基于互聯(lián)網的環(huán)境與電器監(jiān)控系統(tǒng)的設計

楊虹 胡小龍 宋俊霖 王燦 鐘郭福

【摘要】介紹了一種基于互聯(lián)網的環(huán)境檢測與電器控制系統(tǒng)的工作原理以及部分軟硬件設計方案。該系統(tǒng)以STC89C52RC單片機作為微控制器，結合PC做為上位機和服務器來與互聯(lián)網進行對接，用戶可通過網頁遠程來實時查看環(huán)境狀態(tài)以及對電器進行控制。該系統(tǒng)具有成本低、操作方便、擴充性高的特點，可以廣泛應用在工業(yè)監(jiān)控、智能家居等各個方面。

【關鍵詞】單片機;智能家居;互聯(lián)網;遠程控制;物聯(lián)網

Abstract：The principles of an Internet-based Environment Monitoring and Electrical Equipment Controlling System accompanied with software solutions was introduced in this article.The system used STC89C52RC as its MCU，set a PC as host computer and server for connecting with Internet.Users can check the environmental status and control electrical equipments by web application remotely.This system has an advantage in costs.Its easy-to-use and highly expandable，which can be widely used in monitoring system，intelligent home，etc.

Key words：MCU;intelligent home;Internet;Remote control;Internet of thing

1.引言

在當今信息技術高速發(fā)展的時代，人們正在探索越來越便捷的信息傳遞方式，互聯(lián)網的出現，極大地方便了信息的傳遞。然而，人們在享受科技帶來各種便利的同時，也有著其他許多困惑。如今，環(huán)境惡化問題受到了人們的廣泛關注，要治理環(huán)境，首先就要對周圍的環(huán)境有一個充分的了解，就需要有能對環(huán)境信息進行采集與處理的設備。

基于以上原因，一種基于互聯(lián)網的遠程環(huán)境檢測與電器控制系統(tǒng)應運而生。該系統(tǒng)利用通訊技術、電力自動化技術、計算機技術將一系列傳感器實時監(jiān)測環(huán)境并上傳環(huán)境參數到服務器，用戶可通過互聯(lián)網遠程訪問系統(tǒng)遠程采集到的信息，也可發(fā)送命令，控制遠端電器運行，是對互聯(lián)網功能的一項拓展，也是從互聯(lián)網發(fā)展到物聯(lián)網邁出的第一步。該系統(tǒng)使物對人的關系不再是被動的，是具有能動性智能化的交互，提供全方位的信息交換功能，優(yōu)化我們的生活生產方式，幫助我們有效地安排時間，節(jié)約能源，實現高效可靠的資源管理。該系統(tǒng)不僅能運用在工業(yè)環(huán)境監(jiān)測方面，還能應用在智能家居領域，用戶可以通過互聯(lián)網，實時查看屋內的情況，并對屋內各終端進行控制。并且各傳感器一旦探測到異常，能夠及時向用戶發(fā)出警報，實現人和物的良好交互[1]。

2.硬件電路部分

該系統(tǒng)由單片機、外圍設備、上位機和服務器等部分組成，整個系統(tǒng)硬件結構及工作原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體硬件結構及工作原理圖

2.1 單片機模塊

根據其結構形式和所采用的半導體工藝，單片機具有以下主要特點：

（1）性價比高;

（2）集成度高、體積小、可靠性高。由于單片機將各個功能部件集成在一塊芯片上，且內部采用總線結構，減少了各個芯片之間的連線，從而大大提高了單片機的可靠性與抗干擾能力;

（3）控制功能強。單片機中的指令系統(tǒng)中均有極豐富的轉移指令、I/O接口的邏輯操作及位處理功能;

（4）低功耗、低電壓，便于生產便攜式產品;

（5）外部總線增加了串行總線方式，進一步縮小了體積，簡化了結構;

（6）單片機的系統(tǒng)擴展和系統(tǒng)配置較典型、規(guī)范，易于構成各種規(guī)模的應用系統(tǒng)。

該系統(tǒng)使用STC89C52RC作為微控制器。STC89C52RC是STC公司生產的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K可編程Flash存儲器。它使用經典的MCS-51內核，但做了很多的改進使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案?；谝陨咸攸c，該款單片機參考技術資料齊全，成為了許多單片機使用者的首選。

2.2 電器控制與環(huán)境采集模塊

電器控制主要由繼電器組成，單片機接受到來自用戶的特定信號之后，通過自身的5v電壓來控制220V市電的開斷，以實現電器工作狀態(tài)的控制;該方式設計簡單，可行性高。

環(huán)境采集主要由一系列傳感器組成，可根據實際情況選用，課題組利用DHT11傳感器采集溫度濕度數據、采用MQ-5可燃氣體傳感器采集天然氣或者液化石油氣的濃度、 甲醛氣體濃度使用CH20/S-10傳感器采集、粉塵顆粒信息用GP2Y1010AU0F 傳感器等，一系列模塊與單片機IO口連接通過編程實現環(huán)境數據的采集與處理。以DHT11溫濕度傳感器為例，其電路連接如圖2所示。

圖2 DHT11溫濕度傳感器電路連接圖

圖3 12864顯示屏電路連接圖

2.3 人機交互模塊

該模塊主要基于12864液晶和矩陣按鍵來實現，12864液晶的屏顯成本相對較低，適用于各類儀器，小型設備的顯示領域，通過編程它可以提供基本的人機界面，用戶可以通過液晶屏幕實時查看顯示采集到的環(huán)境信息，通過按鍵可以對系統(tǒng)進行相關設置操作。12864液晶連接電路如圖3所示。

2.4 串口通信模塊

單片機主控與PC之間通過USB口進行數據通信，由于STC89C52單片機只支持串口通信，故系統(tǒng)還需要使用CH340T芯片來實現串口轉USB的功能，以CH340T為主控的串口轉USB電路如圖4所示。

2.5 nRF24L01+無線通信模塊[3]

nRF24L01+是一款工作在2.4～2.5GHz的世界通用ISM頻段的單片無線收發(fā)器芯片。無線收發(fā)器包括：頻率發(fā)生器、增強型SchockBurst模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調制解調器。輸出功率、頻道選擇和協(xié)議設置可以通過SPI口設置。具有2Mbps的傳輸速率、僅22uA的等待模式電流消耗、多頻點、多信道、10m（PCB天線）有效通信距離的特點，其電路連接如圖5所示。

3.軟件程序部分

3.1 單片機程序模塊

采用KEIL編程軟件對單片機進行編程以實現環(huán)境數據采集、處理及傳輸以及繼電器的控制功能[2]。該模塊包括UI設計、環(huán)境數據采集、數據通信三個部分，系統(tǒng)主要工作流程如圖6和圖7所示。

圖6 系統(tǒng)軟件工作流程圖

圖7 單片機報警流程圖

3.2 nRF24L01+通信模塊[4]

圖8 nRF24L01+的主要工作模式

nRF24L01相關工作時序如圖8、圖9和圖10所示。本系統(tǒng)只涉及前三個工作模式。主要的工作原理：發(fā)射數據時，首先將nRF24L01+配置為發(fā)射模式，接著把地址TX_ADDR和數據TX_PLD按照時序由SPI口寫入nRF24L01+緩存區(qū)，TX_PLD必須在CSN為低時連續(xù)寫入，而TX_ADDR在發(fā)射時寫入一次即可，然后CE置為高電平并保持至少10μs，延遲130μs后發(fā)射數據;若自動應答開啟，那么nRF24L01在發(fā)射數據后立即進入接收模式，接收應答信號。如果收到應答，則認為此次通信成功，TX_DS置高，同時TX_PLD從發(fā)送堆棧中清除;若未收到應答，則自動重新發(fā)射該數據（自動重發(fā)已開啟），若重發(fā)次數（ARC_CNT）達到上限，MAX_RT置高，TX_PLD不會被清除;MAX_RT或TX_DS置高時，使IRQ變低，以便通知MCU。最后發(fā)射成功時，若CE為低，則nRF24L01進入待機模式1;若發(fā)送堆棧中有數據且CE為高，則進入下一次發(fā)射;若發(fā)送堆棧中無數據且CE為高，則進入待機模式2。

接收數據時，首先將nRF24L01+配置為接收模式，接著延遲130μs進入接收狀態(tài)等待數據的到來。當接收方檢測到有效的地址和CRC時，就將數據包存儲在接收堆棧中，同時中斷標志位RX_DR置高，IRQ變低，以便通知MCU去取數據。若此時自動應答開啟，接收方則同時進入發(fā)射狀態(tài)回傳應答信號。最后接收成功時，若CE變低，則nRF24L01+進入空閑模式1。

3.3 PC端軟件模塊

上位機與服務器部分原理及流程如圖11所示。

上位機是對單片機操作的中樞部分，該部分使用C++的boost asio庫去實現;boost asio是一套高性能的I/O流處理庫，用現代的方法為開發(fā)者提供了一個異步模型。該部分主要對單片機的數據進行處理，綜合后合并成結果表，用網頁顯示出來給用戶瀏覽，用戶可以通過服務器給上位機發(fā)送指令，讓上位機對單片機進行操控.實現對家居設備的操作。

圖11 上位機與服務器流程圖

服務器是用戶與單片機直接交互的接口，其使用WAMP集成開發(fā)環(huán)境與PHP語言構成，前端界面由js與css實現。通過對上位機傳來的數據的整理顯示，實現對結果的統(tǒng)籌預覽，并提供操作界面，讓用戶可以通過對服務器發(fā)送指令去操控單片機。

4.結束語

至此，一個基本的互聯(lián)網遠程環(huán)境監(jiān)測控制系統(tǒng)搭建完成，但功能還相對單一，故本項目組還對該系統(tǒng)設計提出以下方案，以便日后改進：（1）鑒于目前該系統(tǒng)在電器控制方面僅僅只是采用控制繼電器的開斷來簡單控制電器，因此還可以向控制復雜電器方面發(fā)展，例如可以通過在單片機上加裝紅外發(fā)射管來模擬空調的遙控板實現對空調的遠程操作;可以在門上加裝傳感器以檢測門的狀態(tài)，確保室內安全等等;（2）現如今如小米、迅雷、360、百度、騰訊、華為等大型互聯(lián)網公司都推出了智能路由器。所謂智能路由，比于普通路由器，其像個人電腦一樣，具有獨立的操作系統(tǒng)，可以根據用戶的需求進行功能的擴展和開發(fā)。在未來的智能家居中可以充當智能控制中樞的角色。通過嵌入式開發(fā)，我們可以直接在路由器系統(tǒng)中開發(fā)上位機和控制程序來替代本項目中電腦的角色。相比電腦，路由器有功耗小，幾乎永不離線的優(yōu)勢。相信在以后的智能家居中，路由器會發(fā)揮巨大的作用。

該系統(tǒng)是我校大學生創(chuàng)新性實驗項目的部分研制內容，現處于初步研制階段，能完成對遠端環(huán)境的信息查看與簡單電器控制，與實際商用還有較大差距。隨著互聯(lián)網更加深入我們的生活，人們已經不僅局限于對網上虛擬的數據進行訪問操作，在未來，更多的智能云設備將進入我們的生活當中，該項目正是基于上述理念的成果。

參考文獻

[1]王平.780MHz物聯(lián)網開發(fā)平臺的設計與實現[J].重慶郵電大學學報，2012，24.

[2]郭天祥.新概念51單片機C語言教程[M].電子工業(yè)出版社，2009，1.

[3]NORDIC semiconductor，nRF24L01+Product Specification.

[4]德普施科技有限公司.nRF24L01無線通信模塊使用手冊.

基金項目：重慶郵電大學大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目（編號：19）。