Cortex-M3的生態物聯網數據采集分站設計

　　引言
　　
　　隨著信息技術的發展，物聯網(InternetofThings，IOT)得到了越來越多的企業和學者的重視。盡管對物聯網的確切定義還頗有爭議，但有一點可以肯定，那就是物聯網必將進一步提升信息社會的智能化水平。同樣，在森林環境乃至生態系統監測中，物聯網也為人們提供了更多的選擇。
　　
　　針對森林生態監測中所關心的溫度、濕度、CO2濃度、環境光照以及與森林防火息息相關的煙霧濃度等數據，本文基于Cortex-M3處理器設計了生態數據采集分站，并將采集的數據用本地LCD液晶顯示，同時采用無線模塊傳送給數據中心主站。程序開發在嵌入式操作系統μC／OS-II的基礎上分模塊進行，不僅保證了良好的擴展性，也提高了開發效率。
　　
　　1、系統硬件設計
　　
　　1．1系統總體結構
　　
　　數據分站以LM3S811處理器為核心，并引入了與森林生態監測相關的多種傳感器，單總線數字式溫濕度復合型傳感器DHT11、I2C總線接口的環境光亮度傳感器BH1710FVC、電壓輸出型煙霧傳感器MQ-2和CO2傳感器MG-811。通過Cortex-M3處理器實時采集傳感器信息，經處理后通過SPI接口的無線模塊nRF905發送給數據主站服務器。同時將采集的傳感器信息通過本地LCD顯示。若采集的傳感器信息異常(如煙霧濃度過高)，需聲光報警。系統總體結構框圖如圖1所示。　　
　　1．2系統模塊組成
　　
　　1．2．1溫濕度傳感器DHT11
　　
　　DHT11數字溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合單總線傳感器。它應用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產品的可靠性與長期穩定性。單線制串行接口，使系統集成變得簡易快捷。它體積小、功耗極低，信號傳輸距離可達20m以上，適用于環境監測的應用。DHT11簡要說明如表1所列。　　
　　DHT11除電源和地線外，只有1條數據線，在與CPU接口時，數據線需用5kΩ上拉電阻。DHT11與CPU的接口示意圖如圖2所示。在本設計中，采用LM3S811的PB0模擬單總線采集溫濕度傳感器的數據。　　
　　DHT11的供電電壓為3～5．5V，這里采用直流5V電壓供電。傳感器上電后，要等待1s以越過不穩定狀態。
　　
　　數據線DATA與LM3S811的通信和同步，采用單總線數據格式。一次通信時間4ms左右。一次完整的數據傳輸為40位，高位先出。數據分小數部分和整數部分，具體格式說明如下：
　　
　　8位濕度整數數據+8位濕度小數數據+8位溫度整數數據+8位溫度小數數據+8位校驗和數據傳送正確時校驗和數據等于“8位濕度整數數據+8位濕度小數數據+8位溫度整數數據+8位溫度小數數據”所得結果的末8位。
　　
　　LM3S811發送一次開始信號后，DHT11從低功耗模式轉換到高速模式，等待主機開始信號結束后，DHT11發送響應信號，送出40位的數據，并觸發一次信號采集，LM3S811可選擇讀取部分數據。從模式下，DHT11接收到LM3S811的開始信號后觸發一次溫濕度采集，如果沒有接收到主機發送開始信號，DHT11不會主動進行溫濕度采集。DHT11與LM3S811的接口時序如圖3所示。　　
　　1．2．2煙霧傳感器MQ-2
　　
　　MQ-2煙霧傳感器基于電化學原理，可用于可燃性氣體的檢測，這在林場防火應用中尤為重要。
　　
　　MQ-2加電預熱后(供電電壓標稱+5V)，當MQ-2接觸到可燃性氣體時，其A-B極間等效的電阻阻值降低，為取出信號，可采用電阻RL與A-B極串聯分壓。為提高傳感器靈敏度和輸出電壓的穩定性，設計中采用高輸入阻抗的CMOS運放TLC272對傳感器的輸出電壓進行跟隨和放大，得到輸出電壓Vout。
　　
　　MQ-2煙霧傳感器原理圖如圖4所示。　　
　　1．2．3CO2傳感器MG-811
　　
　　MG-811型CO2傳感器的封裝與MQ-2類似，但其工作原理是等效為電壓源，即加電預熱后，A-B極間等效為電池(典型電壓為300mV)。A-B電極間的電壓隨著CO2氣體濃度的升高而減小。由于MG-811等效的電壓源幾乎不能提供電流(小于1pA)，這就要求運放的輸入阻抗需要達到1012Ω。該系統中，采用TI公司高性能運放TLC272對該電壓進行跟隨和放大(如圖5所示)，以提高系統靈敏度。　　
　　1．2．4環境光亮度傳感器BH1710FVC
　　
　　BH1710FVC是一種I2C總線接口的數字型環境光亮度傳感器。它克服了傳統的光敏二極管／三極管對光源方向敏感的缺點，具有檢測分辨率高、測量范圍廣(1～65535lx)的優點，而且其輸出接近人眼對光譜的反應。在BH1710FVC的6腳封裝中，ADDR引腳用于控制器件的從地址。該引腳為“1”和“0”時，BH1710FVC的從地址分別為0x5C和0x43。BH1710FVC的接口電路如圖6所示。　　
　　1．2．5無線射頻模塊nRF905
　　
　　nRF905模塊是一款工作在433MHz頻率下的低功耗、遠距離無線收發模塊。它內部集成了SPI接口，可方便地實現與LM3S811處理器的無縫連接。nRF905模塊與LM3S811接口電路如圖7所示。由于該模塊支持地址匹配和載波檢測，給系統的可靠設計提供了方便。其多種工作模式也給系統的低功耗設計帶來了便利。nRF905模塊的工作模式如表2所列。　　
　　2、系統軟件設計
　　
　　用MDK4．1集成開發環境，基于庫函數開發，基于LM3S811處理器的物聯網數據分站的應用程序。仿真器為Techshine公司的J-Link。
　　
　　程序的主要功能包括2部分：
　　
　　①采集DHT11數字溫濕度傳感器的數據和BH1710FVC光照亮度傳感器數據，同時通過A／D轉換器采集MQ-2和MG-811傳感器的數據。
　　
　　②將采集的數據打包添加分站ID信息后通過SPI接口發送到無線模塊nRF905。
　　
　　為方便觀測，分站采用LCD實時本地顯示各傳感器的數據，若數據異常，給出蜂鳴和LED閃爍報警。主程序流程如圖8所示。　　
　　3、系統測試
　　
　　本次設計的某些方案已經成功應用于南京林業大學-紫金山環境監測物聯網的測試系統中。圖9為南林物聯網應用截圖。　　
　　由于MQ-2和MG-811傳感器都需要預熱才能準確檢測，因此系統需加電預熱5分鐘。從本地LCD液晶顯示屏可以觀測到溫濕度、煙霧數值和CO2數值。
　　
　　測試中，若對溫濕度傳感器哈氣，其數據顯示溫濕度明顯上升；對CO2傳感器哈氣，由于CO2濃度升高，其電壓數據明顯下降。若在煙霧傳感器旁制造濃煙，則煙霧傳感器數據也明顯上升。這些測試符合傳感器的特性說明。