李駿慧，陶華，俞哲偉，宋軍

（南京林業(yè)大學 信息學院，南京 210037）

宋軍（講師），主要從事嵌入式方面的教學和科研。

引 言

隨著信息技術的發(fā)展，物聯(lián)網（Internet of Things，IOT）得到了越來越多的企業(yè)和學者的重視［1－2］。盡管對物聯(lián)網的確切定義還頗有爭議，但有一點可以肯定，那就是物聯(lián)網必將進一步提升信息社會的智能化水平［3－4］。同樣，在森林環(huán)境乃至生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測中，物聯(lián)網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的煙霧濃度等數(shù)據，本文基于Cortex－M3處理器［5］設計了生態(tài)數(shù)據采集分站，并將采集的數(shù)據用本地LCD液晶顯示，同時采用無線模塊傳送給數(shù)據中心主站。程序開發(fā)在嵌入式操作系統(tǒng)μC／OS－II的基礎上分模塊進行，不僅保證了良好的擴展性，也提高了開發(fā)效率。

1 系統(tǒng)硬件設計

1.1 系統(tǒng)總體結構

數(shù)據分站以LM3S811處理器為核心，并引入了與森林生態(tài)監(jiān)測相關的多種傳感器，單總線數(shù)字式溫濕度復合型傳感器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處理器實時采集傳感器信息，經處理后通過SPI接口的無線模塊nRF905發(fā)送給數(shù)據主站服務器。同時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），需聲光報警。系統(tǒng)總體結構框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結構框圖

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數(shù)字信號輸出的溫濕度復合單總線傳感器。它應用專用的數(shù)字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產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，信號傳輸距離可達20m以上，適用于環(huán)境監(jiān)測的應用。DHT11簡要說明如表1所列。

表1 DHT11簡要說明

DHT11除電源和地線外，只有1條數(shù)據線，在與CPU接口時，數(shù)據線需用5kΩ上拉電阻。DHT11與CPU的接口示意圖如圖2所示。在本設計中，采用LM3S811的PB0模擬單總線采集溫濕度傳感器的數(shù)據。

DHT11的供電電壓為3～5.5V，這里采用直流5V電壓供電。傳感器上電后，要等待1s以越過不穩(wěn)定狀態(tài)。

數(shù)據線DATA與LM3S811的通信和同步，采用單總線數(shù)據格式。一次通信時間4ms左右。一次完整的數(shù)據傳輸為40位，高位先出。數(shù)據分小數(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＋8位濕度小數(shù)數(shù)據＋8位溫度整數(shù)數(shù)據＋8位溫度小數(shù)數(shù)據＋8位校驗和數(shù)據傳送正確時校驗和數(shù)據等于“8位濕度整數(shù)數(shù)據＋8位濕度小數(shù)數(shù)據＋8位溫度整數(shù)數(shù)據＋8位溫度小數(shù)數(shù)據”所得結果的末 8位。

LM3S811發(fā)送一次開始信號后，DHT11從低功耗模式轉換到高速模式，等待主機開始信號結束后，DHT11發(fā)送響應信號，送出40位的數(shù)據，并觸發(fā)一次信號采集，LM3S811可選擇讀取部分數(shù)據。從模式下，DHT11接收到LM3S811的開始信號后觸發(fā)一次溫濕度采集，如果沒有接收到主機發(fā)送開始信號，DHT11不會主動進行溫濕度采集。DHT11與LM3S811的接口時序如圖3所示。

圖2 DHT11與CPU的接口示意圖

圖3 DHT11與LM3S811的接口時序

1.2.2 煙霧傳感器 MQ－2

MQ－2煙霧傳感器基于電化學原理，可用于可燃性氣體的檢測，這在林場防火應用中尤為重要。

MQ－2加電預熱后（供電電壓標稱＋5V），當 MQ－2接觸到可燃性氣體時，其A－B極間等效的電阻阻值降低，為取出信號，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，設計中采用高輸入阻抗的CMOS運放TLC272對傳感器的輸出電壓進行跟隨和放大，得到輸出電壓Vout。

MQ－2煙霧傳感器原理圖如圖4所示。

圖4 MQ－2傳感器原理圖

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，即加電預熱后，A－B極間等效為電池（典型電壓為300mV）。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1pA），這就要求運放的輸入阻抗需要達到1012Ω。該系統(tǒng)中，采用TI公司高性能運放TLC272對該電壓進行跟隨和放大（如圖5所示），以提高系統(tǒng)靈敏度。

圖5 MG－811傳感器原理圖

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，具有檢測分辨率高、測量范圍廣（1～65 535lx）的優(yōu)點，而且其輸出接近人眼對光譜的反應。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，BH1710FVC的從地址分別為0x5C和0x43。BH1710FVC的接口電路如圖6所示。

圖6 BH1710FVC的接口電路

1.2.5 無線射頻模塊nRF905

nRF905模塊是一款工作在433MHz頻率下的低功耗、遠距離無線收發(fā)模塊。它內部集成了SPI接口，可方便地實現(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)的可靠設計提供了方便。其多種工作模式也給系統(tǒng)的低功耗設計帶來了便利。nRF905模塊的工作模式如表2所列。

圖7 nRF905模塊與LM3S811的接口電路

表2 nRF905模塊的工作模式

2 系統(tǒng)軟件設計

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)網數(shù)據分站的應用程序。仿真器為Techshine公司的J－Link。

程序的主要功能包括2部分：

①采集DHT11數(shù)字溫濕度傳感器的數(shù)據和BH1710FVC光照亮度傳感器數(shù)據，同時通過A／D轉換器采集MQ－2和MG－811傳感器的數(shù)據。

②將采集的數(shù)據打包添加分站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實時本地顯示各傳感器的數(shù)據，若數(shù)據異常，給出蜂鳴和LED閃爍報警。主程序流程如圖8所示。

圖8 主程序流程

3 系統(tǒng)測試

本次設計的某些方案已經成功應用于南京林業(yè)大學－紫金山環(huán)境監(jiān)測物聯(lián)網的測試系統(tǒng)中。圖9為南林物聯(lián)網應用截圖。

圖9 南林物聯(lián)網應用截圖

由于MQ－2和MG－811傳感器都需要預熱才能準確檢測，因此系統(tǒng)需加電預熱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)據也明顯上升。這些測試符合傳感器的特性說明。

［1］何立民.物聯(lián)網時代的嵌入式系統(tǒng)機遇［J］.單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2011（3）.

［2］沈蘇彬，范曲立，宗平，等.物聯(lián)網的體系結構和相關技術研究［J］.南京郵電大學學報：自然科學版，2009，29（6）.

［3］何立民.從嵌入式系統(tǒng)視角看物聯(lián)網［J］.單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2010（10）.

［4］宋軍，王一雄，徐鋒.物聯(lián)網驅動下的嵌入式系統(tǒng)教學改革［J］.單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2011（4）.

［5］陳偉，林訓超.Cortex時代的ARM教學應用探討［J］.單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2010（5）.