论文部分内容阅读
摘要：随着环境问题的日益突出，人们对自身的生活环境有了更多的关注，但是能够随时查看周边环境数据的途径很窄，建设一个面向智慧城市的信息化智能社区便成为满足这一诉求的方法.然而目前社会上存在的监测系统大多处于单一仪器独立监测的状态，监测效率低且成本较高，所以建设一个信息化程度高的环境监测系统具有很强的现实意义.
关键词：智慧城市；环境监测；单片机；传感器；信息采集
1系统硬件设计
1.1 主控制模块
控制模块采用STM32F103ZET6芯片，该芯片是以ARMCoretex-M3为内核搭建的RISC处理器，正常工作时可以达到72MHz频率，片内双RC晶振，可提供8K和32K频率，并拥有64K片内RAM和512K片内Flash，内部资源丰富，足以实现环境监测系统的各项功能.
1.2 环境数据采集模块
系统使用DHT11数字温湿度传感器采集温湿度数据，DHT11是一款复合传感器，含有已校准数字信号输出.内部由NTC测温元件和电阻式感湿元件组成，并且和一个高性能的8位单片机相连接，反应迅速、能有效抵抗干扰.该传感器工作电压在3～5.5V之间，可测量的湿度范围为20%～90%RH，测量误差为±5%RH；可测量的温度范围为0～50℃，测量误差为±2℃.采用单线制串行接口，易集成、功耗低，滿足环境监测的要求.使用单总线数据传输格式，通过PG11端与单片机进行数据传输.UVM-30负责紫外线强度采集，采用线性电压输出，响应200～370nm间的波长，输出电压为0～1V，对应UV指数0～10，UVM-30紫外线传感器响应速度极快，低于0.5s，具备灵敏度高、抵抗可见光干扰强的优点.接单片机PA0端.烟雾监测使用MQ-2型烟雾传感器，该传感器属于二氧化锡半导体气敏材料，对液化气、丙烷、氢气等可燃性气体的检测效果理想，拥有广泛的探测范围和优异的稳定性.一旦传感器与烟雾相接触，晶粒交界处的势垒就会改变，材料的电导率因此变化，电阻降低，并根据不同的烟雾浓度输出不同的电压值.电压随浓度升高，再利用A/D转换将其转化为数字量，供单片机进行数据分析.
1.3 信息传输模块
信息传输模块包括无线收发模块与GPRS模块.使用NRF24L01模块实现无线收发功能.该模块在2.4～2.5GHzISM频段工作.低功耗1.9～3.6V间工作，提供126频道，可实现多点通信与跳频通讯，最高工作频率2Mbps，高效GFSK调制，抗干扰能力强，可自动反应并再次发射信号.使用SPI接口设定输出功率频道和协议，与单片机连接方式便捷，具有很好的适应性.GPRS通用分组无线服务技术是计算机网络上一项重要的数据传输技术，在原GSM网络的基础上叠加了支持高速分组数据的网络，可实现WAP浏览，E-mail等功能.本系统选用的SIM800A模块是一款高性能高性价比的工业级GSM/GPRS模块，支持4频GSM/GPRS，工作频段为GSM850，EGS900，DCS1800，CS1900MHz频率.GPRS数据上下行传输最大85.6kbps.本系统设计为TTL接口控制，支持3.3V/5V系统.T_TX和T_RX引脚分别与单片机上的U3_RX和U3_TX引脚相接，V_MCU选用3.3V电压.模块包含DC电源适配器输入接口，建议使用9V或12V电源输入（至少1A）.
2系统软件总体设计
2.1 系统工作流程
初始化主机和从机，检测分别搭载在主机和从机上的无线收发模块NRF24L01是否可以正常通讯.无线收发模块可以正常传输信息后，开始初始化负责环境数据采集的各项传感器.从机将传感器采集到的数据通过NRF24L01无线模块发送至主机，主机接收数据后在LCD屏上显示各项监测数值，通过SIM800模块发送环境数据至乐联网，同时将数据与设定阈值比较，若超出阈值，立即发出声光报警并发送异常数据至乐联网平台.
2.2 环境数据监测
该部分作为整个环境监测系统的核心，包括对温湿度、烟雾浓度、紫外线强度和PM2.5浓度的数据采集.系统将采集数据与阈值比较，判断社区内各项环境因素是否正常，若出现异常，系统将启动声光报警并将异常信息通过GPRS模块发送至乐联网平台；正常情况下，系统则按时发送实时环境数据.
2.3 人体感应监测
人体感应装置可选择性安装在必要地点，作为社区安全保障.当有人入侵时，HC-SR501传感器输出高电平，主机接收信号后启动声光报警，以提醒警卫室相关人员.
2.4 GPRS模块设计
通过STM32F103ZET6向SIM800输出AT指令进行相关控制.使用SIM800模块进行GPRS通信，设置指令AT+CIPSTATUS，可查询当前连接状态；指令AT+CDNSCFG，如发送：AT+CDNSCFG=1，“CMNET”，设置为GPRS连接，接入点为“CMNET”，可配置域名服务器DNS；发送数据则可以使用指令：AT+CIPSEND；建立TCP连接使用指令：AT+CIPSTART；关闭TCP连接使用指令：AT+CIPSHUT.
2.5 数据上传至乐联网
使用GPRS模块连接soft-ap，登陆乐联网指定IP地址并按照要求配置参数，配置成功后云平台会自动显示数据，用户可根据自身需求绑定微信等信息接收平台.
3 结果与分析
3.1 环境数据测量与分析
对于温湿度，本系统在室内进行测试，可准确显示传感器采集的空气温湿度数据.经多次测试，测得数据误差在±5%以内，满足实际需求.经监测，正常状态下输出电压值约为0.4V，而当烟雾浓度异常时，输出电压值均超过1V，由此设定阈值为1V，作为烟雾正常与否的判定标准.紫外线强度测量使用U-20紫外辐照度计进行校准.测试环境为正午户外，取每20min内的平均紫外线到达地面的辐射量.将本系统测量的紫外线数据与紫外辐照度计的测量值进行分析计算，得出本系统测量的相对误差在±3%之间，满足最初的设计要求.PM2.5传感器数据测量与分析，当空气质量好的时候，输出电压值在0.6V左右，而在灰尘浓度很高的情况下，输出电压不小于3.4V，电压值在0.6～3.4V之间时与灰尘浓度几乎成线性变化，得出推算公式：粉尘浓度（mg/m3）≈0.17输出电压（V）-0.1.
3.2 人体红外监测情况分析
当HC-SR501监测到距离传感器7m以内并在<100°锥角内出现人员时，向单片机输出高电平，经主机处理通过SIM800模块发送人员入侵信息，并进行声光报警.有效提高了社区安全程度.
3.3 信息采集发布形式
将采集到的环境数据绑定到社区公众号平台上，定期推送并上传至乐联网平台，供居民实时了解所在社区的环境状况.本设计将采集的信息上传至乐联网平台，发布形式为：“当前温度：25℃；湿度：50%；火警：无；外人入侵：无；紫外线强度：87mW/m2；PM2.5：43μg/m3.系统设置每2h向用户发送当前的环境监测数据，如果检测到数据异常，则立即发送异常的数据，由乐联网平台提示用户并报告相应的位置信息.
4 结束语
设计实现了一种智能的社区环境监测系统，详细阐述了系统核心模块的实现原理，该系统将单片机与多种传感器系统结合起来，可以实时监测人们的生活环境，满足现代化智慧社区的需求.经实验验证，本系统智能化程度高、性能稳定、数据传输可靠、通信方式灵活、成本低，具有广泛的推广使用价值.
参考文献：
[1]潘大伟，李翔.基于多平台的智能社区信息化系统集成的研究[J].信息与电脑（理论版），2015（5）：58-59.
[2]蒙海涛，张骥，易晓娟，等.物联网技术在环境监测中的应用[J].环境科学与管理，2013（1）：10-12.
关键词：智慧城市；环境监测；单片机；传感器；信息采集
1系统硬件设计
1.1 主控制模块
控制模块采用STM32F103ZET6芯片，该芯片是以ARMCoretex-M3为内核搭建的RISC处理器，正常工作时可以达到72MHz频率，片内双RC晶振，可提供8K和32K频率，并拥有64K片内RAM和512K片内Flash，内部资源丰富，足以实现环境监测系统的各项功能.
1.2 环境数据采集模块
系统使用DHT11数字温湿度传感器采集温湿度数据，DHT11是一款复合传感器，含有已校准数字信号输出.内部由NTC测温元件和电阻式感湿元件组成，并且和一个高性能的8位单片机相连接，反应迅速、能有效抵抗干扰.该传感器工作电压在3～5.5V之间，可测量的湿度范围为20%～90%RH，测量误差为±5%RH；可测量的温度范围为0～50℃，测量误差为±2℃.采用单线制串行接口，易集成、功耗低，滿足环境监测的要求.使用单总线数据传输格式，通过PG11端与单片机进行数据传输.UVM-30负责紫外线强度采集，采用线性电压输出，响应200～370nm间的波长，输出电压为0～1V，对应UV指数0～10，UVM-30紫外线传感器响应速度极快，低于0.5s，具备灵敏度高、抵抗可见光干扰强的优点.接单片机PA0端.烟雾监测使用MQ-2型烟雾传感器，该传感器属于二氧化锡半导体气敏材料，对液化气、丙烷、氢气等可燃性气体的检测效果理想，拥有广泛的探测范围和优异的稳定性.一旦传感器与烟雾相接触，晶粒交界处的势垒就会改变，材料的电导率因此变化，电阻降低，并根据不同的烟雾浓度输出不同的电压值.电压随浓度升高，再利用A/D转换将其转化为数字量，供单片机进行数据分析.
1.3 信息传输模块
信息传输模块包括无线收发模块与GPRS模块.使用NRF24L01模块实现无线收发功能.该模块在2.4～2.5GHzISM频段工作.低功耗1.9～3.6V间工作，提供126频道，可实现多点通信与跳频通讯，最高工作频率2Mbps，高效GFSK调制，抗干扰能力强，可自动反应并再次发射信号.使用SPI接口设定输出功率频道和协议，与单片机连接方式便捷，具有很好的适应性.GPRS通用分组无线服务技术是计算机网络上一项重要的数据传输技术，在原GSM网络的基础上叠加了支持高速分组数据的网络，可实现WAP浏览，E-mail等功能.本系统选用的SIM800A模块是一款高性能高性价比的工业级GSM/GPRS模块，支持4频GSM/GPRS，工作频段为GSM850，EGS900，DCS1800，CS1900MHz频率.GPRS数据上下行传输最大85.6kbps.本系统设计为TTL接口控制，支持3.3V/5V系统.T_TX和T_RX引脚分别与单片机上的U3_RX和U3_TX引脚相接，V_MCU选用3.3V电压.模块包含DC电源适配器输入接口，建议使用9V或12V电源输入（至少1A）.
2系统软件总体设计
2.1 系统工作流程
初始化主机和从机，检测分别搭载在主机和从机上的无线收发模块NRF24L01是否可以正常通讯.无线收发模块可以正常传输信息后，开始初始化负责环境数据采集的各项传感器.从机将传感器采集到的数据通过NRF24L01无线模块发送至主机，主机接收数据后在LCD屏上显示各项监测数值，通过SIM800模块发送环境数据至乐联网，同时将数据与设定阈值比较，若超出阈值，立即发出声光报警并发送异常数据至乐联网平台.
2.2 环境数据监测
该部分作为整个环境监测系统的核心，包括对温湿度、烟雾浓度、紫外线强度和PM2.5浓度的数据采集.系统将采集数据与阈值比较，判断社区内各项环境因素是否正常，若出现异常，系统将启动声光报警并将异常信息通过GPRS模块发送至乐联网平台；正常情况下，系统则按时发送实时环境数据.
2.3 人体感应监测
人体感应装置可选择性安装在必要地点，作为社区安全保障.当有人入侵时，HC-SR501传感器输出高电平，主机接收信号后启动声光报警，以提醒警卫室相关人员.
2.4 GPRS模块设计
通过STM32F103ZET6向SIM800输出AT指令进行相关控制.使用SIM800模块进行GPRS通信，设置指令AT+CIPSTATUS，可查询当前连接状态；指令AT+CDNSCFG，如发送：AT+CDNSCFG=1，“CMNET”，设置为GPRS连接，接入点为“CMNET”，可配置域名服务器DNS；发送数据则可以使用指令：AT+CIPSEND；建立TCP连接使用指令：AT+CIPSTART；关闭TCP连接使用指令：AT+CIPSHUT.
2.5 数据上传至乐联网
使用GPRS模块连接soft-ap，登陆乐联网指定IP地址并按照要求配置参数，配置成功后云平台会自动显示数据，用户可根据自身需求绑定微信等信息接收平台.
3 结果与分析
3.1 环境数据测量与分析
对于温湿度，本系统在室内进行测试，可准确显示传感器采集的空气温湿度数据.经多次测试，测得数据误差在±5%以内，满足实际需求.经监测，正常状态下输出电压值约为0.4V，而当烟雾浓度异常时，输出电压值均超过1V，由此设定阈值为1V，作为烟雾正常与否的判定标准.紫外线强度测量使用U-20紫外辐照度计进行校准.测试环境为正午户外，取每20min内的平均紫外线到达地面的辐射量.将本系统测量的紫外线数据与紫外辐照度计的测量值进行分析计算，得出本系统测量的相对误差在±3%之间，满足最初的设计要求.PM2.5传感器数据测量与分析，当空气质量好的时候，输出电压值在0.6V左右，而在灰尘浓度很高的情况下，输出电压不小于3.4V，电压值在0.6～3.4V之间时与灰尘浓度几乎成线性变化，得出推算公式：粉尘浓度（mg/m3）≈0.17输出电压（V）-0.1.
3.2 人体红外监测情况分析
当HC-SR501监测到距离传感器7m以内并在<100°锥角内出现人员时，向单片机输出高电平，经主机处理通过SIM800模块发送人员入侵信息，并进行声光报警.有效提高了社区安全程度.
3.3 信息采集发布形式
将采集到的环境数据绑定到社区公众号平台上，定期推送并上传至乐联网平台，供居民实时了解所在社区的环境状况.本设计将采集的信息上传至乐联网平台，发布形式为：“当前温度：25℃；湿度：50%；火警：无；外人入侵：无；紫外线强度：87mW/m2；PM2.5：43μg/m3.系统设置每2h向用户发送当前的环境监测数据，如果检测到数据异常，则立即发送异常的数据，由乐联网平台提示用户并报告相应的位置信息.
4 结束语
设计实现了一种智能的社区环境监测系统，详细阐述了系统核心模块的实现原理，该系统将单片机与多种传感器系统结合起来，可以实时监测人们的生活环境，满足现代化智慧社区的需求.经实验验证，本系统智能化程度高、性能稳定、数据传输可靠、通信方式灵活、成本低，具有广泛的推广使用价值.
参考文献：
[1]潘大伟，李翔.基于多平台的智能社区信息化系统集成的研究[J].信息与电脑（理论版），2015（5）：58-59.
[2]蒙海涛，张骥，易晓娟，等.物联网技术在环境监测中的应用[J].环境科学与管理，2013（1）：10-12.