室内环境质量无线监测系统设计

引 言

健康舒适的室内环境对任何一种建筑来说都尤为重要， 实验室作为人员密集型建筑，良好的室内环境有助于提高学生的学习效率。如果温度过高或过低，湿度过湿（高于 70%） 或过燥（低于 30%），光照的过明或过暗，都会使学生产生不适感，影响正常排汗和情绪、降低注意力。由此可见，实验室环境的不尽人意，在无形中影响了学生的健康和学习效率。因此，开发了室内环境质量无线监测系统，以便 24 小时监控实验室的环境质量参数。本无线检测系统的主要特点如下（：1）该系统可以延长实验室里面设备的使用寿命，为设备提供一个安全的使用环境 ；（2）该系统能够提高管理效率，温湿度数据可以远程传输，管理人员在巡查的时候不必到机房去就可以远程了解实验室的环境问题 ；（3）本系统可以代替管理人员 24 小时监控非上班时间实验室存在的安全隐患，达到对实验室远程监控的目的。

1 系统总体设计

在日常生活中，由于存在个体差异，在各种条件下要找到一个单一的指标来准确反映人体对环境的舒适性是很困难的。因此，在环境舒适性的检测过程中，我们往往关注三个比较重要的影响环境舒适性的因素：温度、湿度、照度。所以本系统针对实验室的环境分别采集温度、湿度、照度这三个因素来衡量实验室环境的舒适性。系统的总体设计框图如图1 所示。

本文所述的室内环境无线监测系统分为硬件设计方案和软件设计方案两部分。

1.1 硬件设计方案

该系统采用模块化的硬件设计，由 STC12 系列单片机微控制器、温湿度传感器、光照传感器、CC2530 芯片的ZigBee 收发模块、液晶显示模块、电源模块等组成。该终端具有室内环境参数的自动采集、计算处理等功能，它可以连续自动地测量温度、湿度、光照这些指标，各种要素经过传感器将模拟量转化成相应数字量，供采集器定时处理后给单片机进行处理，实现数据的采集、显示及无线传输。

1.2 软件设计方案

室内环境无线监测系统的软件设计由主程序、温湿度传感器驱动子程序、光照传感器驱动子程序、LCD12864 液晶显示子程序、串口通信子程序等组成。对于硬件方案用到的编程软件其中包括对于微控 STC12C5A60S2 进行 C 语言程序编译的Keil 软件，将Keil 软件生成的.hex 头文件烧录至 MCU 中的下载软件STC-ISP 中。

2 室内环境质量无线监测系统的硬件设计

实验室室内环境质量无线采集系统在硬件设计过程中， 使用了模块化的设计方法，分别为微处理器电路设计、数据采集模块电路设计、显示模块电路设计、串口通信电路设计、无线收发模块。在本系统中，对实验室室内环境质量参数数据的采集主要依靠各种传感器，如温湿度传感器AM2301、照度传感器模块 GY30。这些传感器的工作原理是利用物质各种物理性质随环境变化的规律把温度、湿度、照度等转换为模拟量或数字量进行输出，通过单片机采集这些电量数据并对其进行计算即可确定各环境参数的数值。在室内环境质量无线监测系统的设计中，本文使用了STC12C5A60S2 单片机进行设计。具体包括 ：单片机最小系统，温湿度接口电路，光照接口电路，接口电路，电源电路，串口通信接口电路。

2.1 MCU的选型

本 系 统 设 计 采 用 的 是 STC12C5A60S2 单 片 机。

STC12C5A60S2 在众多的 51 系列单片机中，算是国内 STC 公司的1T 增强系列中更具有竞争力的一种，因为他不但和8051 指令、管脚完全兼容，而且其片内具有Flash工艺的大容量程序存储器。如STC12C5A60S2 单片机内部就自带高达 60 K 的 FlashROM， 这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除、改写。而且STC 系列单片机支持串口程序烧写。显而易见，这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。写入单片机内的程序还可进行加密，很好地保护了用户的劳动成果。

2.2 温湿度传感器AM2301

DHT21 数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电容式感湿元件和一个NTC 测温元件，并与一个高性能 8 位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个DHT21 传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在OTP 内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达 20 米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选择。

2.3 光照传感器模块GY30

本系统采用新型单片测光芯片 GY30 模块，该模块的工作电压为 3.3 V，内置了 BH1750 芯片，可以对广泛的亮度进行 1 勒克斯的高精度测定，实现了照明度（1 ～ 65 536 勒克斯）数字值的直接输出。主控器通过I2C（Inter － Integrated Circuit）通讯接口读取 GY30 采集到的数据，然后按照用户要求的形式通过界面将数据呈现出来。

2.4 ZigBee数据传输模块选型

本系统中所使用的 ZigBee 模块为某电子公司的无线模块，该无线模块在产品类型中分为三种：ZigBee（Coordinator-协调器）模块、ZigBee Router（路由器）模块、ZigBee End Device（终端设备）模块。 ZigBee 能耗无线监测终端的硬件设计中，无线 ZigBee 模块（Router- 路由器）的功能是以无线方式发送数据资料包，并寻找最适合的路由路径，当有其他终端节点加入时，其也可为其他终端节点分配地址。CC2530 结合了领先的RF 收发器的优良性能，其内部包含一个 8051 CPU，且系统内可编程，其支持 TI 官方指定的IAR 编译软件， 并具备 8 KB RAM，因此，CC2530 是一个完整的 SoC 解决方案。通过其可以建立强大的无线传感器网络。

2.5 ST7920型12864液晶显示模块

为了在节约硬件资源的基础上可以得到更丰富的显示内容，并考虑到低功耗的要求，本系统设计中的显示电路采用ST7920 型 12864 带字库的液晶显示模块。

3 室内环境质量无线监测系统软件设计

本节的主要内容是进行室内环境质量无线监测系统的软件设计，软件设计的核心为底层硬件温湿度传感器 AM2301 模块、光照传感器 GY30 模块、LCD12864 液晶、串口通信等编写驱动程序，使得监测系统在上电后可以分别正常监测温湿度值、光照值的显示，及进行串口通信。室内环境质量无线监测系统主控程序流程图如图 2 所示。

3.1 温湿度传感器AM2301驱动子程序设计

DATA 数据线用于MCU 与 AM2301 之间的通信。四十比特完整的数据 = 十六比特的湿度数据值+ 十六比特的温度数据值+ 八比特校验和。例如，接收四十比特的数值，温湿度传感器AM2301 的数据格式如图 3 所示。

空闲时总线为高电平，通讯开始MCU 拉低总线1～10 ms， 然后释放总线，延时 20 ～ 40 μs 后主机开始检测响应信号。从机 AM2301 的响应信号是一个 80 μs 左右的低电平，随后从机在拉高总线 80 μs 左右代表即将进入数据传送。长的高电平代表的是信号 1 ；短的高电平代表的是信号 0。温湿度传感器AM2301 数据传输的时序图如图 4 所示。

3.2 光照传感器GY30驱动子程序设计

GY30 与主控器之间的通讯使用I2C 通讯协议。时钟线为高电平时，数据线由高电平向低电平变化表示开始信号 ；时钟线为高电平期间，数据线由低向高变化表示结束信号。I2C 通讯协议的起始信号与终止信号时序图如图 5 所示。

3.3 串口通信子程序设计

上位机对单片机所存储的数据的读取是通过USART 实现的。由于单片机内部集成有 USART模块，因此 MCU只需要连接MAX232芯片，就能和 PC 通信。首先，单片机要设置异步通信的比特率数据位、停止位、校验方式等，最后才打开中断。在本系统中，异步串口通讯模块比特率设置为 9600， 通信模式采用模式l，即每次发送的有效数据为 8位，另加一位停止位。串口通信的软件设计流程图如图 6所示。

4 结 语

本文针对室内环境质量的关键问题，基于物联网技术， 采用无线数据采集与传输等先进信息技术手段，准确采集室内环境质量数据，使实验室室内环境质量在计量、采集、统计方面更加完善，同时确保实验室的正常、高效、健康、稳定地运行。管理人员只需要通过网络就可以了解实验室环境的实际情况，从而极大地减轻对实验室的管理工作，实现实验室的科学管理。