基于車聯(lián)網(wǎng)的室外環(huán)境檢測系統(tǒng)的設(shè)計

倪志平++覃溪++韋靈

摘 要：隨著社會的進(jìn)步，人們對汽車的需求越來越大，但同時室外空氣環(huán)境也越來越差，無法滿足人們健康生活的需求，因此基于車聯(lián)網(wǎng)的室外環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。車聯(lián)網(wǎng)是指通過交通信息采集技術(shù)、無線通信技術(shù)、定位技術(shù)相互配合，獲取道路上所有車輛靜態(tài)、動態(tài)信息和路況信息，實(shí)現(xiàn)車與車、車與路之間的信息交互，獲得實(shí)時、準(zhǔn)確的交通數(shù)據(jù)，并利用相關(guān)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息高效、可靠的傳輸，對室外環(huán)境監(jiān)測具有重要意義。

關(guān)鍵詞：車聯(lián)網(wǎng)；數(shù)據(jù)采集；環(huán)境監(jiān)測；無線通信

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）10-00-03

0 引 言

PM2.5顆粒物在空氣中占比很少，但它卻對環(huán)境質(zhì)量和空氣能見度等有重要影響。且PM2.5顆粒物的直徑很小，并富含大量有毒、有害物質(zhì)，在環(huán)境中停留的時間長、輸送距離遠(yuǎn)，因此對人體健康和環(huán)境污染影響巨大。

為解決環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測問題，本文采用STC89C52單片機(jī)、DHT11溫濕度傳感器、ZPH01灰塵傳感器、BT-HC05-V1.0藍(lán)牙模塊以及LCD1602液晶顯示屏對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計構(gòu)造。主要實(shí)現(xiàn)了溫濕度檢測和PM2.5檢測、液晶顯示及將數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙傳送到手機(jī)App軟件上并顯示等功能。采用BT-HC05-V1.0藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)無線傳送可擺脫繁瑣的布線，即使遠(yuǎn)距離也能進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。

1 總體設(shè)計

1.1 主程序模塊的設(shè)計

與硬件相結(jié)合實(shí)現(xiàn)便攜式溫濕度以及PM2.5指數(shù)的檢測和顯示功能，步驟如下：

（1）開啟電路板總開關(guān)進(jìn)行環(huán)境檢測；

（2）溫濕度傳感器和灰塵傳感器采集到的數(shù)據(jù)可以傳送到單片機(jī)的緩沖寄存器中；

（3）單片機(jī)將數(shù)據(jù)傳送到液晶顯示模塊進(jìn)行顯示，同時也傳送給Bluetooth藍(lán)牙通信模塊，Bluetooth藍(lán)牙通信模塊再將數(shù)據(jù)發(fā)送到手機(jī)App軟件上顯示。主程序模塊流程圖如圖1所示。

1.2 上拉電阻

P0口為三態(tài)雙向口，通常作為輸出輸入端口使用。當(dāng)作為雙向I/O口輸出端口時，由于P0口沒有內(nèi)部上拉電阻（即P0口不能真正輸出高電平，為所接負(fù)載提供電流），所以單片機(jī)通常要在外部加上一個上拉電阻來提高驅(qū)動能力。再由電源通過該上拉電阻給負(fù)載電路提供電流。

1.3 藍(lán)牙通信模塊設(shè)計

1.3.1 電路模塊設(shè)計

Bluetooth藍(lán)牙通信模塊通過RXD引腳和單片機(jī)的P3.1（TXD）口連接通信。單片機(jī)的P3.1口不僅是用來發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)的端口，還是備用電源的輸入端口。藍(lán)牙通信模塊的VCC和GND兩個引腳分別連接電源和地。藍(lán)牙通信模塊的第一個、第三個及第六個引腳都懸浮放置。本系統(tǒng)使用該藍(lán)牙通信模塊可使環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測擺脫繁瑣的布線，提高了藍(lán)牙的抗干擾能力。

1.3.2 流程模塊設(shè)計

單片機(jī)與藍(lán)牙通信模塊的連接主要由前端數(shù)據(jù)采集部分、中端數(shù)據(jù)傳送部分以及末端的數(shù)據(jù)接收部分（手機(jī)接收端）組成。本系統(tǒng)采用5 V電源供電。在初始化階段，藍(lán)牙通信模塊接收單片機(jī)控制器發(fā)送的指令，實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙設(shè)備初始化，然后向手機(jī)藍(lán)牙設(shè)備發(fā)送配對申請，手機(jī)同意開通藍(lán)牙設(shè)備并與之配對成功。之后，單片機(jī)將采集到的溫濕度信息以及PM2.5數(shù)據(jù)包發(fā)送到藍(lán)牙通信模塊，由藍(lán)牙通信模塊的基帶協(xié)議層把數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)化成基帶數(shù)據(jù)包，并通過天線將基帶數(shù)據(jù)包發(fā)送到手機(jī)上顯示。藍(lán)牙模塊流程圖如圖2所示。

藍(lán)牙通信模塊的部分串口設(shè)定代碼如下所示：

SCON=0x50； //SCON： 方式1， 8 b UART

TMOD=0x20； //TMOD： timer 1，方式2， 8 b 自動重裝

PCON=0x00； //SMOD=1：串口波特率加倍

TH1=0xfd；

TL1=0xfd； //波特率：9600，11.059 2 MHz

TR1=1； //開定時器

TI=0；

EA=1； //開總中斷

ES=1； //串行口中斷開

PS=1；

1.4 LCD1602液晶顯示模塊設(shè)計

1.4.1 電路模塊設(shè)計

利用液晶的物理特性，通過電壓對其顯示區(qū)域進(jìn)行控制來顯示內(nèi)容。但由于VO引腳是LCD對比度調(diào)節(jié)端，若想要液晶顯示屏顯示的更清晰，那么，就要在VO引腳口直接串接一個3 kΩ電阻后再接地。而該電阻器的目的就在于調(diào)節(jié)液晶的顯示對比度。

1.4.2 流程圖模塊設(shè)計

LCD1602液晶顯示模塊可與單片機(jī)接口直接連接，無需再加任何驅(qū)動元件。液晶顯示器是一塊慢顯示器件，在執(zhí)行每一條指令之前都要確認(rèn)忙模塊，若不忙，液晶顯示屏?xí)蕊@示字符地址，告訴模塊在哪里實(shí)現(xiàn)字符后顯示字符，之后此指令失效；如果忙，則執(zhí)行下一條指令。1602液晶顯示模塊流程如圖3所示。

1.5 ZPH01灰塵傳感器模塊設(shè)計

1.5.1 電路模塊設(shè)計

ZPH01灰塵傳感器電路模塊通過OUT1/TXD引腳和單片機(jī)的P3.0（RXD）口連接通信。單片機(jī)的P3.0口不僅是用來發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)的端口，還是備用電源的輸入端口。且灰塵傳感器模塊的MOD和GND兩個引腳都連接地，VCC引腳接電源。灰塵傳感器模塊第二個引腳懸浮放置。灰塵傳感器的靈敏度已預(yù)先設(shè)定好，可檢測出小于1 μm的灰塵粒子。

1.5.2 流程模塊設(shè)計

灰塵傳感器模塊具有數(shù)字信號處理及光機(jī)電一體化等能力。傳感器模塊預(yù)熱后，開始采集環(huán)境的塵埃粒子濃度，然后使用電子切割器技術(shù)以及光散射原理對輸出的脈沖信號進(jìn)行數(shù)字化處理，并通過Pin4（OUT1/TXD）引腳發(fā)送到單片機(jī)內(nèi)部寄存器。ZPH01灰塵傳感器模塊的使用主要配合軟件進(jìn)行實(shí)時塵埃粒子檢測。灰塵傳感器模塊流程圖如圖4所示。endprint

灰塵傳感器利用光敏原理對環(huán)境中的微小顆粒物進(jìn)行檢測和采集，并將采集到的脈沖信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號（該傳感器具有A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換功能）傳給單片機(jī)進(jìn)行讀取和處理，單片機(jī)將輸出信號的幅值進(jìn)行校驗(yàn)和計算得出顆粒物的濃度。該傳感器可檢測出小于1 ?m的微小顆粒物，并傳給1602液晶顯示模塊進(jìn)行顯示。主要代碼如下：

void serial （） interrupt 4

{ uchar temp_pM；

if（RI==1）

{ RI=0； UART_Upload[accord]=SBUF； //串口接收一個數(shù)據(jù)

accord++； if（UART_Upload[0]！=0xff） //判斷接收到的第1個數(shù)據(jù)為oxff

{ accord=0； } if（UART_Upload[1]！=0x18）//判斷接收的第2個為0x18

{ accord=0； } if（accord>8）

//9個數(shù)據(jù)為一組

{ accord=0； } //接收完一組數(shù)據(jù)的標(biāo)志，置0 校驗(yàn)

if（accord==0）

//接收一組數(shù)據(jù)后進(jìn)行一次校驗(yàn)和

{if（（UART_Upload[0]==0xff）&&（UART_Upload[1]=0x18）&&（UART_Upload[2]==0x00））

//判斷前三位數(shù)據(jù)是否正確，是否進(jìn)行校驗(yàn)

temp_pM=～（UART_Upload[1]+UART_Upload[2]+UART_Upload[3]+UART_Upload[4]

+UART_Upload[5]+UART_Upload[6]+UART_Upload[7]）+1； //校驗(yàn)和

if（temp_pM=UART_Upload[8]）

{ pm_rateH=UART_Upload[3]；

pm_rateL=UART_Upload[4]；

pm_density=（UART_Upload[3]*100+UART_Upload[4]）*1.014705；}

1.6 DHT11溫濕度傳感器模塊設(shè)計

1.6.1 電路模塊設(shè)計

DHT11溫濕度傳感器通過Pin2引腳和單片機(jī)的P2.0驅(qū)動端連接。單片機(jī)的P2.0口用來發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。但由于設(shè)計的電路測量范圍小于20 m，所以需要在該傳感器Pin2口與電源連接的線路上接一個3 kΩ的電阻，從而為傳感器提供穩(wěn)定的電流。而傳感器的電源端口Pin1和Pin4分別連接單片機(jī)的電源端VCC和電源地GND端。傳感器的第三個引腳擴(kuò)展未使用。

1.6.2 流程模塊設(shè)計

溫濕度檢測模塊可經(jīng)DHT11濕度傳感器直接將檢測到的溫濕度脈沖信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后傳給STC89C52單片機(jī)寄存器。STC89C52單片機(jī)對溫度和濕度數(shù)字信號分別進(jìn)行分析和處理，并傳送到液晶屏上顯示，同時還可以通過藍(lán)牙通信模塊將信息傳送到手機(jī)App軟件上顯示。DHT11溫濕度傳感器流程圖如圖5所示。

1.7 手機(jī)端顯示模塊

手機(jī)端顯示模塊實(shí)現(xiàn)了與用戶的交互，方便用戶實(shí)時監(jiān)測溫濕度和PM2.5顆粒物的濃度。手機(jī)端界面和流程如圖6所示。軟件實(shí)現(xiàn)頁面包含搜索藍(lán)牙設(shè)備、溫度顯示部分、濕度顯示部分和空氣質(zhì)量顯示部分。服務(wù)器端藍(lán)牙通信模塊和手機(jī)端顯示模塊通信部分的主要功能如下：

（1）手機(jī)端藍(lán)牙初始化。

（2）開啟手機(jī)藍(lán)牙端口并偵聽。

（3）有連接請求時應(yīng)答，并完成連接。

（4）開始正常接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。

（5）接收完畢，顯示接收到的數(shù)據(jù)。

（6）結(jié)束連接。

2 結(jié) 語

本設(shè)計主要針對當(dāng)前室外環(huán)境研發(fā)。從2012年開始，全國大部分地區(qū)在秋冬季節(jié)開始出現(xiàn)不同程度的霧霾，而不斷增多的陰霾天氣對地球上的生物健康危害越來越嚴(yán)重，同時又考慮到目前市面上環(huán)境監(jiān)測儀價格較昂貴等原因，設(shè)計了基于Android和STC89C51單片機(jī)的環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅操作方便，穩(wěn)定性強(qiáng)，使用價值高，還在本設(shè)計中加入了無線藍(lán)牙通信模塊，方便較遠(yuǎn)距離傳輸監(jiān)測信息。經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本設(shè)計運(yùn)行狀況良好，具有較好的社會效益與經(jīng)濟(jì)效益。

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