融合多傳感器數(shù)據(jù)的社區(qū)環(huán)境智慧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡嘉偉 馮正慧 陳國(guó)俊 馬保禎

摘要：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已應(yīng)用到了社會(huì)生產(chǎn)各領(lǐng)域。文章設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一個(gè)融合多個(gè)傳感器的社區(qū)環(huán)境智慧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并將數(shù)據(jù)融合分析，進(jìn)行智能監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)開(kāi)發(fā)核心為STC89C52單片機(jī)，由溫濕度感應(yīng)器、紅外感應(yīng)器、煙霧感應(yīng)器、紫外線感應(yīng)器、PM2.5感應(yīng)器等組成；借助無(wú)線收發(fā)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，將監(jiān)測(cè)到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)分析后，通過(guò)以SIM800L芯片為核心的GSM通信模塊發(fā)送到社區(qū)管理員通信接收端，便于監(jiān)測(cè)社區(qū)環(huán)境數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)在社區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)管理中將具有一定實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)融合；環(huán)境智慧檢測(cè)；GSM；STC89C52；單片機(jī)

中圖分類號(hào)：TN92? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于智能交通、智能家居、公共安全、環(huán)境保護(hù)等社會(huì)領(lǐng)域，并且發(fā)揮了巨大的作用，而環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域也是物聯(lián)網(wǎng)的研究領(lǐng)域。我國(guó)的環(huán)境監(jiān)測(cè)行業(yè)處于發(fā)展階段。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究方向在社區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)方面的投入較少。本文目的是能夠讓社區(qū)更智能化、便捷化、人性化，讓居民生活更加便利，生活環(huán)境更加舒適。本文借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合不同類型的多種傳感器，設(shè)計(jì)了一種社區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代社區(qū)中環(huán)境監(jiān)測(cè)的智能化、信息的資源化和服務(wù)的規(guī)范化，為以后更多的監(jiān)測(cè)信息數(shù)據(jù)的融合提供基礎(chǔ)平臺(tái)。本系統(tǒng)能夠更全面、直觀地了解社區(qū)環(huán)境信息，具有一定現(xiàn)實(shí)意義和研究?jī)r(jià)值。

1 總體方案設(shè)計(jì)

基于STC89C52單片機(jī)設(shè)計(jì)的社區(qū)環(huán)境智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集多傳感器于一體。整個(gè)系統(tǒng)主要分為控制模塊、數(shù)據(jù)信息采集模塊、信息傳遞模塊和報(bào)警模塊。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)社區(qū)內(nèi)煙霧濃度、粉塵濃度、紫外線強(qiáng)度、溫濕度以及人體紅外等環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測(cè)，并將傳感器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)通過(guò)信息傳輸模塊發(fā)送到用戶的手機(jī)端。社區(qū)環(huán)境智慧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖 1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制模塊

本文采用STC89C52單片機(jī)，它是一款采用CMOS八位微處理器的單片機(jī)，具有低損耗、高性能的特點(diǎn)。字節(jié)的系統(tǒng)可編寫(xiě)閃存，執(zhí)行指令的速度很快，256×8位內(nèi)部RAM，雙向I/O端口中斷32個(gè)，串行中斷2個(gè)，可編程UART串行通道，2條斷口線讀寫(xiě)。使用USB轉(zhuǎn)串口即可下載。5.5 V～3.3 V的工作電壓，對(duì)工作環(huán)境的要求相對(duì)較低，在電壓低于5 V的情況下仍能正常工作，甚至在3～4 V也能發(fā)揮作用。

另外，STC89C52芯片組成的最小系統(tǒng)相對(duì)可靠，只需在單片機(jī)上連接時(shí)鐘電路和復(fù)位電路。它不僅可以完全代替51系列的單片機(jī)，還擁有51單片機(jī)本身沒(méi)有的許多功能。

2.2 數(shù)據(jù)信息采集模塊

數(shù)據(jù)信息采集模塊主要由DHT11溫濕度傳感器、PM2.5粉塵傳感器、MQ-2煙霧傳感器、紅外傳感器和紫外傳感器組成。

2.2.1 DHT11溫濕度傳感器

DHT11溫濕度傳感器是一種可同時(shí)測(cè)量溫度和濕度的復(fù)合傳感器，采用獨(dú)特的數(shù)字模塊技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，具有校準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào)輸出，能夠以程序的方式保存在存儲(chǔ)器中，以便于在傳感器處理檢測(cè)信號(hào)時(shí)進(jìn)行調(diào)用，使產(chǎn)品具有高穩(wěn)定性和可靠性。傳感器的串行接口是單線型，能夠使系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)單迅速。其有效測(cè)量范圍如表 1所示。

2.2.2 PM2.5粉塵傳感器

本文使用的粉塵傳感器型號(hào)為GP2Y1010AU0F，靈敏度達(dá)到0.5 V/0.1 mg/m3，工作溫度處于-10～65℃，存儲(chǔ)溫度處于-20～80℃，具有極低的消耗電流，性能十分穩(wěn)定，能夠檢測(cè)到十分微小的顆粒。

當(dāng)空氣潔凈時(shí)，Vo的范圍是0～1.5 V，典型值是0.9 V；當(dāng)空氣灰塵濃度高時(shí)，Vo的數(shù)值大于3.6 V。但是該傳感器輸出的最大電壓為3.6 V，無(wú)法精準(zhǔn)測(cè)出濃度值。0.9 V表示空氣潔凈，3.6 V表示空氣灰塵多。取正常值0.9 V，灰塵濃度0.053 mg/m3。當(dāng)達(dá)到最大電壓值3.6 V時(shí)，灰塵濃度為0.512 mg/m3。傳感器的范圍是0～512 μg/m3。

2.2.3 MQ-2煙霧傳感器

本文采用的煙霧傳感器型號(hào)是MQ-2。MQ-2煙霧傳感器使用二氧化錫半導(dǎo)體氣敏材料，是表面離子N型半導(dǎo)體。它的煙感比較高，檢測(cè)可燃?xì)怏w和煙霧的范圍為100～10 000 ppm，加熱電壓為5～0.2 V，抗干擾能力較強(qiáng)，對(duì)于一些具有刺激性氣味，但并不屬于可燃?xì)怏w的煙霧，能夠準(zhǔn)確地將它們排除。這種傳感器用于檢測(cè)其他多種可燃性氣體也比較理想，如天然氣、酒精等。MQ-2煙霧傳感器是一款能夠檢測(cè)多種氣體的、低成本的多氣體傳感器。

使用打火機(jī)釋放丁烷氣體，使傳感器在環(huán)境中與煙霧進(jìn)行接觸，傳感器的電導(dǎo)率就會(huì)因?yàn)闊熿F的作用發(fā)生變化。空氣中煙霧的濃度升高，就會(huì)使傳感器表面的電導(dǎo)率升高，從而導(dǎo)致輸出電阻的阻值降低，輸出更大的模擬信號(hào)。輸出的數(shù)據(jù)超過(guò)預(yù)設(shè)的煙霧濃度時(shí)，就會(huì)進(jìn)入聲光報(bào)警模塊，通過(guò)短信發(fā)送報(bào)警信息到用戶手機(jī)。

2.2.4 紅外傳感器

本文所使用的紅外傳感器可以依靠紅外技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，用于人體的紅外檢測(cè)。它的默認(rèn)工作電壓一般為4.5～20 V，在電壓超低的情況下也能夠正常工作。此外，該紅外傳感器具有可重復(fù)觸發(fā)方式，即感應(yīng)輸出高電平后，在延時(shí)的時(shí)間段內(nèi)，如果有人在傳感器感應(yīng)范圍內(nèi)活動(dòng)，它的輸出端將持續(xù)輸出高電平，反之當(dāng)人離開(kāi)感應(yīng)范圍時(shí)，它會(huì)自動(dòng)延遲并輸出低電平。

紅外線傳感器是利用遠(yuǎn)紅外線范圍的感度作為人體檢測(cè)用，紅外線的波長(zhǎng)比可見(jiàn)光長(zhǎng)而比電波短。人體的體溫約為36～37 ℃，所放射出峰值為9～10μm的遠(yuǎn)紅外線，另外加熱至400～700 ℃的物體，可放射出峰值為3～5μm的中間紅外線。

2.2.5 紫外傳感器

本文使用的UV傳感器型號(hào)為GUVA-S12SD。這是一款可以檢測(cè)紫外線輻射強(qiáng)度的傳感器。工作電壓：3.3～5 V（DC），光譜檢測(cè)范圍：240～370 nm，響應(yīng)度：0.14 a/w。感應(yīng)器自帶4個(gè)定位孔，便于裝置固定。

這款UV傳感器可與多種單片機(jī)控制板兼容。使用間距為2.54 mm的排針接口，使用公對(duì)母杜邦線，可以直接連接在要使用的單片機(jī)上［1］。

2.3 信息傳輸模塊

本文采用的GSM通信模塊型號(hào)為SIM800A，主要通過(guò)串口連接STC89C52單片機(jī)，包括數(shù)據(jù)信號(hào)線、狀態(tài)信號(hào)線和控制信號(hào)線，從而實(shí)現(xiàn)由單片機(jī)控制SIM800A模塊。

通過(guò)使用軟件來(lái)達(dá)到對(duì)SIM800A通信模塊的控制，并且能夠規(guī)避硬件不必要的信號(hào)檢測(cè)。SIM800A作為一個(gè)模塊，SIM800A模塊的電源引腳是連接在一起的，各方面的功能都較完善，所以無(wú)需做任何的信號(hào)處理和射頻處理。另外SIM800A模塊需要和SIM卡底座進(jìn)行連接，才能實(shí)現(xiàn)完整的GSM通信模塊。

串口的設(shè)計(jì)中，單片機(jī)的高電平和低電平的邏輯判斷電平可實(shí)現(xiàn)SIM800A引腳連接。因此，TC35模塊的串口線與單片機(jī)的串口線直接連接。SIM800A模塊的NETLIGHT管腳用來(lái)表示GSM模塊工作狀態(tài)，連接指示燈用來(lái)表示GSM模塊工作狀態(tài)。在用戶的手機(jī)上可以通過(guò)GSM信息傳輸模塊收到環(huán)境中各個(gè)傳感器測(cè)量的數(shù)值［2］。

在SIM800A的GSM模塊卡槽中插入移動(dòng)手機(jī)卡，將模塊插到萬(wàn)用板上。開(kāi)機(jī)初始化后液晶屏顯示初始化畫(huà)面，GSM模塊上指示燈3 s一閃代表有信號(hào)，即可正常發(fā)送短信。

2.4 報(bào)警模塊

報(bào)警模塊主要由燈光報(bào)警電路和聲音報(bào)警電路兩部分組成。

2.4.1 燈光報(bào)警電路

燈光報(bào)警電路中，設(shè)計(jì)采用的LED發(fā)光二極管是一種固體半導(dǎo)體器件，具有使用壽命長(zhǎng)，輻射低，可循環(huán)等優(yōu)點(diǎn)，可以將電能直接轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)光。本報(bào)警電路中針對(duì)不同的報(bào)警可使用不同顏色的LED燈進(jìn)行顯示。

2.4.2 聲音報(bào)警電路

聲音報(bào)警電路采用5V有源蜂鳴器，是一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器，采用直流供電的供電方式。當(dāng)有傳感器檢測(cè)的數(shù)據(jù)超出預(yù)設(shè)值，蜂鳴器即會(huì)報(bào)警。

蜂鳴器主要分為壓電式和電磁式兩種。本文采用壓電式蜂鳴器。它主要由多諧振蕩器、壓電蜂鳴片、阻抗匹配器及共鳴箱、外殼等組成。接通1.5～15 V的直流電源后，多諧振蕩器啟動(dòng)振動(dòng)，輸出1.5～2.5 kHz音頻信號(hào)，阻抗匹配器推動(dòng)壓電蜂鳴片發(fā)出聲響［3］。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件程序編寫(xiě)使用Keil4 軟件C51語(yǔ)言。C51語(yǔ)言編寫(xiě)的程序在功能、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)，因而易學(xué)易用。系統(tǒng)編程采用模塊化設(shè)計(jì)思想，包含主程序模塊和一系列子程序模塊。主程序完成系統(tǒng)的初始化和調(diào)用子程序操作，各子程序包含傳感器采集數(shù)據(jù)、液晶顯示、聲光報(bào)警、GSM發(fā)送短信和串口初始化等模塊。GSM通信模塊通過(guò)AT命令來(lái)進(jìn)行控制，采用短消息模式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

4 系統(tǒng)調(diào)試

調(diào)試過(guò)程中要檢測(cè)硬件電路的設(shè)計(jì)原理是否正確、能否達(dá)到預(yù)期效果以及實(shí)現(xiàn)方法是否簡(jiǎn)便等；在焊接好有線電路之后，認(rèn)真檢查電路的焊接情況。本文采用的是分塊調(diào)試的方法，MQ-2探測(cè)電路，報(bào)警電路以及單片機(jī)控制電路進(jìn)行調(diào)試。在對(duì)每個(gè)模塊的進(jìn)行調(diào)試過(guò)程中采用由局部到整體，由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的調(diào)試方法，最后再將各個(gè)模塊合成一個(gè)整體［4］。

5 結(jié)語(yǔ)

本文系統(tǒng)地介紹了融合多傳感器數(shù)據(jù)的社區(qū)環(huán)境智慧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法，完成了該系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的仿真測(cè)試，驗(yàn)證了系統(tǒng)在實(shí)際情況下的可行性。

由于筆者所涉知識(shí)領(lǐng)域范疇的局限性，系統(tǒng)仍存在不足之處。如檢測(cè)內(nèi)容可以再豐富；人機(jī)界面可以再優(yōu)化；在未來(lái)，監(jiān)控助手還可以根據(jù)實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)為用戶提供出行指導(dǎo)。相信隨著智慧社區(qū)的普及，融合多傳感器數(shù)據(jù)的社區(qū)環(huán)境智慧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將更加完善。

參考文獻(xiàn)

［1］陳國(guó)俊，唐學(xué)麒，吳余萬(wàn).基于ARM和Linux平臺(tái)的移動(dòng)視頻監(jiān)控小車研制研究［J］.電腦知識(shí)與技術(shù)，2016（34）：81-83.

［2］陳國(guó)俊，羊潔明，葛洪偉.基于可逆網(wǎng)絡(luò)的單一圖像超分辨率［J］.信息與控制，2021（5）：602-608，615.

［3］羅盆琳，方艷紅，王學(xué)淵，等.基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的障礙物判定系統(tǒng)［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2022（11）：114-118.

［4］徐敏.基于STC89C52單片機(jī)的蜂鳴器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.無(wú)線互聯(lián)科技，2022（16）：95-98.

（編輯 李春燕）

Design of intelligent monitoring system for community environment fused with multi-sensor data

Hu? Jiawei， Feng? Zhenghui， Chen? Guojun， Ma? Baozhen

（College of Computer Internet of Tings Engineering， Wuxi Taihu University， Wuxi 214064， China）

Abstract：? Internet of Things technology has been applied to all fields of social production. This design is to develop a community environment intelligent monitoring system that integrates multiple sensors， and integrates data analysis for intelligent monitoring. The core of the system development is STC89C52 single-chip microcomputer， which is composed of temperature and humidity sensor， infrared sensor， smoke sensor， ultraviolet sensor， PM2.5 sensor， etc.， with the help of wireless transceiver module for data transmission， the monitored real-time data is analyzed and sent to the community administrator communication receiver through the GSM communication module with the SIM800L chip as the core， which is convenient for monitoring community environmental data. The system will have certain practical value in community environmental monitoring and management.

Key words： data fusion; environmental intelligence detection; GSM; STC89C52; microcontroller