面向智慧社區的環境監測系統設計與實現

樊玉明

摘要：隨著環境問題的日益突出，人們對自身的生活環境有了更多的關注，但是能夠隨時查看周邊環境數據的途徑很窄，建設一個面向智慧城市的信息化智能社區便成為滿足這一訴求的方法.然而目前社會上存在的監測系統大多處于單一儀器獨立監測的狀態，監測效率低且成本較高，所以建設一個信息化程度高的環境監測系統具有很強的現實意義.

關鍵詞：智慧城市；環境監測；單片機；傳感器；信息采集

1系統硬件設計

1.1 主控制模塊

控制模塊采用STM32F103ZET6芯片，該芯片是以ARMCoretex-M3為內核搭建的RISC處理器，正常工作時可以達到72MHz頻率，片內雙RC晶振，可提供8K和32K頻率，并擁有64K片內RAM和512K片內Flash，內部資源豐富，足以實現環境監測系統的各項功能.

1.2 環境數據采集模塊

系統使用DHT11數字溫濕度傳感器采集溫濕度數據，DHT11是一款復合傳感器，含有已校準數字信號輸出.內部由NTC測溫元件和電阻式感濕元件組成，并且和一個高性能的8位單片機相連接，反應迅速、能有效抵抗干擾.該傳感器工作電壓在3～5.5V之間，可測量的濕度范圍為20%～90%RH，測量誤差為±5%RH；可測量的溫度范圍為0～50℃，測量誤差為±2℃.采用單線制串行接口，易集成、功耗低，滿足環境監測的要求.使用單總線數據傳輸格式，通過PG11端與單片機進行數據傳輸.UVM-30負責紫外線強度采集，采用線性電壓輸出，響應200～370nm間的波長，輸出電壓為0～1V，對應UV指數0～10，UVM-30紫外線傳感器響應速度極快，低于0.5s，具備靈敏度高、抵抗可見光干擾強的優點.接單片機PA0端.煙霧監測使用MQ-2型煙霧傳感器，該傳感器屬于二氧化錫半導體氣敏材料，對液化氣、丙烷、氫氣等可燃性氣體的檢測效果理想，擁有廣泛的探測范圍和優異的穩定性.一旦傳感器與煙霧相接觸，晶粒交界處的勢壘就會改變，材料的電導率因此變化，電阻降低，并根據不同的煙霧濃度輸出不同的電壓值.電壓隨濃度升高，再利用A/D轉換將其轉化為數字量，供單片機進行數據分析.

1.3 信息傳輸模塊

信息傳輸模塊包括無線收發模塊與GPRS模塊.使用NRF24L01模塊實現無線收發功能.該模塊在2.4～2.5GHzISM頻段工作.低功耗1.9～3.6V間工作，提供126頻道，可實現多點通信與跳頻通訊，最高工作頻率2Mbps，高效GFSK調制，抗干擾能力強，可自動反應并再次發射信號.使用SPI接口設定輸出功率頻道和協議，與單片機連接方式便捷，具有很好的適應性.GPRS通用分組無線服務技術是計算機網絡上一項重要的數據傳輸技術，在原GSM網絡的基礎上疊加了支持高速分組數據的網絡，可實現WAP瀏覽，E-mail等功能.本系統選用的SIM800A模塊是一款高性能高性價比的工業級GSM/GPRS模塊，支持4頻GSM/GPRS，工作頻段為GSM850，EGS900，DCS1800，CS1900MHz頻率.GPRS數據上下行傳輸最大85.6kbps.本系統設計為TTL接口控制，支持3.3V/5V系統.T_TX和T_RX引腳分別與單片機上的U3_RX和U3_TX引腳相接，V_MCU選用3.3V電壓.模塊包含DC電源適配器輸入接口，建議使用9V或12V電源輸入（至少1A）.

2系統軟件總體設計

2.1 系統工作流程

初始化主機和從機，檢測分別搭載在主機和從機上的無線收發模塊NRF24L01是否可以正常通訊.無線收發模塊可以正常傳輸信息后，開始初始化負責環境數據采集的各項傳感器.從機將傳感器采集到的數據通過NRF24L01無線模塊發送至主機，主機接收數據后在LCD屏上顯示各項監測數值，通過SIM800模塊發送環境數據至樂聯網，同時將數據與設定閾值比較，若超出閾值，立即發出聲光報警并發送異常數據至樂聯網平臺.

2.2 環境數據監測

該部分作為整個環境監測系統的核心，包括對溫濕度、煙霧濃度、紫外線強度和PM2.5濃度的數據采集.系統將采集數據與閾值比較，判斷社區內各項環境因素是否正常，若出現異常，系統將啟動聲光報警并將異常信息通過GPRS模塊發送至樂聯網平臺；正常情況下，系統則按時發送實時環境數據.

2.3 人體感應監測

人體感應裝置可選擇性安裝在必要地點，作為社區安全保障.當有人入侵時，HC-SR501傳感器輸出高電平，主機接收信號后啟動聲光報警，以提醒警衛室相關人員.

2.4 GPRS模塊設計

通過STM32F103ZET6向SIM800輸出AT指令進行相關控制.使用SIM800模塊進行GPRS通信，設置指令AT+CIPSTATUS，可查詢當前連接狀態；指令AT+CDNSCFG，如發送：AT+CDNSCFG=1，“CMNET”，設置為GPRS連接，接入點為“CMNET”，可配置域名服務器DNS；發送數據則可以使用指令：AT+CIPSEND；建立TCP連接使用指令：AT+CIPSTART；關閉TCP連接使用指令：AT+CIPSHUT.

2.5 數據上傳至樂聯網

使用GPRS模塊連接soft-ap，登陸樂聯網指定IP地址并按照要求配置參數，配置成功后云平臺會自動顯示數據，用戶可根據自身需求綁定微信等信息接收平臺.

3 結果與分析

3.1 環境數據測量與分析

對于溫濕度，本系統在室內進行測試，可準確顯示傳感器采集的空氣溫濕度數據.經多次測試，測得數據誤差在±5%以內，滿足實際需求.經監測，正常狀態下輸出電壓值約為0.4V，而當煙霧濃度異常時，輸出電壓值均超過1V，由此設定閾值為1V，作為煙霧正常與否的判定標準.紫外線強度測量使用U-20紫外輻照度計進行校準.測試環境為正午戶外，取每20min內的平均紫外線到達地面的輻射量.將本系統測量的紫外線數據與紫外輻照度計的測量值進行分析計算，得出本系統測量的相對誤差在±3%之間，滿足最初的設計要求.PM2.5傳感器數據測量與分析，當空氣質量好的時候，輸出電壓值在0.6V左右，而在灰塵濃度很高的情況下，輸出電壓不小于3.4V，電壓值在0.6～3.4V之間時與灰塵濃度幾乎成線性變化，得出推算公式：粉塵濃度（mg/m3）≈0.17輸出電壓（V）-0.1.

3.2 人體紅外監測情況分析

當HC-SR501監測到距離傳感器7m以內并在<100°錐角內出現人員時，向單片機輸出高電平，經主機處理通過SIM800模塊發送人員入侵信息，并進行聲光報警.有效提高了社區安全程度.

3.3 信息采集發布形式

將采集到的環境數據綁定到社區公眾號平臺上，定期推送并上傳至樂聯網平臺，供居民實時了解所在社區的環境狀況.本設計將采集的信息上傳至樂聯網平臺，發布形式為：“當前溫度：25℃；濕度：50%；火警：無；外人入侵：無；紫外線強度：87mW/m2；PM2.5：43μg/m3.系統設置每2h向用戶發送當前的環境監測數據，如果檢測到數據異常，則立即發送異常的數據，由樂聯網平臺提示用戶并報告相應的位置信息.

4 結束語

設計實現了一種智能的社區環境監測系統，詳細闡述了系統核心模塊的實現原理，該系統將單片機與多種傳感器系統結合起來，可以實時監測人們的生活環境，滿足現代化智慧社區的需求.經實驗驗證，本系統智能化程度高、性能穩定、數據傳輸可靠、通信方式靈活、成本低，具有廣泛的推廣使用價值.

參考文獻：

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[2]蒙海濤，張驥，易曉娟，等.物聯網技術在環境監測中的應用[J].環境科學與管理，2013（1）：10-12.