環境監測領域的計算機硬件組成分析

李超然

（韓山師范學院 計算機與信息工程學院，廣東 潮州 521041）

環境監測領域的計算機硬件組成分析

李超然

（韓山師范學院 計算機與信息工程學院，廣東 潮州 521041）

本文通過研究環境監測系統需要實現的功能，分析出環境監測系統的計算機硬件組成，羅列出一系列環境監測領域中需要應用的硬件類型，包括傳感器、微型處理器和傳輸天線、供電電源等.分析結果表明：環境監測系統需要采用的硬件具備高精度，寬感應范圍、傳輸穩定等特性.傳感器、微型處理器、傳輸天線的精度范圍越高，環境監測系統的監測性能越好.上述結論也為今后環境監測系統的研究與設計提供了一定的硬件基礎和準備.

環境監測；傳感器；微型處理器；天線

1 引言

近年來，互聯網技術的快速發展，使得計算機在社會的各行各業都有著非常廣泛的應用.由互聯網衍生而來的“物聯網”概念也在日益地發展壯大.物聯網（Internet of Thing）旨在建立一個物物相連的信息物理系統，這也就要求計算機不僅要在軟件領域不斷發展，也需要在計算機底層硬件領域不斷完善，才能夠實現物體與物體的廣泛連接.

單片機，即大眾熟知的微型處理器，作為計算機硬件的重要組成部分，正朝著CMOS化，低功耗，小體積，大容量，高性能，低價格和外圍電路的內裝化等幾個方面發展.[1]近幾年，由于CMOS技術的進步，大大地促進了單片機的CMOS化，尤其是IIC，API等串行總線的引入，使單片機的引腳設計逐步減少，其結構更加簡化，更加適用于當前的各類物聯網系統[2].

在環境監測領域建立感知大氣環境的系統，正是物聯網在環境氣象領域的一種熱門應用.環境監測系統旨在將各類帶有感知數據功能的芯片集成在單片機中，開發出一個集合各種數據感知、數據監測功能的單片機電路.

2 環境需要監測的硬件組成

氣象環境需要監測的參數眾多，溫度、濕度、氣壓、風速、風向等[3].因此，針對每一個需要監測的參數，去設置對應的傳感器芯片，是環境監測系統的基本組成方式.基礎的環境監測系統需要具備感知溫度、濕度和氣壓的功能，因此，可以得出：對于環境監測系統，其基本硬件組成為溫度傳感器、濕度傳感器、氣壓傳感器.本文只針對三大基本參數溫度、濕度和氣壓加以分析，得出以下結論：

（1）監測溫度.監測溫度需要用到的硬件芯片為溫度傳感器，常規溫度傳感器監測溫度范圍為-10攝氏度100攝氏度，精度僅精確到小數點后兩位，未能考慮到極端天氣條件和數據測量誤差的問題.因此在環境監測系統中，應當選擇溫度感應范圍在-100攝氏度200攝氏度，精度精確到千分之一的溫度傳感器.

（2）監測濕度.監測濕度需要用到的硬件芯片為濕度傳感器，需要選擇對濕度敏感度高，且精度精確到千分之一的濕度傳感器.

（3）監測氣壓.監測氣壓需要采用的硬件芯片為氣壓傳感器，需要選擇氣壓感應范圍廣在300千帕-1000千帕，且精度較高的氣壓傳感器.

（4）系統集成后，需要采用微型處理器作為數據存儲和處理的計算單元，必須采用運行穩定的微型處理器.

（5）傳感器監測數據后，數據需要傳輸至計算機進行分析，因此需要傳輸天線，應當選擇傳輸距離較長且傳輸穩定的天線.

（6）系統運行過程中，需要電力系統的支持，由于物聯網系統的可移動特性，本文應當選擇鋰電池作為系統的電力供應，滿足系統的長時間運行的同時，也滿足了系統的輕便性和可移動性[4].

3 硬件參數分析

基于上一節的分析結論，氣象監測系統需要采用高精度，傳輸穩定且感應范圍廣的硬件芯片.因此，本文根據要求分析列舉了如下硬件芯片：

（1）溫度傳感器“TMP36”（如圖1）

選擇該溫度傳感器是源于其以下特點：

(a)低功耗

(b)簡單的模擬到數字信號的轉換

（c）精確讀數為小數點后三位

（d）感應范圍：-100攝氏度至200攝氏度

（2）濕度傳感器“HIH-4030系列”（如圖2）

圖2 HIH-4030系列

選擇該濕度傳感器是源于其以下特點：

(a)快速的響應時間

(b)低功耗

(c)精確讀數為小數點后三位

(d)穩定，低漂移性能

（3）氣壓傳感器“BMP085”（如圖3）

圖3 BMP085

選擇該氣壓傳感器是源于其以下特點：

(a)測量范圍為300-1100kPA.(海拔9000米)

(b)低功耗

(4)微型處理器“Arduino Uno R3”（如圖4）

圖4 Arduino Uno R3

選擇Arduino UNO R3作為本次設計的微控制器，是源于其以下特點[5]：

(a)輸入電壓-12V

(b)6個模擬輸入

(c)可實現在C語言環境下的程序編寫

另外，Arduino Uno R3單片機的其他一些關鍵參數入下表所示：

表1 單片機Arduino Uno參數表

(5)天線“X-bee Pro 900”（如圖5）

圖5 X-bee Pro 900

“X-bee Pro900”天線的一些主要參數：

(a)3.3V@210毫安

(b)156Kbps的RF數據傳輸速率

(c)50毫瓦輸出功率（+17dBm）的

(d)傳輸距離6英里（10公里），高增益天線與射頻LOS

(e)點對點，點對多點網絡的低延遲應用的理想選擇

(f)支持大型，密集網絡

(g)128位AES加密

(h)傳輸過程失真率低

(6)為了傳輸過程中的穩定，需要采用天線安裝裝置將天線封裝起來[6]，天線安裝裝置“X-bee Shield”如圖6所示.

圖6 X-bee Shield

該裝置也可作為連接天線與微處理器的橋梁.

(7)天線安裝裝置的連接裝置“X-bee Explorer USB”（如圖7）

圖7 X-bee Explorer USB

該裝置用于將所有傳感器和天線的發送端全部連接于微型處理器上.

(8)電力供應“9V鋰電池”（如圖8）

圖8 9V鋰電池

用9V鋰電池作為本次設計的電力供應系統是源于其一下特點[7]：

(a)節能省電，可持續供電

(b)電壓系數足以支持整個電路

(c)供電電壓穩定

上述所選硬件均符合環境監測系統對硬件的精度要求、感應范圍要求、傳輸穩定性要求，

可以成為環境監測系統的硬件篩選目標.

4 結束語

本文分析了環境監測系統的硬件組成，研究了環境監測系統所需要采用的基本硬件芯片類型，同時詳細分析了各類所需硬件的參數和特性，為環境監測領域未來搭建各類環境監測系統提供了一定的硬件支持，打下了扎實的硬件基礎，具有一定的實踐應用意義.未來針對環境監測領域，應當著重就如何搭建更高效、更精準和更便捷的環境監測系統進行研究[8].

〔1〕馮仲科，游曉斌，任誼群.基于3S技術的森林資源與環境監測系統構想[J].北京林業大學學報，2001,23(4):90-92.

〔2〕王謙，孫忠富，李秀紅，張洪濤，王迎春.基于嵌入式系統的農業環境監測系統的設計[J].微計算機信息，2006,22 (23):38-40.

〔3〕曹元軍，王新忠，楊建全.基于無線傳感器網絡的農田氣象監測系統[J].農機化研究，2008(12):163-165.

〔4〕呂立新，汪偉，卜天然.基于無線傳感器網絡的精準農業環境監測系統設計[J].計算機系統應用，2009,18(8):5-9.

〔5〕李廣第，朱月秀，王秀山.單片機基礎[M].北京航空航天大學出版社,2001.

〔6〕白明，趙鑫.基于單總線技術的分布式環境監控系統硬件設計[J].現代電子技術，2006,29(17):106-108.

〔7〕劉婷.室內環境監測系統的硬件設計[J].重慶與世界：學術版，2012(6):60-61.

〔8〕李波.智慧生態環境監測數據服務端硬件架構設計與實現[J].信息與電腦：理論版，2014(12):4-4.

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