一種環境監測數據無線采集存儲系統的軟件設計與研究

夏毅軍　徐振　邵錫軍　羅學恩

【摘 要】設計研究了環境監測各子節點、中心存儲節點（包括無線通信模塊）的軟件部分。其中環境監測子節點采用超低功耗單片機STC15L204EA作為微控制器，實現環境監測數據采集和傳輸；中心存儲節點采用了集成RTC實時時鐘具有ARM內核的芯片STM32F103VET6，負責多路監測數據的無線接收和SD卡中的實時數據存儲；無線通信模塊由nRF24L01+和RFX2401C組成，負責監測數據無線的收發，并重點介紹了無線通信模塊的多通道無線通信的軟件實現。

【關鍵詞】STC15L204EA；ARM內核；實時數據存儲；FATfs；nRF24L01+；RFX2401C；多通道無線通信

0 引言

隨著人們對環境問題理解的深入，環境監測的內容也由工業污染源的監測，逐步發展到對大環境的監測[1]。現在人們大多數采取人工及半自動方法來進行環境數據的監測，但環境監測要求測點多、范圍廣、時間同步性高，而目前的監測方法不能達到以上要求，也不能實現監測數據的實時終端存儲，還耗費了一定的人力和設備資源，不利于環境監測和保護中代價小、效益好、可持續性的發展要求[2]。鑒于此，本文提出了一種環境監測數據無線采集存儲系統，可實現多點環境數據的無線自動化監測、采集和實時終端存儲。

1 系統的組成

系統主要是由環境監測子節點和中心存儲節點組成，兩者的通信通過2.4GHz無線電信號來實現。系統的總體架構圖如圖1所示。環境監測子節點主要有超低功耗單片機STC15L204EA、無線通信模塊及環境監測傳感器組成，環境監測傳感器主要由CO2濃度傳感器、光照度傳感器和溫濕度傳感器組成[3]。CO2濃度傳感器選用韓國產的S100H，它輸出多樣，本設計中采用了線性的電壓輸出，單片機可直接進行AD采樣；光照度傳感器采用數字照度傳感器BH1710FVC，單片機利用虛擬I2C總線接口進行模式設置和數據的讀取。溫濕度傳感器選用了瑞士Sensirion AG公司生產的SHT11，它高度集成，同時可測溫度和濕度，輸出多樣，采用其I2C總線接口與之通信。無線通信模塊采用了NORDIC公司的2.4GHz射頻收發芯片nRF24L01+，并利用功放芯片RFX2401C進行功率放大及低噪聲放大，子節點結構圖如圖2所示[4]-[5]。中心存儲節點主要由微控制器STM32F103VET6、無線通信模塊和SD卡模塊組成，該款微控制器自帶RTC實時時鐘，利用其自帶的2路SPI總線接口分別與無線通信模塊和SD卡進行數據傳輸及SD卡的讀寫，中心存儲節點結構圖如圖3所示。

2 系統的實現

本系統中，依據監測區域最大化原則，將六個環境監測子節點部署到指定的方位，各環境監測點的傳感器組每隔固定時間，對該測點的溫度、濕度、光照度、二氧化碳體積濃度進行監測采集，微控制器STC15L204EA對監測數據進行換算處理，分別取溫度量和濕度量的3位有效數字、二氧化碳體積濃度和光照度的4位有效數字（以上均包括小數點后一位），考慮溫度值可能為負，外加1位溫度符號存儲信息，將以上量按規定順序以每位的ASCII碼形式存儲于數組中，一共有15Bytes的采集存儲信息；無線收發模塊的每包數據最大能傳32Bytes，一次即可將所有的環境監測量傳送完。各環境監測子節點的無線通信模塊在發射模式下將環境監測數據通過2.4GHz無線電信號分別傳送到中心存儲節點無線通信模塊的對應通道。中心存儲節點通過設置為接收模式下的無線通信模塊分別接收來自6個通道的環境監測數據，進行匯總和處理，利用微控制器自帶的RTC實時時鐘，將接收的環境監測數據和對應的接收時間（由于無線電傳輸時間極短，此處的中心節點的數據接收時間可等同于子節點數據采集時間）利用FATfs文件系統以TXT文檔的形式寫入存儲介質SD卡中，也可保存為其他文件類型，最終完成大區域范圍的環境監測數據無線自動化采集和存儲，有很好的時間同步性。SD卡和電腦或便攜式筆記本連接，直接可獲取采集數據的TXT文檔信息，并通過上位機軟件直接可將采集數據導入對應數據庫，用于后續處理分析及應用。

本設計中的多通道無線通信是指多個環境監測點的環境數據的無線發送，單個中心存儲節點的多路環境數據的無線接收。采用多通道通信主要是為了盡量減少環境數據同時傳輸時碰撞的幾率，也減少了硬件成本，同時能根據存儲節點接收數據所對應的通道號得出該監測數據的節點號，充分利用了無線模塊自身所帶功能。采用了nRF24L01+作為射頻收發芯片，多通道通信的實現主要在于nRF24L01+模式的配置。首先初始化好環境監測點STC15L204EA和中心存儲節點的STM32的SPI總線接口，再分別將環境監測點、中心存儲節點的nRF24L01+配置成發送（TX）模式和接收（RX）模式[6]-[7]，然后進入正常的工作模式。

3 結語

本文設計的環境監測數據無線采集存儲系統運用了傳感器技術、多通道無線通信技術，并使用了基于SD卡的FATfs文件系統對采集的環境監測數據以文件形式進行創建、寫入和管理，實現了環境監測數據的無線采集和實時終端存儲。該系統結構小巧，適用于無法搭建通信基站或輔助通信平臺的惡劣野外環境。整個系統架構清晰，成本低廉。SD卡便于插拔、存儲便易、直接可與電腦或便攜式筆記本連接，利于環境監測數據的采集分析處理。

【參考文獻】

[1]國家環境保護“十二五”規劃[J].中國環保產業，2012（1）：9-19.

[2]王金南，蔣洪強.國家“十二五”環境保護規劃體系與重點任務[J].環境保護，2012（1）：51-55.

[3]STC15F204EA系列英文[EB/OL].http：//www.stcmcu.com/datasheet/stc/STC-AD-PDF/STC15F204EA-s eries-english.pdf.

[4]nRF24L01P_Product_Specification_1_0[Z].NORDIC SEM ICONDU CTOR， 2008， 9.

[5]RFX2401C Eval Board Summary and Technical Notes RevA18[Z].RFAXIS INC，2007，12.

[6]朱桂峰.基于nRF24L01的無線傳感局域網絡的研究與設計[D].河北大學，2011.

[7]宋曉偉，孟國營，葉洋，程曉涵，趙令令.基于nRF24L01的無線溫度監測系統[J].煤炭工程，2010（11）：11-12.endprint