環境狀態監測終端硬件設計

李蘇炫　柴夢情　張金亮

摘 要：針對當下物聯網技術快速發展，對物流運輸可靠、安全、智能監測的需求愈加強烈的現象，設計了一種基于無線傳感網絡的微環境監測終端系統。系統主要由主控數據處理模塊、電源供電模塊、外圍接口模塊、GPRS模塊、GPS模塊與液晶顯示模塊等組成，文中對主要模塊的硬件進行了詳細設計和分析。測試結果表明，該系統各硬件模塊設計合理，能夠較好地滿足功能需求。

關鍵詞：環境監測;液晶顯示;GPRS;傳感器;GPS;物聯網

中圖分類號：TP11文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）04-00-04

0 引 言

社會和經濟的快速發展及國內汽車產業的發展壯大，為貨物流通和交通運輸帶來了巨大的變化，也逐步改變了長期以來“重生產、輕流通”的思想。運輸過程中如何對貨物和產品狀態進行有效、全面的檢測逐步受到廣泛關注，對其相關技術展開深入研究也是實現安全、可靠、智能、綠色物流的關鍵所在[1]。

傳統有線傳輸監測技術往往存在成本較高、線束多、故障排查困難等缺點，而新興的物聯網技術可以很好地解決上述問題[2-3]，該技術在眾多環境監測領域也得到了廣泛應用，如室內家庭環境監測[4]、煤礦作業環境監測[5]、車載移動環境監測[6-7]等。

本文基于智能傳感、車載定位、物聯網等技術，設計了一種基于無線傳感網絡的環境監測終端系統，由各類傳感器實時、準確地采集環境數據，并對相應數據進行本地存儲，按照設定的通信協議上傳至服務中心。

1 系統總體設計

根據實際應用需求，系統實際應用場景及模塊構成如圖1所示。

系統旨在實現對車載微環境信息及數據的采集，用戶可在智能網關模塊實時查看環境的溫濕度、光照度、空氣質量、車載設備經緯度等信息，并根據預設的閾值實時判斷環境質量，對于異常及時發送提示信息，方便用戶做出決策。此外網關模塊可定時將采集的數據上傳至遠程服務器，便于后期進行數據分析與追蹤。

系統采用模塊化設計，硬件總體結構如圖2所示。系統主要包括主控數據處理模塊、電源供電模塊、外圍接口模塊、GPRS模塊、GPS模塊、傳感器網關模塊、存儲模塊、藍牙模塊與液晶顯示模塊。

2 詳細設計

2.1 電源模塊設計

系統主電源與輸入接口電路如圖3所示。電源輸入通過一個50 V/2 A的自恢復保險絲F1與一個48 V瞬態電壓抑制二極管D6進行電源反接保護和過壓保護。電源模塊U7的輸入和輸出都接入了電解電容和無極性電容進行電源去耦濾波，該電源模塊在輸入9～36 V電壓時均可輸出穩定的+5 V電壓。

系統運行的3.3 V電源電路如圖4所示，輸入和輸出同樣接入特定電容進行濾波。

2.2 LCD模塊電源驅動與接口電路

（1）LCD驅動電源與背光電路

LCD驅動電源的作用是產生驅動LCD工作的電壓。LCD需要電源驅動的三個管腳分別為AVDD，VGH，VGL。其中，AVDD需要的典型供電電壓為+10.4 V;VGH需要的典型供電電壓為+16 V;VGL需要的典型供電電壓為-7 V。根據電源的需求特性，采用MP1541DJ即U2升壓，然后利用倍壓整流和反向串聯電路產生各一路正負電源，通過16 V和6.8 V的穩壓二極管得到所需電壓。

（2）背光二極管的電壓是否可調

LCD背光二極管的電源驅動主要通過改變電壓達到改變電流的目的，這里選用EUP2584，即U3。該芯片在輸入+5 V

電壓的情況下，端口+VLED+與+VLED-之間連接背光二極管，電壓在0～27 V范圍內可調。

背光驅動電路的XEINT10端口可用來控制背光芯片是否使能，也可通過輸入0電平關閉背光電源芯片。背光驅動電路通過XPWMTOUT1端口實現核心板對背光亮度的連續調節。

LCD驅動電源與背光電路如圖5所示。

2.3 GPRS模塊電路

GPRS模塊電路主要由GPRS電源電路和GPRS模塊接口電路組成。

（1）GPRS電源電路

GPRS電源電路使用降壓型DC/DC開關電源芯片MP2359，通過設置該芯片的輸出反饋分壓電阻的分壓值使輸出電壓變為+3.8 V。芯片的使能端通過GPRS_PWR端口控制。GPRS電源電路如圖6所示。

（2）GPRS模塊接口與外圍電路

GPRS模塊選用SIM900A，其外圍接口電路主要由模塊電源濾波電路、啟動電路、SIM卡接口電路、復位電路、LED信號指示電路和串口通信電路等組成。其中，電源濾波電路由于GPRS啟動電流較大，尤其在初始化時，系統中加入的220 μF+100 μF的電容無法提供啟動電流，因此需要加入一個330 μF的電容，總容量超過500 μF為宜。

模塊啟動電路中，通過拉低PWRKEY并保持至少1 s后釋放便可以開啟模塊。同理，通過拉低PWRKEY并保持至少1 s后釋放便可以關閉模塊。PWRKEY端口在模塊內部已上拉至3 V，所以集電極開路連接到該端口即可。系統啟動后，待核心板正常工作，并給GPRS_ON端口輸入一個高電平，系統才能有效工作。

GPRS模塊接口與外圍電路如圖7所示。

2.4 GPS模塊電路

定位模塊采用U-BLOX公司設計生產的NEO-6M模塊，其外圍接口電路如圖8所示。該模塊采用3.3 V電壓供電，電源輸入端經過3個濾波電容后可提供平穩的電壓以保證模塊正常、持久工作。此外，該模塊自帶高增益有源天線，采用串口通信輸出數據，其TTL電平兼容3.3 V/5 V系統。

3 系統測試

根據硬件設計繪制系統PCB板，焊接完畢后對各模塊逐步調試，以確保硬件電路的正確性。

系統硬件測試項目主要包括電源與各模塊接口及驅動電路的測試，焊接和測試順序按照如下測試步驟進行：

（1）測試主電源電路;

（2）測試3.3 V電源;

（3）測試核心板相關電路;

（4）測試核心板外圍其他接口電路;

（5）測試LCD電源和接口電路;

（6）測試GPRS電源和接口電路;

（7）測試GPS接口電路。

測試的主要工具包括可調穩壓電源、數字萬用表、示波器、串口調試工具等。依照上述順序對主要模塊進場測試，結果統計見表1所列。

4 結 語

本文基于智能傳感、車載定位、物聯網等技術，設計了一種基于無線傳感網絡的微環境監測終端系統，并對系統的主要硬件模塊進行了詳細設計和分析，通過焊接和調試，發現系統各模塊均正常工作，滿足了預期的功能要求和設計指標。

參考文獻

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[2]童世華.基于ZigBee技術的數字化車間環境監測無線控制終端系統的設計[J].機床與液壓，2017，45（22）：176-178.

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