融合多傳感器數(shù)據(jù)的社區(qū)環(huán)境智慧監(jiān)測系統(tǒng)設計

胡嘉偉 馮正慧 陳國俊 馬保禎

摘要：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已應用到了社會生產(chǎn)各領域。文章設計開發(fā)了一個融合多個傳感器的社區(qū)環(huán)境智慧監(jiān)測系統(tǒng)，并將數(shù)據(jù)融合分析，進行智能監(jiān)測。該系統(tǒng)開發(fā)核心為STC89C52單片機，由溫濕度感應器、紅外感應器、煙霧感應器、紫外線感應器、PM2.5感應器等組成；借助無線收發(fā)模塊進行數(shù)據(jù)傳輸，將監(jiān)測到的實時數(shù)據(jù)經(jīng)過分析后，通過以SIM800L芯片為核心的GSM通信模塊發(fā)送到社區(qū)管理員通信接收端，便于監(jiān)測社區(qū)環(huán)境數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)在社區(qū)環(huán)境監(jiān)測管理中將具有一定實用價值。

關鍵詞：數(shù)據(jù)融合；環(huán)境智慧檢測；GSM；STC89C52；單片機

中圖分類號：TN92? 文獻標志碼：A

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)廣泛應用于智能交通、智能家居、公共安全、環(huán)境保護等社會領域，并且發(fā)揮了巨大的作用，而環(huán)境監(jiān)測領域也是物聯(lián)網(wǎng)的研究領域。我國的環(huán)境監(jiān)測行業(yè)處于發(fā)展階段。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究方向在社區(qū)環(huán)境監(jiān)測方面的投入較少。本文目的是能夠讓社區(qū)更智能化、便捷化、人性化，讓居民生活更加便利，生活環(huán)境更加舒適。本文借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合不同類型的多種傳感器，設計了一種社區(qū)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，來實現(xiàn)現(xiàn)代社區(qū)中環(huán)境監(jiān)測的智能化、信息的資源化和服務的規(guī)范化，為以后更多的監(jiān)測信息數(shù)據(jù)的融合提供基礎平臺。本系統(tǒng)能夠更全面、直觀地了解社區(qū)環(huán)境信息，具有一定現(xiàn)實意義和研究價值。

1 總體方案設計

基于STC89C52單片機設計的社區(qū)環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)集多傳感器于一體。整個系統(tǒng)主要分為控制模塊、數(shù)據(jù)信息采集模塊、信息傳遞模塊和報警模塊。系統(tǒng)可實現(xiàn)社區(qū)內(nèi)煙霧濃度、粉塵濃度、紫外線強度、溫濕度以及人體紅外等環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測，并將傳感器檢測到的數(shù)據(jù)通過信息傳輸模塊發(fā)送到用戶的手機端。社區(qū)環(huán)境智慧監(jiān)測系統(tǒng)總體設計如圖 1所示。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 控制模塊

本文采用STC89C52單片機，它是一款采用CMOS八位微處理器的單片機，具有低損耗、高性能的特點。字節(jié)的系統(tǒng)可編寫閃存，執(zhí)行指令的速度很快，256×8位內(nèi)部RAM，雙向I/O端口中斷32個，串行中斷2個，可編程UART串行通道，2條斷口線讀寫。使用USB轉(zhuǎn)串口即可下載。5.5 V～3.3 V的工作電壓，對工作環(huán)境的要求相對較低，在電壓低于5 V的情況下仍能正常工作，甚至在3～4 V也能發(fā)揮作用。

另外，STC89C52芯片組成的最小系統(tǒng)相對可靠，只需在單片機上連接時鐘電路和復位電路。它不僅可以完全代替51系列的單片機，還擁有51單片機本身沒有的許多功能。

2.2 數(shù)據(jù)信息采集模塊

數(shù)據(jù)信息采集模塊主要由DHT11溫濕度傳感器、PM2.5粉塵傳感器、MQ-2煙霧傳感器、紅外傳感器和紫外傳感器組成。

2.2.1 DHT11溫濕度傳感器

DHT11溫濕度傳感器是一種可同時測量溫度和濕度的復合傳感器，采用獨特的數(shù)字模塊技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，具有校準的數(shù)字信號輸出，能夠以程序的方式保存在存儲器中，以便于在傳感器處理檢測信號時進行調(diào)用，使產(chǎn)品具有高穩(wěn)定性和可靠性。傳感器的串行接口是單線型，能夠使系統(tǒng)集成變得簡單迅速。其有效測量范圍如表 1所示。

2.2.2 PM2.5粉塵傳感器

本文使用的粉塵傳感器型號為GP2Y1010AU0F，靈敏度達到0.5 V/0.1 mg/m3，工作溫度處于-10～65℃，存儲溫度處于-20～80℃，具有極低的消耗電流，性能十分穩(wěn)定，能夠檢測到十分微小的顆粒。

當空氣潔凈時，Vo的范圍是0～1.5 V，典型值是0.9 V；當空氣灰塵濃度高時，Vo的數(shù)值大于3.6 V。但是該傳感器輸出的最大電壓為3.6 V，無法精準測出濃度值。0.9 V表示空氣潔凈，3.6 V表示空氣灰塵多。取正常值0.9 V，灰塵濃度0.053 mg/m3。當達到最大電壓值3.6 V時，灰塵濃度為0.512 mg/m3。傳感器的范圍是0～512 μg/m3。

2.2.3 MQ-2煙霧傳感器

本文采用的煙霧傳感器型號是MQ-2。MQ-2煙霧傳感器使用二氧化錫半導體氣敏材料，是表面離子N型半導體。它的煙感比較高，檢測可燃氣體和煙霧的范圍為100～10 000 ppm，加熱電壓為5～0.2 V，抗干擾能力較強，對于一些具有刺激性氣味，但并不屬于可燃氣體的煙霧，能夠準確地將它們排除。這種傳感器用于檢測其他多種可燃性氣體也比較理想，如天然氣、酒精等。MQ-2煙霧傳感器是一款能夠檢測多種氣體的、低成本的多氣體傳感器。

使用打火機釋放丁烷氣體，使傳感器在環(huán)境中與煙霧進行接觸，傳感器的電導率就會因為煙霧的作用發(fā)生變化?？諝庵袩熿F的濃度升高，就會使傳感器表面的電導率升高，從而導致輸出電阻的阻值降低，輸出更大的模擬信號。輸出的數(shù)據(jù)超過預設的煙霧濃度時，就會進入聲光報警模塊，通過短信發(fā)送報警信息到用戶手機。

2.2.4 紅外傳感器

本文所使用的紅外傳感器可以依靠紅外技術(shù)實現(xiàn)自動控制，用于人體的紅外檢測。它的默認工作電壓一般為4.5～20 V，在電壓超低的情況下也能夠正常工作。此外，該紅外傳感器具有可重復觸發(fā)方式，即感應輸出高電平后，在延時的時間段內(nèi)，如果有人在傳感器感應范圍內(nèi)活動，它的輸出端將持續(xù)輸出高電平，反之當人離開感應范圍時，它會自動延遲并輸出低電平。

紅外線傳感器是利用遠紅外線范圍的感度作為人體檢測用，紅外線的波長比可見光長而比電波短。人體的體溫約為36～37 ℃，所放射出峰值為9～10μm的遠紅外線，另外加熱至400～700 ℃的物體，可放射出峰值為3～5μm的中間紅外線。

2.2.5 紫外傳感器

本文使用的UV傳感器型號為GUVA-S12SD。這是一款可以檢測紫外線輻射強度的傳感器。工作電壓：3.3～5 V（DC），光譜檢測范圍：240～370 nm，響應度：0.14 a/w。感應器自帶4個定位孔，便于裝置固定。

這款UV傳感器可與多種單片機控制板兼容。使用間距為2.54 mm的排針接口，使用公對母杜邦線，可以直接連接在要使用的單片機上［1］。

2.3 信息傳輸模塊

本文采用的GSM通信模塊型號為SIM800A，主要通過串口連接STC89C52單片機，包括數(shù)據(jù)信號線、狀態(tài)信號線和控制信號線，從而實現(xiàn)由單片機控制SIM800A模塊。

通過使用軟件來達到對SIM800A通信模塊的控制，并且能夠規(guī)避硬件不必要的信號檢測。SIM800A作為一個模塊，SIM800A模塊的電源引腳是連接在一起的，各方面的功能都較完善，所以無需做任何的信號處理和射頻處理。另外SIM800A模塊需要和SIM卡底座進行連接，才能實現(xiàn)完整的GSM通信模塊。

串口的設計中，單片機的高電平和低電平的邏輯判斷電平可實現(xiàn)SIM800A引腳連接。因此，TC35模塊的串口線與單片機的串口線直接連接。SIM800A模塊的NETLIGHT管腳用來表示GSM模塊工作狀態(tài)，連接指示燈用來表示GSM模塊工作狀態(tài)。在用戶的手機上可以通過GSM信息傳輸模塊收到環(huán)境中各個傳感器測量的數(shù)值［2］。

在SIM800A的GSM模塊卡槽中插入移動手機卡，將模塊插到萬用板上。開機初始化后液晶屏顯示初始化畫面，GSM模塊上指示燈3 s一閃代表有信號，即可正常發(fā)送短信。

2.4 報警模塊

報警模塊主要由燈光報警電路和聲音報警電路兩部分組成。

2.4.1 燈光報警電路

燈光報警電路中，設計采用的LED發(fā)光二極管是一種固體半導體器件，具有使用壽命長，輻射低，可循環(huán)等優(yōu)點，可以將電能直接轉(zhuǎn)化為可見光。本報警電路中針對不同的報警可使用不同顏色的LED燈進行顯示。

2.4.2 聲音報警電路

聲音報警電路采用5V有源蜂鳴器，是一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器，采用直流供電的供電方式。當有傳感器檢測的數(shù)據(jù)超出預設值，蜂鳴器即會報警。

蜂鳴器主要分為壓電式和電磁式兩種。本文采用壓電式蜂鳴器。它主要由多諧振蕩器、壓電蜂鳴片、阻抗匹配器及共鳴箱、外殼等組成。接通1.5～15 V的直流電源后，多諧振蕩器啟動振動，輸出1.5～2.5 kHz音頻信號，阻抗匹配器推動壓電蜂鳴片發(fā)出聲響［3］。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件程序編寫使用Keil4 軟件C51語言。C51語言編寫的程序在功能、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學易用。系統(tǒng)編程采用模塊化設計思想，包含主程序模塊和一系列子程序模塊。主程序完成系統(tǒng)的初始化和調(diào)用子程序操作，各子程序包含傳感器采集數(shù)據(jù)、液晶顯示、聲光報警、GSM發(fā)送短信和串口初始化等模塊。GSM通信模塊通過AT命令來進行控制，采用短消息模式進行數(shù)據(jù)傳輸。

4 系統(tǒng)調(diào)試

調(diào)試過程中要檢測硬件電路的設計原理是否正確、能否達到預期效果以及實現(xiàn)方法是否簡便等；在焊接好有線電路之后，認真檢查電路的焊接情況。本文采用的是分塊調(diào)試的方法，MQ-2探測電路，報警電路以及單片機控制電路進行調(diào)試。在對每個模塊的進行調(diào)試過程中采用由局部到整體，由簡單到復雜的調(diào)試方法，最后再將各個模塊合成一個整體［4］。

5 結(jié)語

本文系統(tǒng)地介紹了融合多傳感器數(shù)據(jù)的社區(qū)環(huán)境智慧監(jiān)測系統(tǒng)軟硬件設計與實現(xiàn)方法，完成了該系統(tǒng)的開發(fā)。通過對系統(tǒng)的仿真測試，驗證了系統(tǒng)在實際情況下的可行性。

由于筆者所涉知識領域范疇的局限性，系統(tǒng)仍存在不足之處。如檢測內(nèi)容可以再豐富；人機界面可以再優(yōu)化；在未來，監(jiān)控助手還可以根據(jù)實時檢測數(shù)據(jù)為用戶提供出行指導。相信隨著智慧社區(qū)的普及，融合多傳感器數(shù)據(jù)的社區(qū)環(huán)境智慧監(jiān)測系統(tǒng)將更加完善。

參考文獻

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［2］陳國俊，羊潔明，葛洪偉.基于可逆網(wǎng)絡的單一圖像超分辨率［J］.信息與控制，2021（5）：602-608，615.

［3］羅盆琳，方艷紅，王學淵，等.基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的障礙物判定系統(tǒng)［J］.制造業(yè)自動化，2022（11）：114-118.

［4］徐敏.基于STC89C52單片機的蜂鳴器的設計與實現(xiàn)［J］.無線互聯(lián)科技，2022（16）：95-98.

（編輯 李春燕）

Design of intelligent monitoring system for community environment fused with multi-sensor data

Hu? Jiawei， Feng? Zhenghui， Chen? Guojun， Ma? Baozhen

（College of Computer Internet of Tings Engineering， Wuxi Taihu University， Wuxi 214064， China）

Abstract：? Internet of Things technology has been applied to all fields of social production. This design is to develop a community environment intelligent monitoring system that integrates multiple sensors， and integrates data analysis for intelligent monitoring. The core of the system development is STC89C52 single-chip microcomputer， which is composed of temperature and humidity sensor， infrared sensor， smoke sensor， ultraviolet sensor， PM2.5 sensor， etc.， with the help of wireless transceiver module for data transmission， the monitored real-time data is analyzed and sent to the community administrator communication receiver through the GSM communication module with the SIM800L chip as the core， which is convenient for monitoring community environmental data. The system will have certain practical value in community environmental monitoring and management.

Key words： data fusion; environmental intelligence detection; GSM; STC89C52; microcontroller