一種環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)線采集存儲(chǔ)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與研究

夏毅軍　徐振　邵錫軍　羅學(xué)恩

【摘 要】設(shè)計(jì)研究了環(huán)境監(jiān)測(cè)各子節(jié)點(diǎn)、中心存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)（包括無(wú)線通信模塊）的軟件部分。其中環(huán)境監(jiān)測(cè)子節(jié)點(diǎn)采用超低功耗單片機(jī)STC15L204EA作為微控制器，實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集和傳輸；中心存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)采用了集成RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘具有ARM內(nèi)核的芯片STM32F103VET6，負(fù)責(zé)多路監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的無(wú)線接收和SD卡中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；無(wú)線通信模塊由nRF24L01+和RFX2401C組成，負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)線的收發(fā)，并重點(diǎn)介紹了無(wú)線通信模塊的多通道無(wú)線通信的軟件實(shí)現(xiàn)。

【關(guān)鍵詞】STC15L204EA；ARM內(nèi)核；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；FATfs；nRF24L01+；RFX2401C；多通道無(wú)線通信

0 引言

隨著人們對(duì)環(huán)境問(wèn)題理解的深入，環(huán)境監(jiān)測(cè)的內(nèi)容也由工業(yè)污染源的監(jiān)測(cè)，逐步發(fā)展到對(duì)大環(huán)境的監(jiān)測(cè)[1]?，F(xiàn)在人們大多數(shù)采取人工及半自動(dòng)方法來(lái)進(jìn)行環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，但環(huán)境監(jiān)測(cè)要求測(cè)點(diǎn)多、范圍廣、時(shí)間同步性高，而目前的監(jiān)測(cè)方法不能達(dá)到以上要求，也不能實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)終端存儲(chǔ)，還耗費(fèi)了一定的人力和設(shè)備資源，不利于環(huán)境監(jiān)測(cè)和保護(hù)中代價(jià)小、效益好、可持續(xù)性的發(fā)展要求[2]。鑒于此，本文提出了一種環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)線采集存儲(chǔ)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)的無(wú)線自動(dòng)化監(jiān)測(cè)、采集和實(shí)時(shí)終端存儲(chǔ)。

1 系統(tǒng)的組成

系統(tǒng)主要是由環(huán)境監(jiān)測(cè)子節(jié)點(diǎn)和中心存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)組成，兩者的通信通過(guò)2.4GHz無(wú)線電信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)的總體架構(gòu)圖如圖1所示。環(huán)境監(jiān)測(cè)子節(jié)點(diǎn)主要有超低功耗單片機(jī)STC15L204EA、無(wú)線通信模塊及環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器組成，環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器主要由CO2濃度傳感器、光照度傳感器和溫濕度傳感器組成[3]。CO2濃度傳感器選用韓國(guó)產(chǎn)的S100H，它輸出多樣，本設(shè)計(jì)中采用了線性的電壓輸出，單片機(jī)可直接進(jìn)行AD采樣；光照度傳感器采用數(shù)字照度傳感器BH1710FVC，單片機(jī)利用虛擬I2C總線接口進(jìn)行模式設(shè)置和數(shù)據(jù)的讀取。溫濕度傳感器選用了瑞士Sensirion AG公司生產(chǎn)的SHT11，它高度集成，同時(shí)可測(cè)溫度和濕度，輸出多樣，采用其I2C總線接口與之通信。無(wú)線通信模塊采用了NORDIC公司的2.4GHz射頻收發(fā)芯片nRF24L01+，并利用功放芯片RFX2401C進(jìn)行功率放大及低噪聲放大，子節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示[4]-[5]。中心存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)主要由微控制器STM32F103VET6、無(wú)線通信模塊和SD卡模塊組成，該款微控制器自帶RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘，利用其自帶的2路SPI總線接口分別與無(wú)線通信模塊和SD卡進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸及SD卡的讀寫，中心存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

2 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)中，依據(jù)監(jiān)測(cè)區(qū)域最大化原則，將六個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)子節(jié)點(diǎn)部署到指定的方位，各環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)的傳感器組每隔固定時(shí)間，對(duì)該測(cè)點(diǎn)的溫度、濕度、光照度、二氧化碳體積濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)采集，微控制器STC15L204EA對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行換算處理，分別取溫度量和濕度量的3位有效數(shù)字、二氧化碳體積濃度和光照度的4位有效數(shù)字（以上均包括小數(shù)點(diǎn)后一位），考慮溫度值可能為負(fù)，外加1位溫度符號(hào)存儲(chǔ)信息，將以上量按規(guī)定順序以每位的ASCII碼形式存儲(chǔ)于數(shù)組中，一共有15Bytes的采集存儲(chǔ)信息；無(wú)線收發(fā)模塊的每包數(shù)據(jù)最大能傳32Bytes，一次即可將所有的環(huán)境監(jiān)測(cè)量傳送完。各環(huán)境監(jiān)測(cè)子節(jié)點(diǎn)的無(wú)線通信模塊在發(fā)射模式下將環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)2.4GHz無(wú)線電信號(hào)分別傳送到中心存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)無(wú)線通信模塊的對(duì)應(yīng)通道。中心存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)通過(guò)設(shè)置為接收模式下的無(wú)線通信模塊分別接收來(lái)自6個(gè)通道的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行匯總和處理，利用微控制器自帶的RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘，將接收的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)的接收時(shí)間（由于無(wú)線電傳輸時(shí)間極短，此處的中心節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)接收時(shí)間可等同于子節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集時(shí)間）利用FATfs文件系統(tǒng)以TXT文檔的形式寫入存儲(chǔ)介質(zhì)SD卡中，也可保存為其他文件類型，最終完成大區(qū)域范圍的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)線自動(dòng)化采集和存儲(chǔ)，有很好的時(shí)間同步性。SD卡和電腦或便攜式筆記本連接，直接可獲取采集數(shù)據(jù)的TXT文檔信息，并通過(guò)上位機(jī)軟件直接可將采集數(shù)據(jù)導(dǎo)入對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)，用于后續(xù)處理分析及應(yīng)用。

本設(shè)計(jì)中的多通道無(wú)線通信是指多個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)的環(huán)境數(shù)據(jù)的無(wú)線發(fā)送，單個(gè)中心存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的多路環(huán)境數(shù)據(jù)的無(wú)線接收。采用多通道通信主要是為了盡量減少環(huán)境數(shù)據(jù)同時(shí)傳輸時(shí)碰撞的幾率，也減少了硬件成本，同時(shí)能根據(jù)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的通道號(hào)得出該監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)號(hào)，充分利用了無(wú)線模塊自身所帶功能。采用了nRF24L01+作為射頻收發(fā)芯片，多通道通信的實(shí)現(xiàn)主要在于nRF24L01+模式的配置。首先初始化好環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)STC15L204EA和中心存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的STM32的SPI總線接口，再分別將環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)、中心存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的nRF24L01+配置成發(fā)送（TX）模式和接收（RX）模式[6]-[7]，然后進(jìn)入正常的工作模式。

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)線采集存儲(chǔ)系統(tǒng)運(yùn)用了傳感器技術(shù)、多通道無(wú)線通信技術(shù)，并使用了基于SD卡的FATfs文件系統(tǒng)對(duì)采集的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以文件形式進(jìn)行創(chuàng)建、寫入和管理，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的無(wú)線采集和實(shí)時(shí)終端存儲(chǔ)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)小巧，適用于無(wú)法搭建通信基站或輔助通信平臺(tái)的惡劣野外環(huán)境。整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)清晰，成本低廉。SD卡便于插拔、存儲(chǔ)便易、直接可與電腦或便攜式筆記本連接，利于環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集分析處理。

【參考文獻(xiàn)】

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