基于物聯網的環境監測儀的設計與實現

王建勇+王小平+楊塤

摘 要：本文設計的環境監測儀是基于HOLTEK MCU作為中央微處理器，實現環境溫度、濕度、光強監測、有毒氣體等環境參數的監測，著重闡述了主控模塊的功能，串口模塊、顯示模塊、無線發射模塊的設計以及電源部分設計思想。該設計實現了主控模塊的基本功能要求，能夠較好地完成各項參數的測試指標。

關鍵詞：環境監測儀；HOLTEK MCU；測試指標

中圖分類號：TP919.1 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2014）02-0030-02

0 引 言

21世紀是科技信息的時代，物聯網技術的興起與應用對各行各業的發展帶來了新的機遇。在社會的發展過程中，由于環境的污染和破壞，自然災害不斷發生，為了保證人們的生命財產安全，開發環境監測儀的意義顯得越來越重要。基于此，本文主要對環境監測儀進行設計與實現。

1 監測儀的系統結構

本環境監測儀主要以實現溫度、濕度、光強、有毒氣體等環境參數的監測，同時為了給用戶提供更大的方便，還采用了GSM直接面向用戶手機，通過無線傳輸平臺，實現遠程監控。

以傳感器為主要的檢測部件，按照設計的程序進行檢測以達到控制、分析、計數和數據顯示等功能。借助微處理器和計算機之間的串行通信完成人機交換控制。

環境監測儀主要由數據采集模塊、主控模塊、GSM模塊、顯示模塊、電源部分、串口通信部分、晶體振蕩器部分等組成，其系統主要結構如圖1所示。

圖1 系統主要結構圖

圖1中，主控模塊采用HOLTEK MCU作為中央微處理器，整合外圍模塊，構成最小系統，最終完成一些環境參數的監測功能。

GSM模塊主要作為主控模塊的報警通道，同時也是用戶遠程控制的通道，負責信息的接收與傳送。

液晶顯示模塊用于顯示模塊工作狀態及數據，主要用于測試系統和安裝系統以及演示時使用。

傳感器模塊負責環境數據采集并傳到控制器進行處理。

2 主控模塊功能介紹

HT46RU232是8位高性能精簡指令集微處理器，專門為需要A/D轉換產品而設計，如傳感器信號輸入、低功耗、I/O使用靈活、可編程分頻器、計數器、振蕩類型選擇、多通道A/D轉換、脈寬調制功能、I2C接口、UART總線、暫停和喚醒功能，使這款微處理器可以廣泛應用于傳感器的A/D轉換、馬達控制、工業控制、消費類產品、子系統控制器等。HT46RU232的內部結構如圖2所示。

圖2 HT46RU232內部結構

HT46RU232的主要特性如下：

工作電壓：FSYS=4 MHz：2.2～5.5 V， FSYS=8 MHz：3～5.5V ；最多可有40個雙向輸入/輸出口；1個與輸入/輸出口共用引腳的外部中斷輸入 ；1個8位和2個16位可編程定時/計數器，具有溢出中斷；內置晶體和RC 振蕩電路；看門狗定時器；4 096×16 b程序存儲器 ROM ；192×8 b數據存儲器RAM；具有PFD 功能，可用于發聲；HALT 和喚醒功能可降低功耗；在VDD=5 V，系統頻率為8 MHz時，指令周期為0.5 ?s；8層硬件堆棧；8通道12位分辨率的A/D轉換器；4 通道 8 位的 PWM 輸出，與輸入/輸出口共用引腳；位操作指令查表指令，表格內容字長16 b；63條指令；指令執行時間為1或2 個指令周期；低電壓復位功能I2C總線（slave模式）；通用異步接收/發送器（UART） ；28-pin SKDIP/SOP、48-pin SSOP 封裝。

3 硬件設計

3.1 串口通信模塊設計

串口通信模塊電路采用了異步串行通信芯片MAX232，與HT46RU232的串行接口連接，通過串口傳輸數據，速度比較快，距離也較遠，能夠很好地滿足系統功能要求。電路連接架構如圖3所示。

3.2 顯示模塊設計

本環境監測儀的顯示模塊選擇的是液晶顯示，在顯示屏上可以顯示溫度、濕度、光強監測、有毒氣體等環境參數的監測結果。電路連接架構如圖4所示。

圖3 串口連接框圖 圖4 顯示屏連接圖

3.3 無線發射模塊設計

無線發射模塊采用FSK半雙工工作方式，自動過濾噪聲具有自動避讓功能，避免同頻率同時發送而干擾，類似載波偵聽，工作穩定可靠。模塊的傳輸距離與調制信號頻率及幅度、發射電壓及電池容量、發射天線、接收機的靈敏度、收發環境等有關。發射模塊設計在主板邊緣，距離周圍器件5 mm以上，使其分布參數不受影響。

3.4 電源模塊的設計

對主控板電源的分析與統計，核心控制模塊需要電壓5 V、3.3 V、1.8 V、1.5 V，標準運行模式下系統功耗為6.61 W。電源部分的設計采用二級分壓模式。為避免不同功能模塊間的相互干擾，各個模塊的二級電壓采用單獨電源模塊生成。一級電源轉換采用DC-DC模塊實現，即Emerson公司提供的ALD10F48N-L電源模塊，該模塊的輸入電源電壓為-48 V，輸出電源電壓為3.3 V，輸出電流為10 A，輸出功率高達33 W，典型轉換效率高達90%，完全能夠滿足主控板功率需求。

4 結 語

本文介紹了基于HOLTEK MCU作為中央微處理器的環境監測儀的硬件設計，著重闡述了主控模塊的功能與設計方案及電源部分設計思想。該設計實現了主控模塊的基本功能要求，并詳細考慮各種硬件需求，使系統更加穩定，便于升級。

參 考 文 獻

[1] HOLTEK HT46RU232 A/D+UART型八位單片機[R].盛群半導體有限公司.

[2] AD With LCD型單片機[R]. 盛群半導體有限公司.

[3] 李天山.基于單片機的室內環境監測儀設計與實現[J].濱州學院學報，2012（3）： 97-100.

[4] 李強，胡蘊琪，王曉君. 基于AVR單片機的無線環境監測儀設計[J]. 數字技術與應用，2012（8）：121-122.

[5] 戴安娜，陳碩. 基于生物傳感技術的新型環境污染物多指標分析儀[J].科技創新與品牌，2012（5）： 79.

Design and implementation IOT-based environmental monitoring device

WANG Jian-yong， WANG Xiao-ping， YANG Xun

（Chongqing City Management College， Chongqing 401331， China）

Abstract： The environmental monitoring device is based on HOLTEK MCU as the central microprocessor to realize the monitoring the environmental parameters of temperature， humidity， light intensity， toxic gases. The function of the main control module， serial module， display module and the design of wireless transmitter module are elaborated along with the design ideas of power unit. The design realized the basic functions of the master module， can complete the test indicator for each parameter better.

Keywords： environmental monitors； HOLTEK MCU； test indicator

摘 要：本文設計的環境監測儀是基于HOLTEK MCU作為中央微處理器，實現環境溫度、濕度、光強監測、有毒氣體等環境參數的監測，著重闡述了主控模塊的功能，串口模塊、顯示模塊、無線發射模塊的設計以及電源部分設計思想。該設計實現了主控模塊的基本功能要求，能夠較好地完成各項參數的測試指標。

關鍵詞：環境監測儀；HOLTEK MCU；測試指標

中圖分類號：TP919.1 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2014）02-0030-02

0 引 言

21世紀是科技信息的時代，物聯網技術的興起與應用對各行各業的發展帶來了新的機遇。在社會的發展過程中，由于環境的污染和破壞，自然災害不斷發生，為了保證人們的生命財產安全，開發環境監測儀的意義顯得越來越重要。基于此，本文主要對環境監測儀進行設計與實現。

1 監測儀的系統結構

本環境監測儀主要以實現溫度、濕度、光強、有毒氣體等環境參數的監測，同時為了給用戶提供更大的方便，還采用了GSM直接面向用戶手機，通過無線傳輸平臺，實現遠程監控。

以傳感器為主要的檢測部件，按照設計的程序進行檢測以達到控制、分析、計數和數據顯示等功能。借助微處理器和計算機之間的串行通信完成人機交換控制。

環境監測儀主要由數據采集模塊、主控模塊、GSM模塊、顯示模塊、電源部分、串口通信部分、晶體振蕩器部分等組成，其系統主要結構如圖1所示。

圖1 系統主要結構圖

圖1中，主控模塊采用HOLTEK MCU作為中央微處理器，整合外圍模塊，構成最小系統，最終完成一些環境參數的監測功能。

GSM模塊主要作為主控模塊的報警通道，同時也是用戶遠程控制的通道，負責信息的接收與傳送。

液晶顯示模塊用于顯示模塊工作狀態及數據，主要用于測試系統和安裝系統以及演示時使用。

傳感器模塊負責環境數據采集并傳到控制器進行處理。

2 主控模塊功能介紹

HT46RU232是8位高性能精簡指令集微處理器，專門為需要A/D轉換產品而設計，如傳感器信號輸入、低功耗、I/O使用靈活、可編程分頻器、計數器、振蕩類型選擇、多通道A/D轉換、脈寬調制功能、I2C接口、UART總線、暫停和喚醒功能，使這款微處理器可以廣泛應用于傳感器的A/D轉換、馬達控制、工業控制、消費類產品、子系統控制器等。HT46RU232的內部結構如圖2所示。

圖2 HT46RU232內部結構

HT46RU232的主要特性如下：

工作電壓：FSYS=4 MHz：2.2～5.5 V， FSYS=8 MHz：3～5.5V ；最多可有40個雙向輸入/輸出口；1個與輸入/輸出口共用引腳的外部中斷輸入 ；1個8位和2個16位可編程定時/計數器，具有溢出中斷；內置晶體和RC 振蕩電路；看門狗定時器；4 096×16 b程序存儲器 ROM ；192×8 b數據存儲器RAM；具有PFD 功能，可用于發聲；HALT 和喚醒功能可降低功耗；在VDD=5 V，系統頻率為8 MHz時，指令周期為0.5 ?s；8層硬件堆棧；8通道12位分辨率的A/D轉換器；4 通道 8 位的 PWM 輸出，與輸入/輸出口共用引腳；位操作指令查表指令，表格內容字長16 b；63條指令；指令執行時間為1或2 個指令周期；低電壓復位功能I2C總線（slave模式）；通用異步接收/發送器（UART） ；28-pin SKDIP/SOP、48-pin SSOP 封裝。

3 硬件設計

3.1 串口通信模塊設計

串口通信模塊電路采用了異步串行通信芯片MAX232，與HT46RU232的串行接口連接，通過串口傳輸數據，速度比較快，距離也較遠，能夠很好地滿足系統功能要求。電路連接架構如圖3所示。

3.2 顯示模塊設計

本環境監測儀的顯示模塊選擇的是液晶顯示，在顯示屏上可以顯示溫度、濕度、光強監測、有毒氣體等環境參數的監測結果。電路連接架構如圖4所示。

圖3 串口連接框圖 圖4 顯示屏連接圖

3.3 無線發射模塊設計

無線發射模塊采用FSK半雙工工作方式，自動過濾噪聲具有自動避讓功能，避免同頻率同時發送而干擾，類似載波偵聽，工作穩定可靠。模塊的傳輸距離與調制信號頻率及幅度、發射電壓及電池容量、發射天線、接收機的靈敏度、收發環境等有關。發射模塊設計在主板邊緣，距離周圍器件5 mm以上，使其分布參數不受影響。

3.4 電源模塊的設計

對主控板電源的分析與統計，核心控制模塊需要電壓5 V、3.3 V、1.8 V、1.5 V，標準運行模式下系統功耗為6.61 W。電源部分的設計采用二級分壓模式。為避免不同功能模塊間的相互干擾，各個模塊的二級電壓采用單獨電源模塊生成。一級電源轉換采用DC-DC模塊實現，即Emerson公司提供的ALD10F48N-L電源模塊，該模塊的輸入電源電壓為-48 V，輸出電源電壓為3.3 V，輸出電流為10 A，輸出功率高達33 W，典型轉換效率高達90%，完全能夠滿足主控板功率需求。

4 結 語

本文介紹了基于HOLTEK MCU作為中央微處理器的環境監測儀的硬件設計，著重闡述了主控模塊的功能與設計方案及電源部分設計思想。該設計實現了主控模塊的基本功能要求，并詳細考慮各種硬件需求，使系統更加穩定，便于升級。

參 考 文 獻

[1] HOLTEK HT46RU232 A/D+UART型八位單片機[R].盛群半導體有限公司.

[2] AD With LCD型單片機[R]. 盛群半導體有限公司.

[3] 李天山.基于單片機的室內環境監測儀設計與實現[J].濱州學院學報，2012（3）： 97-100.

[4] 李強，胡蘊琪，王曉君. 基于AVR單片機的無線環境監測儀設計[J]. 數字技術與應用，2012（8）：121-122.

[5] 戴安娜，陳碩. 基于生物傳感技術的新型環境污染物多指標分析儀[J].科技創新與品牌，2012（5）： 79.

Design and implementation IOT-based environmental monitoring device

WANG Jian-yong， WANG Xiao-ping， YANG Xun

（Chongqing City Management College， Chongqing 401331， China）

Abstract： The environmental monitoring device is based on HOLTEK MCU as the central microprocessor to realize the monitoring the environmental parameters of temperature， humidity， light intensity， toxic gases. The function of the main control module， serial module， display module and the design of wireless transmitter module are elaborated along with the design ideas of power unit. The design realized the basic functions of the master module， can complete the test indicator for each parameter better.

Keywords： environmental monitors； HOLTEK MCU； test indicator

摘 要：本文設計的環境監測儀是基于HOLTEK MCU作為中央微處理器，實現環境溫度、濕度、光強監測、有毒氣體等環境參數的監測，著重闡述了主控模塊的功能，串口模塊、顯示模塊、無線發射模塊的設計以及電源部分設計思想。該設計實現了主控模塊的基本功能要求，能夠較好地完成各項參數的測試指標。

關鍵詞：環境監測儀；HOLTEK MCU；測試指標

中圖分類號：TP919.1 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2014）02-0030-02

0 引 言

21世紀是科技信息的時代，物聯網技術的興起與應用對各行各業的發展帶來了新的機遇。在社會的發展過程中，由于環境的污染和破壞，自然災害不斷發生，為了保證人們的生命財產安全，開發環境監測儀的意義顯得越來越重要。基于此，本文主要對環境監測儀進行設計與實現。

1 監測儀的系統結構

本環境監測儀主要以實現溫度、濕度、光強、有毒氣體等環境參數的監測，同時為了給用戶提供更大的方便，還采用了GSM直接面向用戶手機，通過無線傳輸平臺，實現遠程監控。

以傳感器為主要的檢測部件，按照設計的程序進行檢測以達到控制、分析、計數和數據顯示等功能。借助微處理器和計算機之間的串行通信完成人機交換控制。

環境監測儀主要由數據采集模塊、主控模塊、GSM模塊、顯示模塊、電源部分、串口通信部分、晶體振蕩器部分等組成，其系統主要結構如圖1所示。

圖1 系統主要結構圖

圖1中，主控模塊采用HOLTEK MCU作為中央微處理器，整合外圍模塊，構成最小系統，最終完成一些環境參數的監測功能。

GSM模塊主要作為主控模塊的報警通道，同時也是用戶遠程控制的通道，負責信息的接收與傳送。

液晶顯示模塊用于顯示模塊工作狀態及數據，主要用于測試系統和安裝系統以及演示時使用。

傳感器模塊負責環境數據采集并傳到控制器進行處理。

2 主控模塊功能介紹

HT46RU232是8位高性能精簡指令集微處理器，專門為需要A/D轉換產品而設計，如傳感器信號輸入、低功耗、I/O使用靈活、可編程分頻器、計數器、振蕩類型選擇、多通道A/D轉換、脈寬調制功能、I2C接口、UART總線、暫停和喚醒功能，使這款微處理器可以廣泛應用于傳感器的A/D轉換、馬達控制、工業控制、消費類產品、子系統控制器等。HT46RU232的內部結構如圖2所示。

圖2 HT46RU232內部結構

HT46RU232的主要特性如下：

工作電壓：FSYS=4 MHz：2.2～5.5 V， FSYS=8 MHz：3～5.5V ；最多可有40個雙向輸入/輸出口；1個與輸入/輸出口共用引腳的外部中斷輸入 ；1個8位和2個16位可編程定時/計數器，具有溢出中斷；內置晶體和RC 振蕩電路；看門狗定時器；4 096×16 b程序存儲器 ROM ；192×8 b數據存儲器RAM；具有PFD 功能，可用于發聲；HALT 和喚醒功能可降低功耗；在VDD=5 V，系統頻率為8 MHz時，指令周期為0.5 ?s；8層硬件堆棧；8通道12位分辨率的A/D轉換器；4 通道 8 位的 PWM 輸出，與輸入/輸出口共用引腳；位操作指令查表指令，表格內容字長16 b；63條指令；指令執行時間為1或2 個指令周期；低電壓復位功能I2C總線（slave模式）；通用異步接收/發送器（UART） ；28-pin SKDIP/SOP、48-pin SSOP 封裝。

3 硬件設計

3.1 串口通信模塊設計

串口通信模塊電路采用了異步串行通信芯片MAX232，與HT46RU232的串行接口連接，通過串口傳輸數據，速度比較快，距離也較遠，能夠很好地滿足系統功能要求。電路連接架構如圖3所示。

3.2 顯示模塊設計

本環境監測儀的顯示模塊選擇的是液晶顯示，在顯示屏上可以顯示溫度、濕度、光強監測、有毒氣體等環境參數的監測結果。電路連接架構如圖4所示。

圖3 串口連接框圖 圖4 顯示屏連接圖

3.3 無線發射模塊設計

無線發射模塊采用FSK半雙工工作方式，自動過濾噪聲具有自動避讓功能，避免同頻率同時發送而干擾，類似載波偵聽，工作穩定可靠。模塊的傳輸距離與調制信號頻率及幅度、發射電壓及電池容量、發射天線、接收機的靈敏度、收發環境等有關。發射模塊設計在主板邊緣，距離周圍器件5 mm以上，使其分布參數不受影響。

3.4 電源模塊的設計

對主控板電源的分析與統計，核心控制模塊需要電壓5 V、3.3 V、1.8 V、1.5 V，標準運行模式下系統功耗為6.61 W。電源部分的設計采用二級分壓模式。為避免不同功能模塊間的相互干擾，各個模塊的二級電壓采用單獨電源模塊生成。一級電源轉換采用DC-DC模塊實現，即Emerson公司提供的ALD10F48N-L電源模塊，該模塊的輸入電源電壓為-48 V，輸出電源電壓為3.3 V，輸出電流為10 A，輸出功率高達33 W，典型轉換效率高達90%，完全能夠滿足主控板功率需求。

4 結 語

本文介紹了基于HOLTEK MCU作為中央微處理器的環境監測儀的硬件設計，著重闡述了主控模塊的功能與設計方案及電源部分設計思想。該設計實現了主控模塊的基本功能要求，并詳細考慮各種硬件需求，使系統更加穩定，便于升級。

參 考 文 獻

[1] HOLTEK HT46RU232 A/D+UART型八位單片機[R].盛群半導體有限公司.

[2] AD With LCD型單片機[R]. 盛群半導體有限公司.

[3] 李天山.基于單片機的室內環境監測儀設計與實現[J].濱州學院學報，2012（3）： 97-100.

[4] 李強，胡蘊琪，王曉君. 基于AVR單片機的無線環境監測儀設計[J]. 數字技術與應用，2012（8）：121-122.

[5] 戴安娜，陳碩. 基于生物傳感技術的新型環境污染物多指標分析儀[J].科技創新與品牌，2012（5）： 79.

Design and implementation IOT-based environmental monitoring device

WANG Jian-yong， WANG Xiao-ping， YANG Xun

（Chongqing City Management College， Chongqing 401331， China）

Abstract： The environmental monitoring device is based on HOLTEK MCU as the central microprocessor to realize the monitoring the environmental parameters of temperature， humidity， light intensity， toxic gases. The function of the main control module， serial module， display module and the design of wireless transmitter module are elaborated along with the design ideas of power unit. The design realized the basic functions of the master module， can complete the test indicator for each parameter better.

Keywords： environmental monitors； HOLTEK MCU； test indicator