一種智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

甘緒桐，張厚武，何 勇，鄭九鋒

(貴州大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

0 引 言

隨著人們生活質(zhì)量的提高，人們對自己所處的環(huán)境越來越重視。目前，國內(nèi)有很多環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，如周海鴻等設(shè)計的基于ZigBee技術(shù)的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)[1]；杜克明等設(shè)計的農(nóng)業(yè)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)[2]；戴春霞設(shè)計的豬舍環(huán)境因子的測量系統(tǒng)[3]；彭占武等設(shè)計的雞舍環(huán)境無線監(jiān)測系統(tǒng)[4]等。但已有測量方法的數(shù)據(jù)可靠性有待提高，功耗有待降低。

文中設(shè)計的智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要通過監(jiān)測應(yīng)用環(huán)境內(nèi)的主要環(huán)境因子，并且通過通用分組無線服務(wù)技術(shù)與服務(wù)器端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，從而實(shí)時地監(jiān)測環(huán)境信息，并有效解決前人設(shè)計的部分問題。應(yīng)用場景工作人員可根據(jù)觀察可視化顯示界面適當(dāng)調(diào)節(jié)適宜環(huán)境，為保持一個相對穩(wěn)定適宜的環(huán)境提供方便。

1 總體設(shè)計

基于STM32[5]的智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[6]的總體框架如圖1所示。

圖1 環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)總體框架

監(jiān)測站各個傳感器采集環(huán)境信息(氨氣濃度、大氣溫度、大氣濕度、光照強(qiáng)度、PM2.5、硫化氫濃度、二氧化碳濃度)，采集到的信息通過RS-485總線或I2C總線傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集核心模塊，數(shù)據(jù)采集核心模塊經(jīng)過數(shù)據(jù)的分析處理后將信息通過GPRS[7]或藍(lán)牙傳輸?shù)椒?wù)器端或手機(jī)APP端，服務(wù)器端或手機(jī)APP端經(jīng)過第二次的數(shù)據(jù)分析處理進(jìn)行可視化顯示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)采集核心模塊硬件設(shè)計

數(shù)據(jù)采集核心模塊是環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)下位機(jī)監(jiān)測站的核心部分，主要由MCU、電源電路、保護(hù)電路、數(shù)據(jù)存儲備份電路、通信接口電路、傳感器接口電路、節(jié)能控制電路等幾部分組成。整體框架如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集核心模塊框架

2.1.1 主控制器

智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的主控制器選用STM32F103 ZET6芯片，芯片為Cortex-M3[8]系列內(nèi)核，32位處理器，主頻72 M，LQFP144封裝，片內(nèi)Flash容量為512 K，片內(nèi)SRAM容量為64 K，標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)包括有10個定時器，2個12位1-Msample/s模數(shù)轉(zhuǎn)換器、2個IIC接口、5個USART接口、3個SPI端口、12條DMA通道和1個CRC計算單元。與同系列其他處理器相比，增加了EMT，F(xiàn)SMC總線，SDIO接口和2個I2S接口等。

2.1.2 電源電路

綜合主控制器和傳感器所用電壓類型，數(shù)據(jù)采集模塊中共有12 V、5 V和3.3 V三種電壓，電源電路中共有兩種供電方式，一種是開關(guān)電源輸入端接家庭常用的220 V，輸出12 V，12 V的電壓可以給氨氣傳感器和光照傳感器供電，12 V電壓另接一路通過L78S05穩(wěn)壓芯片輸出5 V電壓，5 V電壓可以給PM2.5傳感器供電，5 V另接一路通過AMS1117穩(wěn)壓芯片輸出3.3 V電壓，3.3 V電壓可以給IIC型傳感器供電，3.3 V另接一路給MCU供電。

當(dāng)家庭電源癱瘓時，可啟用第二種供電方式，太陽能電源系統(tǒng)[9]供電。太陽能電源系統(tǒng)由太陽能電池板、鉛酸蓄電池和太陽能電源控制器組成。太陽能電池板采用50 W單晶硅太陽能電池板，最佳工作電壓為18 V，最佳工作電流為2.86 A；鉛酸蓄電池采用12 V、20 Ah；太陽能電源控制器用來作為電源系統(tǒng)的控制中心，控制電源系統(tǒng)的充、放電過程。電源電路部分還包括電量檢測電路，原理如圖3所示。將L78S05輸出端電壓與鉛酸蓄電池輸出電壓做比例減法，使兩者之間的差值電壓變?yōu)?～2.86 V，然后將差值電壓輸入到主控制器的A/D轉(zhuǎn)換引腳，主控制器進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算后得出蓄電池電量。

圖3 電量檢測電路原理圖

2.1.3 數(shù)據(jù)存儲備份電路

數(shù)據(jù)采集核心模塊上加入鐵電存儲器和TF存儲卡進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲備份和數(shù)據(jù)保護(hù)，鐵電存儲器[10]采用FM24CL64，直接用來存儲下位機(jī)系統(tǒng)工作信息。鐵電存儲器有8 KB存儲空間，可以保證斷電后數(shù)據(jù)不丟失。當(dāng)鐵電存儲器中數(shù)據(jù)存放達(dá)到4 KB后，這部分?jǐn)?shù)據(jù)將會自動轉(zhuǎn)存到一張4 GB的TF卡[11]中存儲。

2.1.4 通信接口電路

數(shù)據(jù)采集核心模塊與外界通信的方式有GPRS通信和藍(lán)牙通信兩種。STM32F103ZET6的USART1和USART2為通用同/異步串行接口，將USART1與SP3232電路連接，再與GPRS通過串口連接與后臺服務(wù)器端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，通信波特率設(shè)為9 600 kbps。USART2作為藍(lán)牙通信接口，藍(lán)牙與智能手機(jī)APP也可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，通信波特率設(shè)為115 200 kbps。

2.1.5 傳感器接口電路

智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)有IIC型傳感器和RS-485型傳感器兩種，IIC型傳感器SCL接口對應(yīng)連接主控制器GPIO口的PB6，SDA接口對應(yīng)連接GPIO口的PB7。主控制器的USART3、USART4、USART5連接RS-485總線通信接口，通過SP3485作為收發(fā)器來實(shí)現(xiàn)這種半雙工通信信號的收與發(fā)。

2.1.6 保護(hù)電路

各種應(yīng)用場景環(huán)境復(fù)雜多變，為了避免工作人員誤操作、雷擊等產(chǎn)生電流、電壓異常損害系統(tǒng)，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，數(shù)據(jù)采集核心模塊還設(shè)計了兩種保護(hù)電路。一種是在核心電路中加入瞬態(tài)抑制二極管和自恢復(fù)保險絲來防止大電流和防浪涌保護(hù)；另一種是在電源控制器端，當(dāng)電池低于過放電壓11 V時，控制器會自動切斷負(fù)載，保護(hù)電池，當(dāng)電量回升后自動開啟負(fù)載，提供低電壓保護(hù)。

2.2 傳感器設(shè)計

2.2.1 IIC型傳感器設(shè)計

IIC型傳感器包含大氣溫度傳感器[12]、大氣濕度傳感器和硫化氫濃度傳感器。監(jiān)測系統(tǒng)選擇使用SHT15傳感器來檢測大氣溫濕度，SHT15將傳感器元件和信號處理電路集成在一塊小型電路板上，輸出為標(biāo)定后的數(shù)字信號，傳感器焊接在一個IIC轉(zhuǎn)接板上，SHT15將一個用能隙材料做成的測溫元件、一個電容性聚合體測濕敏感元件聚合在同一芯片上，芯片連接了14位A/D轉(zhuǎn)換器和IIC接口電路；監(jiān)測系統(tǒng)選擇MQ-135模塊來檢測空氣中硫化氫濃度，將數(shù)字信號輸出直接接在單片機(jī)引腳，當(dāng)MQ-135檢測到硫化氫時，比較器LM393引腳的電壓值，跟硫化氫的濃度成正比，當(dāng)濃度超過閾值時，會觸發(fā)硬件報警(燈閃和蜂鳴器響)。

2.2.2 RS-485型傳感器設(shè)計

RS-485型傳感器包含光照強(qiáng)度傳感器、PM2.5傳感器、氨氣濃度傳感器和二氧化碳濃度傳感器。光照強(qiáng)度傳感器選用BH1750FVI模塊，這種模塊成本較低，但存在一個缺點(diǎn)是BH1750FVI模塊量程小，測量范圍只能達(dá)到0～65 535 Lux，但可見光最多可達(dá)到十幾萬Lux。該系統(tǒng)所用傳感器通過給BH1750FVI模塊添加一個濾光膜片并在傳感器外側(cè)加入透光球罩來達(dá)到擴(kuò)大傳感器量程的目的。光照強(qiáng)度傳感器控制電路的MCU選擇STC15W404AS單片機(jī)，BH1750FVI采集到的數(shù)據(jù)先通過IIC通信方式傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，單片機(jī)通過計算和校正得到真實(shí)的光照強(qiáng)度值[13]，再通過RS-485通信方式傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集核心模塊主控制器上。PM2.5傳感器模塊選用SDS011模塊，通過激光檢測原理，檢測到空氣中0.3～10微米懸浮顆粒物的濃度，內(nèi)置風(fēng)扇，場景變換響應(yīng)時間低于10 s，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性高，數(shù)字化輸出；氨氣傳感器模塊選用MQ-137模塊，其所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中氨氣的濃度的增加而增大，輸出信號為數(shù)字信號，但該傳感器模塊需通過標(biāo)準(zhǔn)氨氣傳感器進(jìn)行標(biāo)定。PM2.5傳感器和氨氣傳感器控制電路的MCU都選用STC15F2K60S2單片機(jī)，傳感器模塊通過串口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，單片機(jī)將數(shù)據(jù)分析處理后通過RS-485通信方式傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集核心模塊主控制器上。二氧化碳傳感器選用MG811模塊，模塊采用固體電解質(zhì)電池原理，通過電化學(xué)反應(yīng)來達(dá)到檢測二氧化碳的目的，但由于這種電解質(zhì)傳感器輸出信號的阻抗非常高，并不能直接測量其輸出信號，在控制電路中通過加入一級阻抗變換電路，阻抗變換運(yùn)算放大器選擇CA3140，將MG811模塊輸出阻抗降低到方便測量的級別，再將信號輸入到單片機(jī)，控制電路的MCU選擇ATmega64單片機(jī)，單片機(jī)通過RS-485通信方式再傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集核心模塊主控制器上。這四種RS-485型傳感器模塊成本相對較低，但通過控制電路處理后得到的數(shù)據(jù)有效性好，可靠性高。

2.3 節(jié)能控制設(shè)計

系統(tǒng)一方面通過主控制器節(jié)能，主控制芯片STM32F103ZET6有2.0～3.6 V的工作電壓兼容主流的電池技術(shù)，封裝還設(shè)有一個電池工作模式專用引腳Vbat，并通過鋰電池給RTC供電，使系統(tǒng)時鐘能掉電后繼續(xù)運(yùn)行。系統(tǒng)采用低功耗模式，以72 MHz頻率從閃存執(zhí)行代碼，僅消耗27 mA電流，啟動電路使用STM32F103ZET6內(nèi)部生成的8 MHz信號，將微控制器從停止模式喚醒用時小于6μs。另一方面考慮到短時間類雞舍環(huán)境不會陡然變化，系統(tǒng)通過I/O口控制固態(tài)繼電器H3MB-052D來控制設(shè)備的通/斷電，設(shè)置系統(tǒng)工作5 s后休眠5 s來實(shí)現(xiàn)節(jié)省能耗的目的。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 數(shù)據(jù)采集核心模塊軟件設(shè)計

數(shù)據(jù)采集儀和后臺服務(wù)器端、手機(jī)APP端之間設(shè)計了一個通信協(xié)議，數(shù)據(jù)按協(xié)議幀格式串行傳送，傳送單位為字節(jié)，字節(jié)的串行傳送格式是1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無奇偶校驗位。協(xié)議幀格式包括針起始符、地址域、控制域、長度、數(shù)據(jù)域、校驗碼、幀結(jié)束符。數(shù)據(jù)域包括傳感器代號、傳感器序號、傳感器數(shù)值、電池剩余電量百分比、實(shí)時時間、持續(xù)采集時間等；校驗碼采用CRC-16循環(huán)冗余校驗。字節(jié)存放采用小端模式。數(shù)據(jù)采集核心模塊軟件開發(fā)環(huán)境為MDK5，軟件流程如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集核心模塊軟件流程

首先初始化I/O口、RTC、傳感器等，判斷GPRS是否收到數(shù)據(jù)，若收到，判斷數(shù)據(jù)是否有效，若有效，則給后臺服務(wù)器返回一幀數(shù)據(jù)；若GPRS沒收到數(shù)據(jù)，需判斷藍(lán)牙端是否收到數(shù)據(jù)，若藍(lán)牙端收到數(shù)據(jù)，判斷數(shù)據(jù)是否有效，若有效，則給手機(jī)APP端一幀數(shù)據(jù)；若藍(lán)牙端和GPRS端都沒收到數(shù)據(jù)，則判斷是否到達(dá)工作時間，若到達(dá)工作時間，主控制器就開始采集傳感器數(shù)據(jù)，按設(shè)置的采集時間向服務(wù)器端自動發(fā)送數(shù)據(jù)，等采集數(shù)據(jù)時間到達(dá)后按設(shè)置的休眠時間定時休眠。

3.2 后臺網(wǎng)站設(shè)計

圖5為智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用在雞舍環(huán)境中的后臺網(wǎng)站顯示界面。后臺服務(wù)器接收到數(shù)據(jù)監(jiān)測站的數(shù)據(jù)[14]后，會對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，之后再顯示到前端界面。管理員也可從數(shù)據(jù)庫中查詢和導(dǎo)出歷史數(shù)據(jù)，方便數(shù)據(jù)分析人員更好地進(jìn)行數(shù)據(jù)對比。雞舍管理人員可根據(jù)雞舍環(huán)境實(shí)時情況對雞舍環(huán)境做相應(yīng)處理，保證雞群有一個良好的生長環(huán)境。

圖5 雞舍應(yīng)用場景后臺網(wǎng)站監(jiān)測界面

3.3 手機(jī)APP設(shè)計

圖6為智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用在雞舍環(huán)境中的手機(jī)APP顯示主界面。主控制器和手機(jī)APP端通過藍(lán)牙進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，手機(jī)APP可對數(shù)據(jù)采集核心模塊進(jìn)行配置，可設(shè)置傳感器參數(shù)，可設(shè)定下位機(jī)監(jiān)測站工作時間和休眠時間，可設(shè)置監(jiān)測站地址，也可主動讀取雞舍實(shí)時環(huán)境信息，并可通過柱狀圖和動態(tài)曲線顯示，方便直觀。

圖6 雞舍應(yīng)用場景手機(jī)APP主界面

3.4 數(shù)據(jù)分析處理

為了提高監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，系統(tǒng)軟件設(shè)計中加入了時間序列神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法[15]和中值濾波算法[16]。系統(tǒng)采集環(huán)境信息中的一些環(huán)境數(shù)據(jù)存在一定的聯(lián)系，如當(dāng)大氣溫度升高時，大氣濕度一般會下降，當(dāng)二氧化碳濃度升高時，氨氣濃度、硫化氫濃度、PM2.5會升高，反之亦然，當(dāng)光照強(qiáng)度升高時，大氣溫度會升高。系統(tǒng)在實(shí)驗室收集數(shù)據(jù)一年，將數(shù)據(jù)通過時間序列神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法模型進(jìn)行記憶，研究出了氨氣濃度、大氣溫度、大氣濕度、光照強(qiáng)度、PM2.5、硫化氫濃度、二氧化碳濃度等各種數(shù)據(jù)之間存在的潛在關(guān)系，通過輸入一些環(huán)境數(shù)據(jù)，能預(yù)測其他一些環(huán)境數(shù)據(jù)。軟件設(shè)計中，將濾除與預(yù)測值相差較大的數(shù)據(jù)[17]。由于環(huán)境信息不會突變，系統(tǒng)采集核心模塊每5 s采集一次數(shù)據(jù)，采集12次數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)按大小排序，取數(shù)據(jù)間均值為有效值，將有效值平均后再傳輸?shù)椒?wù)器端或手機(jī)APP端。

4 結(jié)束語

設(shè)計實(shí)現(xiàn)的智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)功能完善、續(xù)航能力較強(qiáng)、調(diào)試檢修方便。數(shù)據(jù)采集核心模塊和后臺服務(wù)器端接收數(shù)據(jù)后通過智能分析篩選錯誤數(shù)據(jù)后，將有效數(shù)據(jù)顯示在前端界面，保障了監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性。該系統(tǒng)已在貴州息烽一大型雞舍正常運(yùn)行半年左右，雞舍工作人員反饋良好。