遠(yuǎn)程大氣環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

袁秋鳳

（寧德師范學(xué)院 信息與機(jī)電工程學(xué)院，福建 寧德 352100）

由于能源消耗結(jié)構(gòu)的不合理，機(jī)動(dòng)車尾氣排放和城市擴(kuò)張性建筑揚(yáng)塵等[1]，造成我國(guó)大部分城市近幾年來(lái)霧霾天氣持續(xù)出現(xiàn)，大氣環(huán)境這一直接影響身體健康的外部因素也日益受到人們的重視.本文設(shè)計(jì)了一個(gè)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)溫濕度、光照強(qiáng)度和灰塵濃度這些重要大氣環(huán)境參數(shù)的連續(xù)采集和實(shí)時(shí)傳輸，既能作為大氣環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的一種手段，也能為人們的生產(chǎn)生活以及污染防治提供預(yù)警信息.

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

遠(yuǎn)程大氣環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由上、下位機(jī)組成，如圖1所示.下位機(jī)負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程大氣環(huán)境數(shù)據(jù)的采集、顯示和傳輸，由主控制器、傳感器電路、顯示電路、WiFi通信接口電路和電源電路組成；上位機(jī)負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)的顯示、分析和存儲(chǔ)，由計(jì)算機(jī)和監(jiān)測(cè)軟件組成.上下位機(jī)之間的無(wú)線通信鏈路依托于3G網(wǎng)絡(luò)、Internet和WiFi局域網(wǎng).

圖1 系統(tǒng)組成框圖

2 下位機(jī)硬件設(shè)計(jì)

下位機(jī)主要由主控電路、傳感器電路、液晶顯示電路和WiFi通信接口電路組成，如圖2所示.

主控制器采用8位高性能單片機(jī)stc12c5a60s2，它不僅工作速度快、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)，還自帶大容量的RAM和ROM、串口、定時(shí)器、ADC、PWM等片內(nèi)硬件資源，將復(fù)雜外圍電路內(nèi)裝化，極大地簡(jiǎn)化了單片機(jī)系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì).圖2中的單片機(jī)最小系統(tǒng)電路，主要由內(nèi)部時(shí)鐘電路、手動(dòng)復(fù)位電路組成.

傳感器電路在單片機(jī)的控制下，實(shí)現(xiàn)環(huán)境中溫濕度、光照強(qiáng)度和灰塵濃度的采集.溫濕度傳感器采用單總線結(jié)構(gòu)已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的dht11，其體積小、功耗低、響應(yīng)快、可靠性高，可以應(yīng)用到苛刻的環(huán)境中[2].圖2中P3的引腳2為串行數(shù)據(jù)輸出線.光強(qiáng)傳感器采用TMB封裝、I2C接口（或SMBus接口）、16位數(shù)字量輸出的TSL2561，它速度快、功耗低、量程寬，通過(guò)對(duì)其內(nèi)部的16個(gè)寄存器和1個(gè)命令寄存器的編程和內(nèi)容讀取，能夠設(shè)置不同的控制功能和獲取不同精度的AD轉(zhuǎn)換結(jié)果.本設(shè)計(jì)利用單片機(jī)的P2.2和P2.3引腳軟件模擬I2C的時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸.圖2中P5的引腳1接3.3V直流電源，引腳2決定器件訪問(wèn)地址，該引腳懸空表示TSL2561的地址為0111001.灰塵濃度檢測(cè)傳感器采用內(nèi)部集成MCU的GP2Y1051AU0F，它利用微小顆粒物對(duì)光的散射和光敏原理，可實(shí)現(xiàn)直徑為10μm以下的顆粒（PM10）的檢測(cè)，電路接線簡(jiǎn)單，僅需GND、VCC和TXD三根引腳接線即可工作，其中TXD引腳每10ms發(fā)送一次灰塵濃度脈沖信號(hào).

圖2 下位機(jī)硬件電路

顯示電路使用點(diǎn)陣液晶模塊LCD12864，分四行分別顯示濕度、溫度、灰塵濃度和光照強(qiáng)度.

通信接口電路采用集成MCU的串口轉(zhuǎn)WiFi模塊ESP8266，該WiFi模塊支持AT和IOT兩種開發(fā)模式，允許用戶自己編寫ROM進(jìn)行二次開發(fā)，可設(shè)置STATION、AP、AP+STATION三種工作模式，具有價(jià)格低、體積小、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，是一款在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的WiFi模塊.圖2中ESP8266的引腳 8（TX）、4（RX）和單片機(jī)的 TXD、RXD 引腳交叉連接，引腳VCC接3.3V直流電源.

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件包括下位機(jī)單片機(jī)控制程序和上位機(jī)計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)軟件兩部分，分別采用C51和LabVIEW編程.

3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)程序執(zhí)行流程如圖3所示，系統(tǒng)初始化分別完成串口1、串口2、T0、T1和液晶的初始化操作，其中串口1用于實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的WiFi透?jìng)鳎ㄌ芈蕿?600b/s，串口2用于傳輸灰塵濃度，波特率固定為2400b/s，T0用于定時(shí)30s，串口1采用T1作為波特率發(fā)生器，串口2采用獨(dú)立波特率發(fā)生器.

圖3 下位機(jī)程序流程圖

本設(shè)計(jì)采用WiFi透?jìng)髂Ｊ綄?shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程現(xiàn)場(chǎng)和監(jiān)測(cè)中心兩個(gè)局域網(wǎng)間的數(shù)據(jù)傳輸.監(jiān)測(cè)中心的計(jì)算機(jī)應(yīng)有固定公網(wǎng)IP或設(shè)置內(nèi)網(wǎng)穿透功能，在遠(yuǎn)程現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)手機(jī)創(chuàng)建WiFi熱點(diǎn)作為無(wú)線路由器（也可將無(wú)線聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)作為WiFi熱點(diǎn)），ESP8266連接至該WiFi熱點(diǎn)，通過(guò)TCP方式發(fā)送數(shù)據(jù)給監(jiān)測(cè)中心的計(jì)算機(jī).使用到的AT指令及功能如表1所示：

表1 AT指令及功能說(shuō)明

dth11溫濕度傳感器輸出的數(shù)據(jù)為5字節(jié)，按照先后順序分別是濕度整數(shù)、濕度小數(shù)、溫度整數(shù)、溫度小數(shù)和校驗(yàn)和，各占1字節(jié)，數(shù)據(jù)位0或1都是以50μs低電平開始，后續(xù)高電平為26～28μs表示數(shù)據(jù)位0，后續(xù)高電平為70μs表示數(shù)據(jù)位1.

GP2Y1051AU0F的TXD引腳發(fā)送的數(shù)據(jù)幀為7字節(jié)，包括起始字節(jié)（0xaa）、輸出電壓高低字節(jié)（VoutH、VoutL）、參考電壓高低字節(jié)（VrefH、VrefL）、校驗(yàn)字節(jié)和結(jié)束字節(jié)（0xff），其中校驗(yàn)字節(jié)=VoutH+VoutL+VrefH+VrefL.灰塵濃度Ud與輸出電壓之間滿足關(guān)系：Ud=K×(VoutH×256+VoutL)×2.5/1024，其中濃度系數(shù)K的取值可根據(jù)輸出電壓的范圍做調(diào)整.

TSL2561初始為掉電狀態(tài)，通過(guò)給內(nèi)部控制寄存器寫命令03H使其上電，同時(shí)內(nèi)部的兩個(gè)ADC通道ch0和ch1啟動(dòng)默認(rèn)為400ms的積分轉(zhuǎn)換過(guò)程，轉(zhuǎn)換結(jié)果分別保存在DATA0和DATA1的兩個(gè)16位數(shù)據(jù)寄存器中.采用I2C總線協(xié)議對(duì)TSL2561進(jìn)行讀操作，如圖4所示，對(duì)TSL2561的一次讀操作僅讀取一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù).

圖4 I2C協(xié)議讀字節(jié)操作流程

根據(jù)表達(dá)式Channe10=256×Data0High+Data0Low可分別計(jì)算出兩個(gè)通道的AD轉(zhuǎn)換值.再按照以下公式，可計(jì)算出光照強(qiáng)度值Lux（單位流明）.

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件在NI公司的圖形化編程環(huán)境Lab-VIEW中開發(fā)，LabVIEW目前已更新至2018版，利用Lab-VIEW多樣化的工具包設(shè)計(jì)出的人機(jī)界面，可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化、測(cè)試測(cè)量、嵌入式應(yīng)用、運(yùn)動(dòng)控制、圖像處理、計(jì)算機(jī)仿真、FPGA等不同技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用需求[3].上位機(jī)軟件采用生產(chǎn)者——消費(fèi)者程序設(shè)計(jì)模式，基于TCP通信協(xié)議，用兩個(gè)隊(duì)列分別存放事件類型和采集數(shù)據(jù)，以波形圖表和數(shù)值顯示控件兩種方式同時(shí)顯示實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)值，用電子表格方式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，便于后續(xù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理.用戶界面如圖5所示，圖中為實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù).

圖5 上位機(jī)用戶界面

4 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)的大氣環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用WiFi技術(shù)，能通過(guò)共享3G網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量，與Internet無(wú)縫連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的自動(dòng)連續(xù)傳輸，系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定、傳輸距離廣等優(yōu)點(diǎn)，不僅適用于遠(yuǎn)程野外的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)，也同樣適用于室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè).用戶還可以對(duì)系統(tǒng)軟硬件進(jìn)行擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)對(duì)臭氧、二氧化硫等其他大氣環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測(cè).