楊學(xué)存， 薛 方

(西安科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，西安 710054)

0 引 言

環(huán)境監(jiān)測是人們?nèi)粘Ｓ龅降淖钇毡榈膯栴}之一[1-3]。比如，煤礦石油開采現(xiàn)場、大型存儲倉庫、金屬冶煉現(xiàn)場、大型數(shù)據(jù)處理中心等都需要對環(huán)境進行嚴格的把控，對現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集和分析，可以及時發(fā)現(xiàn)環(huán)境中的不安全因素，并作出未雨綢繆的措施，從而及時消除危險因素，避免安全事故的發(fā)生。本文運用現(xiàn)代信息技術(shù)、監(jiān)測技術(shù)、控制技術(shù)等設(shè)計一個嵌入式環(huán)境監(jiān)測智能小車，對環(huán)境中的溫度、濕度、煙霧濃度等因素進行監(jiān)測，并且在終端顯示，使人能更直觀地發(fā)現(xiàn)環(huán)境中的問題，從而及時采取改善環(huán)境的措施，避免安全事故的發(fā)生。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

在環(huán)境監(jiān)測智能小車系統(tǒng)中，一方面，需要對現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)如溫度、濕度、煙霧濃度進行實時檢測，另一方面，要讓小車尋跡避障或用上位機控制。根據(jù)這些需求，最終設(shè)計的總體系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 環(huán)境監(jiān)測智能小車系統(tǒng)原理框圖

整個嵌入式環(huán)境監(jiān)測智能小車系統(tǒng)以LPC2132作為主控制器[4]。系統(tǒng)包括供電電源模塊、超聲波測距模塊、溫濕度DHT11傳感器模塊、紅外模塊、煙霧MQ-2傳感器模塊、紅外模塊、LCD12864液晶顯示模塊、直流電動機驅(qū)動模塊、ZigBee無線傳輸模塊等。這些模塊的相互協(xié)調(diào)工作，構(gòu)成整個嵌入式環(huán)境監(jiān)測智能小車系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)采用LPC2132作為主控制器[5]，系統(tǒng)主要功能包括：溫度監(jiān)控、濕度監(jiān)控、煙霧濃度監(jiān)控、電動機控制、超聲波測距避障、紅外尋跡、各個參數(shù)下位機顯示、上位機監(jiān)控并報警、上位機后臺數(shù)據(jù)查詢9項功能。

根據(jù)以上功能，本系統(tǒng)分為6個模塊：溫濕度監(jiān)測模塊、煙霧監(jiān)測模塊、超聲波避障模塊、紅外尋跡模塊、電動機驅(qū)動控制模塊、電源供電模塊、ZigBee無線通信模塊。

2.1 溫濕度采集模塊設(shè)計

DHT11專用于數(shù)字信號采集和溫濕度傳感技術(shù)，具有極高的穩(wěn)定性和可靠性[6-7]。DHT11采用的是單線串行接口，連接方便。其量程范圍：0～50 ℃， 20%～80%RH；電源電壓3.0～5.5 V；超低功耗，采用串行接口數(shù)字輸出，其實物圖如圖2所示。DHT11模塊電路原理圖如圖3所示。

2.2 煙霧模塊設(shè)計

MQ-2煙霧傳感器具有廣泛的應(yīng)用，適用于甲烷、酒精、一氧化碳、煙霧等的檢測。其工作原理如圖4所示。QM-N10的4腳輸出隨煙霧濃度變化的直流信號，被加到比較器U1A的2腳，Rp構(gòu)成比較器的門檻電壓。當(dāng)煙霧濃度較高，輸出電壓高于門檻電壓時，比較器輸出低電平(0 V)，此時LED亮報警；當(dāng)濃度降低，傳感器的輸出電壓低于門檻電壓時，比較器翻轉(zhuǎn)輸出高電平(VCC)，LED熄滅。調(diào)節(jié)Rp，可以調(diào)節(jié)比較器的門檻電壓，從而調(diào)節(jié)報警輸出的靈敏度。R1串入傳感器的加熱回路，可以保護加熱絲免受冷上電時的沖擊。

圖2 DHT11實物圖

圖3 DHT11模塊電路原理圖

圖4 MQ2工作原理圖

采用的是4引腳封裝，其實物圖如圖5所示。

圖5 煙霧模塊實物圖

2.3 超聲波測距模塊設(shè)計

HC-SR04超聲波模塊可提供2～400 cm的測距功能，精度高達3 mm，工作電壓是5 V，輸入觸發(fā)信號是10 μs的TTL脈沖，輸出回響信號是TTL電平信號，與射程成比例。該模塊主要包括超聲波發(fā)射器、接收器和控制電路[8-9]，其工作原理圖如圖6所示，實物圖如圖7所示。

圖6 HC-SR04超聲波模塊工作原理圖

圖7 超聲波模塊實物圖

2.4 紅外模塊設(shè)計

紅外模塊是一對紅外對管，發(fā)射管發(fā)出一定頻率的紅外射線，若遇到可反射光的物體，就會被接收管接收，經(jīng)調(diào)理電路處理，綠色的指示燈亮，同時數(shù)字信號輸出端會輸出一個低電平。其實物圖如圖8所示。

圖8 紅外模塊實物圖

2.5 電動機驅(qū)動模塊設(shè)計

本設(shè)計采用的是2個5 V直流電動機，驅(qū)動采用的是L9110H芯片驅(qū)動[10-11]。L9110H是為了控制和驅(qū)動電動機設(shè)計的器件，該芯片有2個TTL電平輸入，具有良好的抗干擾能力，具有正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)兩個信號輸入端。兩個輸出端能直接驅(qū)動電動機運動，輸出端具有較大的驅(qū)動能力，每個端口約能最大輸出750～800 mA的電流。因此，L9110H廣泛應(yīng)用在小車的電動機驅(qū)動、步進電動機的驅(qū)動電路上。LPC2132控制器通過輸出兩路PWM波來控制兩個電動機，通過軟件調(diào)節(jié)PWM波的占空比從而調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速，也可以通過輸出兩路不同占空比的PWM波來實現(xiàn)小車的左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)。LPC2132控制器向L9110正轉(zhuǎn)信號輸入端輸入PWM波，通過調(diào)節(jié)PWM波的占空比來控制電動機的轉(zhuǎn)速，原理如圖9所示。驅(qū)動芯片及外圍電路實物如圖10所示。

圖9 L9110驅(qū)動電路原理圖

2.6 ZigBee模塊的設(shè)計

ZigBee模塊應(yīng)用在本系統(tǒng)的無線通信部分[12-13]。該模塊是基于UART接口的全雙工無線傳輸模塊，可以工作在2.4～3.45 GHz公用頻段，該模塊采用的是TI的CC2530芯片，符合標準的IEEE802.15.4協(xié)議，該模塊可以直接與控制器的串口連接，實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸，使用簡單。其實物圖如圖11所示。

圖10 L9110驅(qū)動實物圖

圖11 ZigBee模塊實物圖

ZigBee的技術(shù)特點是：近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率。ZigBee模塊的操作方法也十分簡單，分為3個步驟。①設(shè)置波特率，本系統(tǒng)采用的位9600；②設(shè)置信號，使2個模塊在同一信道才能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸；③設(shè)置工作模式，分為點對點工作模式和廣播模式，顧名思義，點對點就是一對一傳輸，廣播模式就是一對多或者多對一傳輸。設(shè)置完這3步驟，該模塊就能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向同時收發(fā)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)主程序流程圖如圖12所示。首先要做的是對UART、AD以及顯示屏LCD12864進行初始化，然后執(zhí)行溫濕度采集子程序和煙霧濃度采集子程序進行數(shù)據(jù)采集。再檢測按鍵是否按下，如果按下則執(zhí)行紅外檢測尋跡子程序，如果沒有按下則執(zhí)行距離檢測避障子程序，即小車只能實現(xiàn)尋跡或避障一個功能。檢測完畢所有數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)通過ZigBee將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C進行顯示，同時發(fā)送給LCD12864顯示屏進行顯示。最后系統(tǒng)通過循環(huán)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控。

圖12 系統(tǒng)主程序流程圖

4 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果

嵌入式環(huán)境監(jiān)測智能小車系統(tǒng)的軟件和硬件設(shè)計完成之后，就能構(gòu)成了一個完整的系統(tǒng)。上位機監(jiān)控軟件系統(tǒng)啟動界面如圖13所示[14-15]。實時數(shù)據(jù)采集顯示界面如圖14所示，與上位機監(jiān)控界面的數(shù)據(jù)信息一致。

圖13 上位機監(jiān)控軟件系統(tǒng)界面

小車尋跡示意圖如圖15所示。當(dāng)小車在執(zhí)行尋跡程序時，小車騎著黑線按照黑色的軌跡運動。系統(tǒng)整體運行結(jié)構(gòu)圖如圖16所示。電動機驅(qū)動在開發(fā)板的下邊，超聲波在車頭，兩個紅外探頭在小車車頭兩側(cè)，DHT11傳感器和MQ-2傳感器在小車車尾，還有開發(fā)板、電源、車架、電動機和ZigBee模塊組成了整個硬件系統(tǒng)。

圖16 系統(tǒng)整體運行結(jié)構(gòu)圖

5 結(jié) 語

本文基于ZigBee的環(huán)境監(jiān)測小車實現(xiàn)了溫度、濕度和煙霧濃度的采集和報警提示。利用傳感器采集各類信息，并采用LPC2132進行數(shù)據(jù)處理，而后在LCD12864上進行顯示，并通過ZigBee無線通信，將采集到的數(shù)據(jù)上傳給上位機進行實時顯示，并將數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中，供以后分析數(shù)據(jù)使用。