Cortex－M3的生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集分站設(shè)計(jì)

李駿慧，陶華，俞哲偉，宋軍

（南京林業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院，南京 210037）

宋軍（講師），主要從事嵌入式方面的教學(xué)和科研。

引 言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IOT）得到了越來(lái)越多的企業(yè)和學(xué)者的重視［1－2］。盡管對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的確切定義還頗有爭(zhēng)議，但有一點(diǎn)可以肯定，那就是物聯(lián)網(wǎng)必將進(jìn)一步提升信息社會(huì)的智能化水平［3－4］。同樣，在森林環(huán)境乃至生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)中，物聯(lián)網(wǎng)也為人們提供了更多的選擇。

針對(duì)森林生態(tài)監(jiān)測(cè)中所關(guān)心的溫度、濕度、CO2濃度、環(huán)境光照以及與森林防火息息相關(guān)的煙霧濃度等數(shù)據(jù)，本文基于Cortex－M3處理器［5］設(shè)計(jì)了生態(tài)數(shù)據(jù)采集分站，并將采集的數(shù)據(jù)用本地LCD液晶顯示，同時(shí)采用無(wú)線模塊傳送給數(shù)據(jù)中心主站。程序開(kāi)發(fā)在嵌入式操作系統(tǒng)μC／OS－II的基礎(chǔ)上分模塊進(jìn)行，不僅保證了良好的擴(kuò)展性，也提高了開(kāi)發(fā)效率。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)分站以LM3S811處理器為核心，并引入了與森林生態(tài)監(jiān)測(cè)相關(guān)的多種傳感器，單總線數(shù)字式溫濕度復(fù)合型傳感器DHT11、I2C總線接口的環(huán)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(guò)Cortex－M3處理器實(shí)時(shí)采集傳感器信息，經(jīng)處理后通過(guò)SPI接口的無(wú)線模塊nRF905發(fā)送給數(shù)據(jù)主站服務(wù)器。同時(shí)將采集的傳感器信息通過(guò)本地LCD顯示。若采集的傳感器信息異常（如煙霧濃度過(guò)高），需聲光報(bào)警。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

1.2 系統(tǒng)模塊組成

1.2.1 溫濕度傳感器DHT11

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合單總線傳感器。它應(yīng)用專(zhuān)用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品的可靠性與長(zhǎng)期穩(wěn)定性。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)易快捷。它體積小、功耗極低，信號(hào)傳輸距離可達(dá)20m以上，適用于環(huán)境監(jiān)測(cè)的應(yīng)用。DHT11簡(jiǎn)要說(shuō)明如表1所列。

表1 DHT11簡(jiǎn)要說(shuō)明

DHT11除電源和地線外，只有1條數(shù)據(jù)線，在與CPU接口時(shí)，數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)中，采用LM3S811的PB0模擬單總線采集溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)。

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(guò)不穩(wěn)定狀態(tài)。

數(shù)據(jù)線DATA與LM3S811的通信和同步，采用單總線數(shù)據(jù)格式。一次通信時(shí)間4ms左右。一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為40位，高位先出。數(shù)據(jù)分小數(shù)部分和整數(shù)部分，具體格式說(shuō)明如下：

8位濕度整數(shù)數(shù)據(jù)＋8位濕度小數(shù)數(shù)據(jù)＋8位溫度整數(shù)數(shù)據(jù)＋8位溫度小數(shù)數(shù)據(jù)＋8位校驗(yàn)和數(shù)據(jù)傳送正確時(shí)校驗(yàn)和數(shù)據(jù)等于“8位濕度整數(shù)數(shù)據(jù)＋8位濕度小數(shù)數(shù)據(jù)＋8位溫度整數(shù)數(shù)據(jù)＋8位溫度小數(shù)數(shù)據(jù)”所得結(jié)果的末 8位。

LM3S811發(fā)送一次開(kāi)始信號(hào)后，DHT11從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式，等待主機(jī)開(kāi)始信號(hào)結(jié)束后，DHT11發(fā)送響應(yīng)信號(hào)，送出40位的數(shù)據(jù)，并觸發(fā)一次信號(hào)采集，LM3S811可選擇讀取部分?jǐn)?shù)據(jù)。從模式下，DHT11接收到LM3S811的開(kāi)始信號(hào)后觸發(fā)一次溫濕度采集，如果沒(méi)有接收到主機(jī)發(fā)送開(kāi)始信號(hào)，DHT11不會(huì)主動(dòng)進(jìn)行溫濕度采集。DHT11與LM3S811的接口時(shí)序如圖3所示。

圖2 DHT11與CPU的接口示意圖

圖3 DHT11與LM3S811的接口時(shí)序

1.2.2 煙霧傳感器 MQ－2

MQ－2煙霧傳感器基于電化學(xué)原理，可用于可燃性氣體的檢測(cè)，這在林場(chǎng)防火應(yīng)用中尤為重要。

MQ－2加電預(yù)熱后（供電電壓標(biāo)稱(chēng)＋5V），當(dāng) MQ－2接觸到可燃性氣體時(shí)，其A－B極間等效的電阻阻值降低，為取出信號(hào)，可采用電阻RL與A－B極串聯(lián)分壓。為提高傳感器靈敏度和輸出電壓的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)中采用高輸入阻抗的CMOS運(yùn)放TLC272對(duì)傳感器的輸出電壓進(jìn)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。

圖4 MQ－2傳感器原理圖

1.2.3 CO2傳感器 MG－811

MG－811型CO2傳感器的封裝與MQ－2類(lèi)似，但其工作原理是等效為電壓源，即加電預(yù)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(yùn)放的輸入阻抗需要達(dá)到1012Ω。該系統(tǒng)中，采用TI公司高性能運(yùn)放TLC272對(duì)該電壓進(jìn)行跟隨和放大（如圖5所示），以提高系統(tǒng)靈敏度。

圖5 MG－811傳感器原理圖

1.2.4 環(huán)境光亮度傳感器BH1710FVC

BH1710FVC是一種I2C總線接口的數(shù)字型環(huán)境光亮度傳感器。它克服了傳統(tǒng)的光敏二極管／三極管對(duì)光源方向敏感的缺點(diǎn)，具有檢測(cè)分辨率高、測(cè)量范圍廣（1～65 535lx）的優(yōu)點(diǎn)，而且其輸出接近人眼對(duì)光譜的反應(yīng)。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(shí)，BH1710FVC的從地址分別為0x5C和0x43。BH1710FVC的接口電路如圖6所示。

圖6 BH1710FVC的接口電路

1.2.5 無(wú)線射頻模塊nRF905

nRF905模塊是一款工作在433MHz頻率下的低功耗、遠(yuǎn)距離無(wú)線收發(fā)模塊。它內(nèi)部集成了SPI接口，可方便地實(shí)現(xiàn)與LM3S811處理器的無(wú)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(cè)，給系統(tǒng)的可靠設(shè)計(jì)提供了方便。其多種工作模式也給系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)帶來(lái)了便利。nRF905模塊的工作模式如表2所列。

圖7 nRF905模塊與LM3S811的接口電路

表2 nRF905模塊的工作模式

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

采用MDK4.1集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，基于庫(kù)函數(shù)開(kāi)發(fā)，基于LM3S811處理器的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)分站的應(yīng)用程序。仿真器為T(mén)echshine公司的J－Link。

程序的主要功能包括2部分：

①采集DHT11數(shù)字溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)和BH1710FVC光照亮度傳感器數(shù)據(jù)，同時(shí)通過(guò)A／D轉(zhuǎn)換器采集MQ－2和MG－811傳感器的數(shù)據(jù)。

②將采集的數(shù)據(jù)打包添加分站ID信息后通過(guò)SPI接口發(fā)送到無(wú)線模塊nRF905。

為方便觀測(cè)，分站采用LCD實(shí)時(shí)本地顯示各傳感器的數(shù)據(jù)，若數(shù)據(jù)異常，給出蜂鳴和LED閃爍報(bào)警。主程序流程如圖8所示。

圖8 主程序流程

3 系統(tǒng)測(cè)試

本次設(shè)計(jì)的某些方案已經(jīng)成功應(yīng)用于南京林業(yè)大學(xué)－紫金山環(huán)境監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)的測(cè)試系統(tǒng)中。圖9為南林物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用截圖。

圖9 南林物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用截圖

由于MQ－2和MG－811傳感器都需要預(yù)熱才能準(zhǔn)確檢測(cè)，因此系統(tǒng)需加電預(yù)熱5分鐘。從本地LCD液晶顯示屏可以觀測(cè)到溫濕度、煙霧數(shù)值和CO2數(shù)值。

測(cè)試中，若對(duì)溫濕度傳感器哈氣，其數(shù)據(jù)顯示溫濕度明顯上升；對(duì)CO2傳感器哈氣，由于CO2濃度升高，其電壓數(shù)據(jù)明顯下降。若在煙霧傳感器旁制造濃煙，則煙霧傳感器數(shù)據(jù)也明顯上升。這些測(cè)試符合傳感器的特性說(shuō)明。

［1］何立民.物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的嵌入式系統(tǒng)機(jī)遇［J］.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2011（3）.

［2］沈蘇彬，范曲立，宗平，等.物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)和相關(guān)技術(shù)研究［J］.南京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，29（6）.

［3］何立民.從嵌入式系統(tǒng)視角看物聯(lián)網(wǎng)［J］.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2010（10）.

［4］宋軍，王一雄，徐鋒.物聯(lián)網(wǎng)驅(qū)動(dòng)下的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)改革［J］.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2011（4）.

［5］陳偉，林訓(xùn)超.Cortex時(shí)代的ARM教學(xué)應(yīng)用探討［J］.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2010（5）.