無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

范本杰

摘要：環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由一個(gè)監(jiān)控終端與若干探測(cè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。監(jiān)控終端由鍵盤(pán)模塊、液晶顯示、探測(cè)模塊及無(wú)線收發(fā)模塊等組成，利用無(wú)線模塊能夠?qū)ζ渌綔y(cè)點(diǎn)的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)收集，還可探測(cè)本地環(huán)境數(shù)據(jù)，及時(shí)警告長(zhǎng)處探測(cè)閾值的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)。探測(cè)節(jié)點(diǎn)則由環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊與無(wú)線收發(fā)模塊構(gòu)成，能夠探測(cè)周邊環(huán)境數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可及時(shí)上報(bào)，對(duì)環(huán)境保護(hù)決策有重要意義。為有效擴(kuò)寬環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相應(yīng)覆蓋范圍，文章在檢測(cè)環(huán)境污染因子（二氧化硫、二氧化氮、臭氧等）時(shí)，選用了預(yù)設(shè)路由的接力數(shù)據(jù)傳輸方式，對(duì)于低功能無(wú)線傳輸模塊具有較近的傳輸距離問(wèn)題有效得以解決。

關(guān)鍵詞：環(huán)境監(jiān)測(cè)；實(shí)時(shí)監(jiān)控；無(wú)線通信；接力傳輸

無(wú)人值守綜合監(jiān)控系統(tǒng)可在比較復(fù)雜環(huán)境中實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守檢測(cè)，集中式管理與分布式監(jiān)控遠(yuǎn)程設(shè)備。對(duì)于無(wú)線遠(yuǎn)程實(shí)施監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)講，在系統(tǒng)內(nèi)充分運(yùn)用了諸多先進(jìn)技術(shù)，如無(wú)線通信技術(shù)、現(xiàn)代傳感技術(shù)及環(huán)境測(cè)試技術(shù)等，可將其大致劃分為三部分，即以Web為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)發(fā)布與分析模塊、服務(wù)器端接收存儲(chǔ)模塊及終端采集發(fā)送模塊。本文基于MSP430探討環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)路徑。

1.系統(tǒng)分析與模塊介紹

1.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，選用節(jié)點(diǎn)尋址技術(shù)，實(shí)施多節(jié)點(diǎn)通信。手機(jī)無(wú)線通信距離外的各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，乃是無(wú)線實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)所需解決的關(guān)鍵問(wèn)題，也就是監(jiān)控終端采用切實(shí)辦法對(duì)無(wú)線通信距離之外的探測(cè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)收集，有別于其它類型的預(yù)設(shè)路由的接力數(shù)據(jù)傳輸方式，對(duì)于覆蓋區(qū)域相應(yīng)拓展問(wèn)題給予了有效解決，在運(yùn)行中，監(jiān)控終端始終均為主控，能夠收集制定區(qū)域框架內(nèi)各探測(cè)節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，而對(duì)于特殊情況，針對(duì)所接收到的遠(yuǎn)端請(qǐng)求，能以被動(dòng)的方式來(lái)接受，若在節(jié)點(diǎn)發(fā)生緊急情況，能夠及時(shí)作出處理。而對(duì)于探測(cè)節(jié)點(diǎn)，其處從屬地位，監(jiān)控終端對(duì)其實(shí)施控制，在緊急狀況下，可調(diào)整至主動(dòng)發(fā)送，保證能夠及時(shí)上報(bào)可能出現(xiàn)的環(huán)境污染因子。

1.2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.2.1硬件設(shè)計(jì)思路

無(wú)論是探測(cè)模塊還是監(jiān)控模塊，均需由MCU實(shí)現(xiàn)，本文均選用MSP430F1611單片機(jī)（TI公司），將其當(dāng)作控制器，對(duì)于MSP系列單片機(jī)來(lái)講，其實(shí)際就是功耗超低、擁有精簡(jiǎn)指令集且為16位的混合型單片機(jī)，其具有比較底的功耗消耗，此點(diǎn)對(duì)于本系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對(duì)于本次設(shè)計(jì)尤為重要。對(duì)于環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊而言，可監(jiān)測(cè)二氧化硫、氮氧化物、PM2.5、VOCs等信息，而對(duì)于其它類環(huán)境信息的測(cè)量，在本系統(tǒng)中快速植入。定點(diǎn)采集及輪詢等方式，各節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)有序通信，而通過(guò)運(yùn)用預(yù)設(shè)路由的接力數(shù)據(jù)傳輸方式，能夠較好的且系統(tǒng)化的解決覆蓋范圍拓展問(wèn)題，對(duì)于監(jiān)控終端，還有屏顯與鍵盤(pán)功能，本文選用128×64液晶屏顯及4×4按鈕鍵盤(pán)。

1.2.2無(wú)線通信模塊

對(duì)于環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，其實(shí)為靜態(tài)信息，具有相對(duì)不高的數(shù)據(jù)傳輸速度要求，在對(duì)無(wú)線通信模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，則可將nkF24L01數(shù)字無(wú)線收發(fā)器作為優(yōu)選。此接收器其實(shí)為一款低成本無(wú)線收發(fā)器，即為工業(yè)級(jí)內(nèi)置硬件鏈路層協(xié)議。此器件于2.4GHz工作，在ISM頻段全球開(kāi)放，內(nèi)部設(shè)置有多種功能模塊，如調(diào)制器、晶體振蕩器、功率放大器及頻率合成器等，并且其中還內(nèi)置有ShockBurst技術(shù)（增強(qiáng)型），另外，可通過(guò)程度配置方式，確定通信頻道與輸出功率。可直接連接于單片機(jī)I/O，具有較少的外界元件。nRY24L01在功耗方面比較低，若將發(fā)生功率調(diào)整至-6dBm，則工作電流便會(huì)維持在8mA：若處于接收狀態(tài)，電流則維持在12.2mA，通過(guò)各種低功率工作模式的運(yùn)用，可更好的開(kāi)展節(jié)能設(shè)計(jì)。

1.2.3監(jiān)控模塊

對(duì)于監(jiān)控模塊，對(duì)于其核心處理器的選用，通常以MSP430F1611單片機(jī)為基礎(chǔ)，實(shí)際就是功耗超低、擁有精簡(jiǎn)指令集且為16位的混合型單片機(jī)。監(jiān)控模塊當(dāng)中的液晶顯示與鍵盤(pán)，能夠操作各種菜單功能，另外，還可進(jìn)行數(shù)據(jù)與信息的實(shí)時(shí)查詢。在內(nèi)容上，還包含有基于本地環(huán)境的監(jiān)測(cè)模塊，類似一節(jié)點(diǎn)。

1.2.4環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊

環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊的核心處理器也采用的是MSP430F1611單片機(jī)，能夠測(cè)量二氧化硫、二氧化氮和臭氧等。在檢測(cè)二氧化硫、二氧化氮和臭氧時(shí)，分別選用紫外熒光傳感器、化學(xué)發(fā)光傳感器和紫外吸收傳感器，測(cè)量范圍為0-500ppb，通過(guò)與SPI形成兼容效應(yīng)，用微型SOT23-6來(lái)封裝。通常情況下，化學(xué)發(fā)光法傳感器測(cè)量范圍為0-500ppb。

2.系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

2.1輪詢模式

先選擇“數(shù)據(jù)采集”，從中找出“輪詢模式”，然后進(jìn)至此模式，對(duì)于其中各個(gè)節(jié)點(diǎn)，需逐個(gè)訪問(wèn)，針對(duì)各節(jié)點(diǎn)的執(zhí)行，需要做到與定點(diǎn)采集模式相同，首先從節(jié)點(diǎn)1進(jìn)行定點(diǎn)采集之后以自動(dòng)的方式在，在需要訪問(wèn)的后續(xù)地址上加一，也就是節(jié)點(diǎn)2，以此方式類推，直至最后節(jié)點(diǎn)。最后屏顯所測(cè)數(shù)據(jù)，以便清晰觀察分析。探測(cè)時(shí)，如若在等待時(shí)間上超出終端，便會(huì)向下節(jié)點(diǎn)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)，并繼續(xù)進(jìn)行訪問(wèn)，在終端數(shù)據(jù)上予以顯示，從中便可查知此節(jié)點(diǎn)所存在的故障，所以，此模式能夠?qū)Ω骷罢O單正常工作與否進(jìn)行檢測(cè)。

2.2自動(dòng)接收

對(duì)于自動(dòng)接收模式而言，其能夠?qū)⒈O(jiān)控模塊，時(shí)刻控制在等待接收狀態(tài)，各探測(cè)節(jié)點(diǎn)依據(jù)實(shí)現(xiàn)設(shè)定好的順序，將環(huán)境數(shù)據(jù)信息定時(shí)發(fā)送。為不出現(xiàn)沖突，即大于2個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，當(dāng)進(jìn)至自動(dòng)接收模式時(shí)，監(jiān)控模塊會(huì)將一個(gè)啟動(dòng)時(shí)鐘發(fā)送至全部探測(cè)節(jié)點(diǎn)，將其為基準(zhǔn)，各個(gè)探測(cè)點(diǎn)延時(shí)后，會(huì)將環(huán)境數(shù)據(jù)信息自動(dòng)發(fā)送。

3.環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)覆蓋范圍擴(kuò)展

本文所設(shè)計(jì)的無(wú)線傳輸模塊，主要將nRY24L01芯片作為其核心，其工作狀態(tài)，滿足于各種低功率要求，能夠有效開(kāi)展節(jié)能設(shè)計(jì)。但低功耗也存有些許問(wèn)題，比如在傳輸距離方面相對(duì)有限，通常情況下，維持在～100m，針對(duì)此監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)講，其覆蓋范圍為100m，因此，此狀況會(huì)對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的效用，產(chǎn)生某種趨向范疇內(nèi)的嚴(yán)重制約。而在接力數(shù)據(jù)傳輸方式方面，如若選用預(yù)設(shè)路由，便能將覆蓋不足的缺陷給予有效解決。對(duì)于此種傳輸方式，能夠?yàn)榘烟幱谶h(yuǎn)端，并且不在監(jiān)控范圍之內(nèi)的各節(jié)點(diǎn)，結(jié)合上級(jí)節(jié)點(diǎn)相應(yīng)指定，與監(jiān)控模塊間形成數(shù)據(jù)傳輸。由于環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在環(huán)境數(shù)據(jù)量方面比較少，因此，也就具有比較小的無(wú)線通信數(shù)據(jù)量，而運(yùn)用此方式，不會(huì)由于節(jié)點(diǎn)的增加，而造成通信阻塞狀況。

4.結(jié)語(yǔ)

總而言之，本次設(shè)計(jì)圍繞MSP單片機(jī)，建立系統(tǒng)化的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)合理化設(shè)定監(jiān)控模塊，對(duì)于在各處分布節(jié)點(diǎn)進(jìn)行細(xì)致化探測(cè)，能夠?qū)⑵鋵?duì)應(yīng)數(shù)據(jù)信息實(shí)施予以準(zhǔn)確收集，為區(qū)域環(huán)境監(jiān)測(cè)及環(huán)保決策提供有力依據(jù)。