基于嵌入式系統的環境監測與控制系統

李麗芬+云彩霞+陳曉芳

摘 要： 設計嵌入式系統的環境監測與控制系統，采用Arduino平臺進行嵌入式開發，主要由ATM329主控單片機、SHT7X溫濕度傳感器、MG821氣體傳感器、DSM501A粉塵傳感器構成，包括通信端、存儲端、顯示端、電源端等輔助模塊。設計三個傳感器的環境監測規則，通過ATM329主控單片機控制監測數據的調制、通信、存儲和顯示。仿真實驗結果表明，該系統擁有低耗性，具有較好的環境監測效果。

關鍵詞： 嵌入式系統； 傳感器； 環境監測； 控制系統

中圖分類號： TN919?34； TP273.5 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）19?0126?03

Environmental monitoring and control system based on embedded system

LI Lifen， YUN Caixia， CHEN Xiaofang

（Yanching Institute of Technology， Sanhe 065201， China）

Abstract： An environmental monitoring and control system based on embedded system was designed. The Arduino platform is used to perform the embedded development. The system is composed of the ATM329 master control microcontroller， SHT7X humiture sensor， MG821 gas sensor and DSM501A dust sensor， and includes the communication terminal， storage terminal， display terminal， power supply terminal and auxiliary module. The environmental monitoring rules of three sensors were designed. The modulation， communication， storage and display of the monitoring data are controlled by ATM329 master control microcontroller. The experimental results show that the system has low consumption and perfect environmental monitoring effect.

Keywords： embedded system； sensor； environmental monitoring； control system

0 引 言

2014年我國主要城市對管轄區域內的室內外環境質量進行監測，監測結果顯示甲醛氣體超標在10%～15%之間，苯類氣體超標在6%左右；致病病菌高達200多種，在溫濕度不達標的情況下病菌傳播速率加快，是癌癥、腫瘤的重要來源；粉塵超標嚴重，能夠經由呼吸道吸進人體血液中，危害人體健康。環境監測是改善環境問題的首要環節，設計環境監測與控制系統是非常必要的。目前，環境監測與控制系統正向智能化、自動控制的方向發展。

嵌入式系統擁有面向用戶、適度剪裁的功能，在監測與控制中均能發揮巨大作用，在未來，基于嵌入式系統的環境監測與控制系統勢必成為一個大的發展方向。設計基于嵌入式系統的環境監測與控制系統，按照從整體到局部的順序依次進行具體設計。

1 嵌入式系統的環境監測與控制系統的總體設計

1.1 整體設計方案

本文設計的基于嵌入式系統的環境監測與控制系統包括硬件監測和軟件控制兩大部分，系統需要融合網絡服務器和存儲讀寫器的功能，并連通溫濕度傳感器、氣體傳感器和粉塵傳感器[1]，因此使用ATM329主控單片機作為系統控制端，控制程序在集成開發環境下編寫。系統由控制端、傳感器端、通信端、存儲端、顯示端、電源端等模塊組成，圖1為系統整體結構圖。

控制端使用繼電器控制擁有環境改善功能的硬件設備，如調溫器、加濕器、換氣閥等，使用ATM329主控單片機控制傳感器端和通信端進行環境數據監測的采集與傳導。

1.2 系統部署設計

ATM329主控單片機控制傳感器采集環境數據并進行顯示，當用戶在顯示端發出查詢請求，通信端在第一時間識別請求內容，當即反饋給用戶其所需數據或功能[2]。歷史監測與控制數據均可在存儲端永久保存、在顯示端實時查詢。存儲端每15 min接收一次傳感器數據并分類保存。圖2是基于嵌入式系統的環境監測與控制系統的嵌入式控制結構圖，包括傳感器通信、控制信號通信、存儲數據通信、網絡服務通信和顯示數據通信五個通信驅動模塊。系統軟件在Arduino平臺[3]上進行嵌入式系統開發，開發環境是一種新型的編程環境，類似程序Java編碼語言的使用環境。對底層的數據傳導進行封裝，可減少系統通信端的設計步驟，將設計重點轉移至傳感器端和控制端，提高嵌入式系統的簡潔性。

2 系統模塊的具體設計

2.1 主控單片機設計

本文設計的基于嵌入式系統的環境監測與控制系統選擇ATM329作為主控單片機的原因有兩點：一是嵌入式系統體積小、存儲空間有限，需要一款大容量的單片機提高系統處理速率、存儲軟件程序[4]，ATM329擁有大容量存儲器，最大存儲量為38 KB；二是系統控制端需要在進行數據運算的同時完成多節點環境實時監測，還要在用戶發出請求后快速傳導數據到顯示端，ATM329的在線系統編程模式恰巧符合系統需求。ATM329主控單片機可進行6通道的脈沖寬度調制，對電源的需求在2.0～5.0 V之間，但其與傳感器端的連通需要應用5.5～8.5 V的直流電源，使用275C電源芯片實現ATM329主控單片機與傳感器端的連通，如圖3所示。加入275C電源芯片后，ATM329主控單片機的最大輸出電流為直流760 mA，輸出電壓可達6.5 V，可以正常接收傳感器端的環境監測數據。由于275C電源芯片的加入，ATM329主控單片機將使用通用串行總線進行基礎電能的供給，通用串行總線可以同通信端連通，對同步、異步的數據通信能很好地完成。

2.2 溫濕度傳感器設計

環境溫濕度監測是氣體、粉塵等監測的基礎，分析環境監測數據必須要在溫濕度的基礎上進行運算標定[5]?；谇度胧较到y的環境監測與控制系統對溫濕度傳感器精度和可靠性的要求頗高，還需保證工作進程不間斷。SHT7X溫濕度傳感器可充分滿足這些要求，其結構如圖4所示，SHT7X采取互補金屬氧化物半導體材質進行電壓放大，通過電容體監測環境濕度，利用能量間隙體監測環境溫度，擁有8位數模轉換器和雙線金屬通信端口各一個，采用無縫封裝方式，具有極強的抗干擾性能和反應速度。

2.3 粉塵傳感器設計

基于嵌入式系統的環境監測與控制系統在粉塵傳感器的選擇上要求結構緊湊、質量輕，能夠與嵌入式系統良好兼容。所選DSM501A粉塵傳感器的實物圖如圖5所示，主要由光電感應器、激光發生器、W型往復式真空泵和信號放大器構成，其使用激光散射原理向監測環境中發射激光射線，通過W型往復式真空泵加快粉塵運動速率，當射線與粉塵接觸并產生散射現象時，光電感應器將散射激光轉換成電信號，再經信號放大器進行信號放大。DSM501A根據散射程度獲取粉塵體積，進而確定粉塵類型，通過管腳將監測結果傳導出去。

DSM501A粉塵傳感器擁有5個管腳，2個管腳用于信號輸出，1個管腳接地，其他2個管腳分別與控制端和電源端進行連通。2個輸出管腳的靈敏度可以使用控制管腳進行調節。

3 仿真實驗

使用JTAG（Joint Test Action Group，聯合測試工作組）進行基于嵌入式系統的環境監測與控制系統、基于Cortex?M3平臺的環境監測與控制系統、基于北斗RDSS的遠程環境監測與控制系統以及基于GSM與ZigBee的環境監測與控制系統的軟件調試，將能量測試程序輸入到4個系統的控制后臺，對系統的監測、通信與控制進程進行函數化，利用CAE仿真軟件獲取4個系統不間斷工作7天所消耗的能量。仿真期間對4個系統采用相同的環境控制方案，能耗對比如表1所示。

能夠看出，基于嵌入式系統的環境監測與控制系統的工作能耗有逐漸下降的趨勢。其余3個系統的工作能耗普遍逐漸上漲，代表系統在整體控制上存在缺陷，不能有效平衡電路能耗。實驗結果說明，基于嵌入式系統的環境監測與控制系統擁有低耗性。

4 結 論

環境監測是改善環境問題的首要環節，本文按照從整體到局部的順序，設計基于嵌入式系統的環境監測與控制系統，以可靠性和靈敏性為設計理念，介紹了系統部署、ATM329主控單片機以及多種傳感器的結構和工作原理。對系統的耗能情況進行了仿真實驗，實驗結果說明所設計的系統擁有低耗性。

參考文獻

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