，如若在等待時間上超出終端，便會向下節(jié)點自動跳轉(zhuǎn)，并繼續(xù)進行訪問，在終端數(shù)據(jù)上予以顯示，從中便可查知此節(jié)點所存在的故障，所以，此模式能夠?qū)Ω骷罢O單正常工作與否進行檢測。

2.2自動接收

對于自動接收模式而言，其能夠?qū)⒈O(jiān)控模塊，時刻控制在等待接收狀態(tài)，各探測節(jié)點依據(jù)實現(xiàn)設(shè)定好的順序，將環(huán)境數(shù)據(jù)信息定時發(fā)送。為不出現(xiàn)沖突，即大于2個節(jié)點同時進行數(shù)據(jù)發(fā)送，當(dāng)進至自動接收模式時，監(jiān)控模塊會將一個啟動時鐘發(fā)送至全部探測節(jié)點，將其為基準(zhǔn)，各個探測點延時后，會將環(huán)境數(shù)據(jù)信息自動發(fā)送。

3.環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)覆蓋范圍擴展

本文所設(shè)計的無線傳輸模塊，主要將nRY24L01芯片作為其核心，其工作狀態(tài)，滿足于各種低功率要求，能夠有效開展節(jié)能設(shè)計。但低功耗也存有些許問題，比如在傳輸距離方面相對有限，通常情況下，維持在～100m，針對此監(jiān)測系統(tǒng)來講，其覆蓋范圍為100m，因此，此狀況會對環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的效用，產(chǎn)生某種趨向范疇內(nèi)的嚴(yán)重制約。而在接力數(shù)據(jù)傳輸方式方面，如若選用預(yù)設(shè)路由，便能將覆蓋不足的缺陷給予有效解決。對于此種傳輸方式，能夠為把處于遠端，并且不在監(jiān)控范圍之內(nèi)的各節(jié)點，結(jié)合上級節(jié)點相應(yīng)指定，與監(jiān)控模塊間形成數(shù)據(jù)傳輸。由于環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，在環(huán)境數(shù)據(jù)量方面比較少，因此，也就具有比較小的無線通信數(shù)據(jù)量，而運用此方式，不會由于節(jié)點的增加，而造成通信阻塞狀況。

4.結(jié)語

總而言之，本次設(shè)計圍繞MSP單片機，建立系統(tǒng)化的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，通過合理化設(shè)定監(jiān)控模塊，對于在各處分布節(jié)點進行細(xì)致化探測，能夠?qū)⑵鋵?yīng)數(shù)據(jù)信息實施予以準(zhǔn)確收集，為區(qū)域環(huán)境監(jiān)測及環(huán)保決策提供有力依據(jù)。