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(lái)越多的企業(yè)和學(xué)者的重視,。盡管對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的確切定義還頗有爭(zhēng)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(cè)中,,物聯(lián)網(wǎng)也為人們提供了更多的選擇,。
針對(duì)森林生態(tài)監(jiān)測(cè)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(wú)線(xiàn)模塊傳送給數(shù)據(jù)中心主站。程序開(kāi)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(kāi)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(cè)相關(guān)的多種傳感器,,單總線(xiàn)數(shù)字式溫濕度復(fù)合型傳感器DHT11、I2C總線(xiàn)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(guò)Cortex-M3處理器實(shí)時(shí)采集傳感器信息,經(jīng)處理后通過(guò)SPI接口的無(wú)線(xiàn)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(guò)本地LCD顯示,。若采集的傳感器信息異常(如煙霧濃度過(guò)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(xiàn)傳感器。它應(yīng)用專(zhuān)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(zhǎng)期穩(wěn)定性,。單線(xiàn)制串行接口,,使系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)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(cè)的應(yīng)用,。DHT11簡(jiǎn)要說(shuō)明如表1所列,。
DHT11除電源和地線(xiàn)外,只有1條數(shù)據(jù)線(xiàn),,在與CPU接口時(shí),,數(shù)據(jù)線(xiàn)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(xiàn)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(guò)不穩(wěn)定狀態(tài),。
數(shù)據(jù)線(xiàn)DATA與LM3S811的通信和同步,,采用單總線(xiàn)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(shuō)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(kāi)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(kāi)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(kāi)始信號(hào)后觸發(fā)一次溫濕度采集,,如果沒(méi)有接收到主機(jī)發(fā)送開(kāi)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(cè),,這在林場(chǎng)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(chēng)+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(duì)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(lèi)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(duì)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(xiàn)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(duì)光源方向敏感的缺點(diǎn),,具有檢測(cè)分辨率高、測(cè)量范圍廣(1~65 535 lx)的優(yōu)點(diǎn),,而且其輸出接近人眼對(duì)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(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)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(wú)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(cè),,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(lái)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(kāi)發(fā)環(huán)境,,基于庫(kù)函數(shù)開(kāi)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T(mén)echshine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(guò)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(guò)SPI接口發(fā)送到無(wú)線(xiàn)模塊nRF905。
為方便觀測(cè),,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(cè)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(cè)物聯(lián)網(wǎng)的測(cè)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(cè),,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(cè)到溫濕度,、煙霧數(shù)值和CO2數(shù)值,。
測(cè)試中,若對(duì)溫濕度傳感器哈氣,,其數(shù)據(jù)顯示溫濕度明顯上升,;對(duì)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(cè)試符合傳感器的特性說(shuō)明,。