引言
隨著信息技術(shù)的發(fā)展,，物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things，IOT)得到了越來越多的企業(yè)和學(xué)者的重視,。盡管對物聯(lián)網(wǎng)的確切定義還頗有爭議,，但有一點(diǎn)可以肯定，那就是物聯(lián)網(wǎng)必將進(jìn)一步提升信息社會(huì)的智能化水平,。同樣,，在森林環(huán)境乃至生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測中，物聯(lián)網(wǎng)也為人們提供了更多的選擇,。
針對森林生態(tài)監(jiān)測中所關(guān)心的溫度,、濕度、CO2濃度,、環(huán)境光照以及與森林防火息息相關(guān)的煙霧濃度等數(shù)據(jù),，本文基于Cortex-M3處理器設(shè)計(jì)了生態(tài)數(shù)據(jù)采集分站，并將采集的數(shù)據(jù)用本地LCD液晶顯示,，同時(shí)采用無線模塊傳送給數(shù)據(jù)中心主站,。程序開發(fā)在嵌入式操作系統(tǒng)μC／OS -II的基礎(chǔ)上分模塊進(jìn)行，不僅保證了良好的擴(kuò)展性,，也提高了開發(fā)效率,。
1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
1．1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
數(shù)據(jù)分站以LM3S811處理器為核心，并引入了與森林生態(tài)監(jiān)測相關(guān)的多種傳感器,，單總線數(shù)字式溫濕度復(fù)合型傳感器DHT11,、I2C總線接口的環(huán)境光亮度傳感器BH1710FVC、電壓輸出型煙霧傳感器MQ-2和CO2傳感器MG-811,。通過Cortex-M3處理器實(shí)時(shí)采集傳感器信息,，經(jīng)處理后通過SPI接口的無線模塊nRF905發(fā)送給數(shù)據(jù)主站服務(wù)器。同時(shí)將采集的傳感器信息通過本地LCD顯示,。若采集的傳感器信息異常(如煙霧濃度過高),，需聲光報(bào)警。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,。
1．2 系統(tǒng)模塊組成
1．2．1 溫濕度傳感器DHT11
DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合單總線傳感器,。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品的可靠性與長期穩(wěn)定性,。單線制串行接口,，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。它體積小、功耗極低,，信號(hào)傳輸距離可達(dá)20 m以上,，適用于環(huán)境監(jiān)測的應(yīng)用。DHT11簡要說明如表1所列,。
DHT11除電源和地線外,，只有1條數(shù)據(jù)線，在與CPU接口時(shí),，數(shù)據(jù)線需用5 kΩ上拉電阻,。DHT11與CPU的接口示意圖如圖2所示。在本設(shè)計(jì)中,，采用LM3S811的PB0模擬單總線采集溫濕度傳感器的數(shù)據(jù),。
DHT11的供電電壓為3～5．5 V,，這里采用直流5 V電壓供電,。傳感器上電后，要等待1 s以越過不穩(wěn)定狀態(tài),。
數(shù)據(jù)線DATA與LM3S811的通信和同步,，采用單總線數(shù)據(jù)格式。一次通信時(shí)間4 ms左右,。一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為40位,，高位先出。數(shù)據(jù)分小數(shù)部分和整數(shù)部分,，具體格式說明如下：
8位濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8位濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8位溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8位溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8位校驗(yàn)和數(shù)據(jù)傳送正確時(shí)校驗(yàn)和數(shù)據(jù)等于“8位濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8位濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8位溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8位溫度小數(shù)數(shù)據(jù)”所得結(jié)果的末8位,。
LM3S811發(fā)送一次開始信號(hào)后，DHT11從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式,，等待主機(jī)開始信號(hào)結(jié)束后,，DHT11發(fā)送響應(yīng)信號(hào)，送出40位的數(shù)據(jù),，并觸發(fā)一次信號(hào)采集,，LM3S811可選擇讀取部分?jǐn)?shù)據(jù)。從模式下,，DHT11接收到LM3S811的開始信號(hào)后觸發(fā)一次溫濕度采集,，如果沒有接收到主機(jī)發(fā)送開始信號(hào)，DHT11不會(huì)主動(dòng)進(jìn)行溫濕度采集,。DHT11與LM3S811的接口時(shí)序如圖3所示,。
1．2．2 煙霧傳感器MQ-2
MQ-2煙霧傳感器基于電化學(xué)原理，可用于可燃性氣體的檢測,，這在林場防火應(yīng)用中尤為重要,。
MQ-2加電預(yù)熱后(供電電壓標(biāo)稱+5 V)，當(dāng)MQ-2接觸到可燃性氣體時(shí)，其A-B極間等效的電阻阻值降低,，為取出信號(hào),，可采用電阻RL與A-B極串聯(lián)分壓。為提高傳感器靈敏度和輸出電壓的穩(wěn)定性,，設(shè)計(jì)中采用高輸入阻抗的CMOS運(yùn)放TLC272對傳感器的輸出電壓進(jìn)行跟隨和放大,，得到輸出電壓Vout。
MQ-2煙霧傳感器原理圖如圖4所示,。
1．2．3 CO2傳感器MG-811
MG-811型CO2傳感器的封裝與MQ-2類似,，但其工作原理是等效為電壓源，即加電預(yù)熱后,，A-B極間等效為電池(典型電壓為300 mV),。A-B電極間的電壓隨著CO2氣體濃度的升高而減小。由于MG-811等效的電壓源幾乎不能提供電流(小于1 pA),，這就要求運(yùn)放的輸入阻抗需要達(dá)到1012Ω,。該系統(tǒng)中，采用TI公司高性能運(yùn)放TLC272對該電壓進(jìn)行跟隨和放大(如圖5所示),，以提高系統(tǒng)靈敏度,。
1．2．4 環(huán)境光亮度傳感器BH1710FVC
BH1710FVC是一種I2C總線接口的數(shù)字型環(huán)境光亮度傳感器。它克服了傳統(tǒng)的光敏二極管／三極管對光源方向敏感的缺點(diǎn),，具有檢測分辨率高,、測量范圍廣(1～65 535 lx)的優(yōu)點(diǎn)，而且其輸出接近人眼對光譜的反應(yīng),。在BH1710FVC的6腳封裝中,，ADDR引腳用于控制器件的從地址。該引腳為“1”和“0”時(shí),，BH1710FVC的從地址分別為0x5C和0x43,。BH1710FVC的接口電路如圖6所示。
1．2．5 無線射頻模塊nRF905
nRF905模塊是一款工作在433 MHz頻率下的低功耗,、遠(yuǎn)距離無線收發(fā)模塊,。它內(nèi)部集成了SPI接口，可方便地實(shí)現(xiàn)與LM3S811處理器的無縫連接,。nRF905模塊與LM3S811接口電路如圖7所示,。由于該模塊支持地址匹配和載波檢測，給系統(tǒng)的可靠設(shè)計(jì)提供了方便,。其多種工作模式也給系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)帶來了便利,。nRF905模塊的工作模式如表2所列。
2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
采用MDK4．1集成開發(fā)環(huán)境,，基于庫函數(shù)開發(fā),，基于LM3S811處理器的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)分站的應(yīng)用程序。仿真器為Techshine公司的J-Link。
程序的主要功能包括2部分：
?、俨杉疍HT11數(shù)字溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)和BH1710FVC光照亮度傳感器數(shù)據(jù),，同時(shí)通過A／D轉(zhuǎn)換器采集MQ-2和MG-811傳感器的數(shù)據(jù)。
?、趯⒉杉臄?shù)據(jù)打包添加分站ID信息后通過SPI接口發(fā)送到無線模塊nRF905,。
為方便觀測，分站采用LCD實(shí)時(shí)本地顯示各傳感器的數(shù)據(jù),，若數(shù)據(jù)異常,，給出蜂鳴和LED閃爍報(bào)警。主程序流程如圖8所示,。
3 系統(tǒng)測試
本次設(shè)計(jì)的某些方案已經(jīng)成功應(yīng)用于南京林業(yè)大學(xué)-紫金山環(huán)境監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)的測試系統(tǒng)中,。圖9為南林物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用截圖。
由于MQ-2和MG-811傳感器都需要預(yù)熱才能準(zhǔn)確檢測,，因此系統(tǒng)需加電預(yù)熱5分鐘,。從本地LCD液晶顯示屏可以觀測到溫濕度、煙霧數(shù)值和CO2數(shù)值,。
測試中,，若對溫濕度傳感器哈氣,，其數(shù)據(jù)顯示溫濕度明顯上升,；對CO2傳感器哈氣，由于CO2濃度升高,，其電壓數(shù)據(jù)明顯下降,。若在煙霧傳感器旁制造濃煙，則煙霧傳感器數(shù)據(jù)也明顯上升,。這些測試符合傳感器的特性說明,。