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基于嵌入式系统实现室内空气环境数据采集与实时通信

 

 前言 
  随着社会的发展,生活水平的提高,人们越来越重视环保、健康问题,不仅关注室外空气质量,也更加关心室内空气环境。室内空气环境主要包括温度、湿度、以及烟尘、煤气等有害物质含量。本项目拟基于ARM11嵌入式微处理器,通过无线传输模块,控制各种相关传感器采集室内空气环境数据,各种数据实时无线传回微处理器,在彩色液晶屏上显示。当有害物质(气体)超过预设的报警值时,系统自动通过语音和液晶显示画面进行报警,提醒人们注意室内空气质量。该系统不仅可用于家居环境,还适用于医院、餐厅、商场等公共场所。此外还可应用于纺织、医药、轻工、粮食仓储以及酿酒等生产区域,实现对环境数据的采集与报警。该系统有广泛的应用前景,对改善人们的生活、促进安全生产具有重要意义。 
  一、绪论 
  为了在技术上实现室内空气环境监测的美好愿景,中控端采用的S3C6410是一个16/32位RISC微处理器,旨在提供一个具有成本效益、功耗低,性能高的应用处理器解决方案,包括了强大的二位图像硬件加速器,内部集成了24位真彩色液晶显示控制器,器采用64/32位内部总线架构,具有强大的数据处理能力。中控端可以处理并显示采集终端的温湿度传感器、氧气含量传感器和烟尘含量传感器所采集的室内空气数据,这些数据通过NRF905无线传输模块进行数据传输,其中采集终端采用基于51内核的STC12C5A60S2单片机,其所集成的8路高速10位A/D转换接口和SPI接口,能够方便有效地将传感器的信号读取并处理后转发给NRF905无线传输模块,从而实现整个空气质量监测系统的构造。 
  二、系统总体设计 
  2.1采集终端部分 
  2.1.1传感器 
  ①数字型温湿度传感器将温度量和湿度量转换成容易被测量处理的数字式电信号,常见的湿度测量方法有:动态法(双压法、双温法、分流法),静态法(饱和盐法、硫酸法),露点法,干湿球法和形形色色的电子式传感器法,至少具有±5%RH的精度。 
  ②烟尘含量传感器将气体种类及其与浓度有关的信息转换成电信号,根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中的存在情况有关的信息。 
  2.1.2微型控制器 
  STC12C5A60S2是单时钟/机器周期(1T)的单片机,是高速/低功耗/超抗干扰的8051内核单片机,具有8路高速10位A/D转换接口和SPI接口,适用于对模拟型数据采集传感器的信号的处理。并将从各路传感器读取的信号经适当处理后通过SPI接口传递至无线模块并转发给中控端。 
  2.2无线数据传输模块 
  nRF905无线芯片主要工作于433MH
  Z、868MHz和915MHz的ISM频段。芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块,输出功率和通信频道可通过程序进行配置。非常适合于低功耗、低成本的系统设计。NRF905无线传输模块性能参数如下: 
  ①422.4~473.5MHz工作频段; 
  ②512个通讯频道,满足多点通讯、分组、跳频等应用需求,通道切换时间≤6us; 
  ③发射功率可设置为:10dB
  M、6dB
  M、-2dBm和-10dBm; 
  ④通过SPI接口与MCU连接; 
  ⑤支持50kbps传输速率; 
  ⑥ShockBurst传输模式,自动生成前导码和CRC校验码; 
  ⑦工作电压范围:1.9V~3.6V,待机模式下电流仅为12.5μA。 
  2.3中控端部分 
  2.3.1 S3C6410中央控制单元 
  S3C6410是一个16/32位RISC微处理器,旨在提供一个具有成本效益、功耗低,性能高的应用处理器解决方案,包括了强大的二位图像硬件加速器,内部集成了24位真彩色液晶显示控制器,器采用64/32位内部总线架构,具有强大的数据处理能力。 
  其显示控制特性包括TFT LCD接口: 
  ①320×240,640×480或其他显示分辨率高达1024×1024。最大2k × 2k虚拟屏幕尺寸。 
  ②支持五个窗口层作为PIP或OSD。 
  ③可编程OSC窗口定位。 
  ④16级Alpha混合。 
  串行通信特性包括SPI接口: 
  ①2通道串行外设接口。 
  ②64字节缓冲器用来接收/传送。 
  ③基于DMA或基于中断操作。 
  ④50Mb/s的发送/接收(全双工)。 
  GPIO特性包括: 
  ①188个灵活配置的GPIO,可任意配置为输入口或输出口。 
  2.3.2 TFT-LCD液晶显示 
  TFT(Thin Film Transistor)即薄膜场效应晶体管。所谓薄膜晶体管,是指液晶显示器上的每一液晶象素点都是由集成在其后的薄膜晶体管来驱动。从而可以做到高速度、高亮度、高对比度显示屏幕数据信息。 
  2.3.3串口通信   串行接口主要应用于远程通信和低速输出设备。由于串行数据通信传输线条数最少,占用资源最省,专用芯片便宜,发送和接受器简单。因而采用RS-232标准串行口进行中控端与上位机端数据通信,将中控端接收到的温、湿度数据、氧气含量数据等环境数据信息传输给上位机数据库保存,分析。 
  串口TXD信号负载着从电脑或者设备到另一端的数据,串口RXD信号负载着从上位机端上传到中控端的数据 
  串口通信一般设置如下:(一句话) 
  ①信速率为115200bps, 
  ②起始位为1, 
  ③数据位为8, 
  ④停止位为1, 
  ⑤无奇偶校验。 
  2.3.4按键电路(键盘模块) 
  通过普通的复位按键的一端通过电阻接地,另一端连接处理器IO口,当按键按下时,低电平信号以外部中断方式被处理器检测,程序做出相应识别,并完成相应的功能设置。 
  2.3.5语音提示/报警 
  基于SYN6288语音合成芯片的语音合成模块,控制器根据当前接收到的环境数据的值的是否超过设定范围,可通过UART通讯接口向SYN6288-A语音合成芯片发送相应控制命令和文本,SYN6288-A语音合成模块把接收到的文本合成为语音信号输出,输出的信号经功率放大器进行放大后连接到喇叭进行播放,从而发出对应的提示或报警声音。 
  ①工作原理示意图(图1): 
  ②模块示意图(图2)。 
  三、总结 
  总之,本基于ARM11实现室内空气环境数据采集与无线传输系统,能够实现室内空气环境多数据的采集,包括温度、湿度以及烟尘、煤气等有害物质含量等,采集的数据无线传输到中控端,便于人们观察,通过编程设置有害物质(气体)含量报警值,当超过该值时,系统自动报警,报警时通过语音喇叭提示,同时在液晶画面上显示提示信息,提醒人们注意室内空气质量。本系统的一个中控端可控制几十个数据采集终端,采集数据并无线传输至中控端,中控端通过串口传输至上位机服务器端数据库保存,处理,具有良好的可扩展性。 

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