基于nRF2401A的無線環境監控系統設計

倪杰等

【摘 要】基于STC15F2K61S2單片機，實現對環境監控；該系統主要由nRF2401無線模塊、SHT10溫濕度傳感器模塊、煙霧傳感器模塊等組成；SHT10溫濕度傳感器模塊和煙霧傳感器時時監控環境的變化，再經過將nRF2401無線模塊將檢測的數據傳回給單片機處理并在監控主機顯示出相應的信息，若超過設定的溫濕度值或氣體濃度，就會發出聲光報警，從而實現對環境的監控。

【關鍵詞】STC15F2K60S2 nRF2401 SHT10 煙霧傳感器

【中圖分類號】 G 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2014）07C-0190-03

隨著人們生活水平的不斷提高，人們對環境的關注越來越高，尤其是一些溫室大棚、養殖場、冷藏室等地方，能夠時時了解這些地方的環境變化尤其重要。為了解決這個問題，本系統利用無線技術、傳感器技術、單片機技術實現了環境參數（例如溫度、濕度、煙霧濃度等）的遠程實時監控，用戶可以隨時在監控主機上查詢這些地方的環境情況，不用到現場去監控，并能在監控主機上對這些地方的環境需要的參數進行設置，從而達到智能化目的。

一、系統整體設計

本系統由主機、從機和計算機終端構成，系統整體框圖如圖1所示。從機主要包括單片機模塊、無線數據接收/發送模塊、溫濕度采集、煙霧濃度采集模塊等，主要完成環境參數的采集以及控制參數（傳感數據）的接收（發送）；主機包括單片機模塊、無線數據接收/發送模塊、顯示模塊，主要完成環境參數的無線接收、控制參數的發送、顯示以及檢測異常報警等功能；計算機終端主要通過可視化軟件界面來顯示各種環境參數的變化情況、參數閥值的設置以及向主機（從機）發送控制參數等功能。

系統處于工作狀態時，從機的相關采集模塊采集現場溫度、濕度、煙霧濃度等參數，通過單片機的I/O接口將數據傳輸給單片機，單片機通過顯示模塊將參數以一定格式顯示以便用戶觀察，另外通過無線模塊將參數通過無線網絡發送到主機上。主機的無線模塊接收由從機發送過來的環境參數，并通過串口傳輸給計算機終端，在計算機終端上通過用高級程序設計語言編寫的監測軟件及時顯示出各種環境參數的變化曲線。另外還可以在監測軟件設置各種參數的閥值，系統會自動判斷參數是否超過相應的閥值以便做出相應的處理動作（如：發出報警聲音）；可以通過監測軟件向從機發出控制參數（如：啟動/停止，參數調整等）。

二、系統硬件設計

本系統采用新一代單時鐘/機器周期（1T）8051單片機作為主控制器，無線接收/發送模塊采用nRF2401A，數據采集模塊分別采用SHT10溫濕度模塊和MQ-2煙霧模塊組，顯示模塊采用帶中文字庫的液晶LCD12864。下面介紹一些主要的模塊。

（一）微處理器模塊

微處理器選擇STC15F2K60S2單片機，該單片機是新一代單時鐘/機器周期（1T）8051單片機，具有高速、低功耗及超強抗干擾等特點，指令代碼完全兼容傳統的8051單片機，但速度快8-12倍，內部集成專用復位電路，3路PWM，8路高速10位A/D轉換器，超低功耗，寬電壓，該單片機幾乎包含了設計典型測控系統所必須的全部部件，可以稱為片上系統（SOC）。

（二）無線接收/發送模塊

（三）溫濕度模塊

溫濕度的采集直接關系我們檢測環境信息的準確性，考慮到我們監控環境有可能比較惡劣，若采用傳統的首先將溫濕度信號轉換電信號，再經A/D轉換的溫度測量方法，不但硬件電路設計較為復雜，維護較為困難，且系統的可靠性不高。在本系統中采用SHT10溫濕度模塊，其主要特點為：

全量程標定，兩線數字輸出；濕度測量范圍：0～100%RH；

溫度測量范圍：-40℃～+123.8℃； 濕度測量精度：±4.5%RH；溫度測量精度：±0.5%℃；

響應時間：<8s；低功耗，可以完全放入水中。

（四）煙霧傳感器模塊

（五）電源模塊

（六）顯示模塊

該系統在主機和從機部分都有環境參數的顯示，考慮到方便和單片機連接，易于編程等方面，而且為了可以提供更加豐富的顯示信息，選擇了帶中文字庫的LCD12864液晶顯示模塊。LCD12864是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內部含有國標一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為128×64，內置8192個16×16點漢字，和128個16×8點ASCII字符集。利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構成全中文人機交互圖形界面。可以顯示8×4行16×16點陣的漢字，也可完成圖形顯示，低電壓低功耗是其又一顯著特點。

三、系統軟件設計

（一）主機和從機測控軟件設計

主機、從機系統啟動后，相關模塊進行初始化，然后主機單片機發出數據采集指令給從機，從機單片機接收到指令后，啟動相應的采集模塊進行環境參數采集。數據采集到后經過轉換送給LCD12864顯示，并同時通過nRF2401A無線模塊發送給主機部分。然后，主機也顯示出來并通過串口轉發給計算機終端。主機和從機單片機程序流程圖如圖6所示。

（二）計算機終端軟件設計

為了便于主控室觀察，計算機終端部分利用C#編制可視化的監測管理軟件，實現所測環境參數的圖形化，如圖7所示。在監測界面上，通過不同顏色的曲線實時顯示溫濕度的變化，還可以將數據保存下來，以備通過菜單中的歷史數據選項調出。另外，還可設置煙霧報警的限值。

本系統是利用無線技術設計的環境監控系統，可以用于家庭、工廠等環境參數的檢測，并通過無線模塊將參數數據傳輸到主控室的主機，以便于及時了解實際環的狀況。另外，系統搭建簡單方便、性能穩定、可靠性高，具有很強的實用性。同時可以擴展傳感器對其他環境參數進行監測。

【參考文獻】

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【作者簡介】幸 敏（1979- ），廣西水利電力職業技術學院講師，工程碩士，研究方向：電子技術。