CN103759766A - 一种无线低功耗智能环境监测系统 - Google Patents

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CN103759766A CN201410015604.3A CN201410015604A CN103759766A CN 103759766 A CN103759766 A CN 103759766A CN 201410015604 A CN201410015604 A CN 201410015604A CN 103759766 A CN103759766 A CN 103759766A
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刘瑞安
冯琛皓
罗晨娴
王澜
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Tianjin Normal University
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Tianjin Normal University
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本发明公开了一种无线低功耗智能环境监测系统，包括监测终端子系统和探测节点子系统，两个子系统之间信息的交互采用无线通信的方式进行。该无线通信模块使得探测节点将环境信息以数据帧的形式传送给监测终端，以便将其显示在触摸液晶屏上，同时也可以使监测终端对探测节点进行身份校验；无线通信模块的载波信号由基于DDS数字频率载波的AD9854芯片产生,其输出频率范围为0-120MHz；所述的探测节点是以MSP430F5438单片机为控制核心，环境检测模块运用传感器技术，完成紫外线辐射量、可吸入颗粒物浓度、SO2浓度、温度、湿度、风速的检测；同时用户可以选择上限报警功能，以完成友好的人机交互。

Description

一种无线低功耗智能环境监测系统
本申请得到天津市自然科学基金（ 13JCYBJC15800 ）；天津市高等学校国家级大学生创新创业训练计划（201310065037）基金的资助。
技术领域
本发明属于信息数据采集与无线通信技术领域，涉及一种环境信息信号的采集及远程无线传输系统，包括软硬件平台及其对应的监测终端与探测节点，该系统主要应用于诸多行业和领域内的环境监测远程无线传输。
背景技术
在现代社会的生产生活中，对信号无线传输的应用需求快速增长。智能环境监测系统是将环境参数检测传感器现场采集到的信息通过无线的方式传输至监测终端，监测终端在接收到环境信息后，及时驱动触摸液晶屏将信息显示在其上面，便于用户及时获取环境信息，实现远程监测。同时为满足经济和节能环保的要求，在系统的软硬件设计时时刻考虑到了低功耗的问题。
智能环境监测系统可应用于气象环保、煤矿工业、精准农业等领域。对于一些危险地区的智能环境监测系统，往往要求将现场实时环境信息传输至监测终端，例如重大自然灾害现场、工厂排污监测区域等，以提高应对决策的准确性和及时性，提高工作效率。
智能环境监测系统即环境信息实时显示与处理系统，主要有三个关键技术：一是环境信息采集，即数据采集；二是无线数据传输，即无线数据通信；三是尽可能地减少功耗，即低功耗。因此，要研制出实时、便携和高性价比的环境监测系统，就要解决三个个主要问题：一是选用比较精密的环境检测传感器，在此基础上对数据进行处理；二是高稳定度的实时高速数据通信；三是降低功耗。
当前我国大多数用户获取的环境数据基本上是由中国环境监测总站发出的，但由于我国人口密度较大、排放源数量多并且分散、污染物空间分布非均匀性较强，现有的设备普遍成本高，功耗大，再加上当前经济技术条件和环境质量的客观因素，污染监控点的布设不合理等，造成一些测控数据不具有代表性，难以真实地反映用户周围的环境质量。
发明内容
本发明为了解决现有技术中存在的问题，提供了一种无线的低功耗智能环境监测系统。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
本发明的无线低功耗智能环境监测系统，包括监测终端子系统和探测节点子系统，两个子系统之间信息的交互采用无线通信的方式进行；探测节点子系统包括一个节点主控芯片以及与节点主控芯片连接的环境监测模块和无线发射通信模块，环境监测模块包括用于检测SO2浓度的化学气体传感器、检测可吸入颗粒物浓度的DSM501传感器、温湿度传感器、紫外线强度传感器和风速传感器；监测终端子系统包括一个终端主控芯片以及与终端主控芯片连接的无线接收通信模块和人机交互单元，人机交互单元由电容式触摸液晶屏和语音报警模块组成。
节点主控芯片和终端主控芯片都采用MSP430F5438单片机。
无线发射通信模块和无线接收通信模块之间的通讯信号采用OOK调制方式，载波信号由基于DDS数字频率载波的AD9854芯片产生，信号的多路传输采用四双向模拟开关IC-CD4066。
无线发射通信模块和无线接收通信模块之间采用的通信协议为：在发送信息时，首先发送一个中断使能脉冲，随后发送一个16位的地址码，接收的数据为3帧16位的数据码。
本发明具有的优点和积极效果是：
本发明的无线低功耗智能环境监测系统，包括监测终端子系统与探测节点子系统，设计实现了环境监测系统的轻便、实时、高性价比。在有限的无线带宽条件下实现了环境信息的远距离传输，且整套系统具有轻质量、低功耗等特点，协助解决诸如重大自然灾害现场、工厂排污监测区域等，用户需及时了解实时信息的问题，以提高应对决策的准确性和及时性，提高工作效率。
附图说明
图1为本发明的无线低功耗智能环境监测系统的整体结构框图；
图2为本发明的无线低功耗智能环境监测系统软件流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的无线低功耗智能环境监测系统做进一步说明。下述各实施例仅用于说明本发明而并非对本发明的限制。
图1为本发明的无线低功耗智能环境监测系统的整体结构框图。如图1所示，本发明的无线低功耗智能环境监测系统，包括监测终端子系统和探测节点子系统，两个子系统之间信息的交互采用无线通信的方式进行。
探测节点子系统包括一个节点主控芯片以及与节点主控芯片连接的环境监测模块和无线发射通信模块，环境监测模块包括用于检测SO2浓度的化学气体传感器、检测可吸入颗粒物浓度的DSM501传感器、温湿度传感器、紫外线强度传感器和风速传感器。为满足环境监测系统实时、便捷、高性价比的要求，对于SO2浓度的检测，本系统采用3SF CiTicel传感器，它是一种新型的定电位电解化学气体传感器，通过氧化或还原反应将浓度转化为电信号，通过检测电信号的大小得到相应气体的浓度。而对于灰尘粉尘的检测采用DSM501传感器，它的特点是采用粒子计数原理，PWM脉宽调制输出，便于进行数字信号处理。温湿度的检测采用SHT15传感器，SHT15是基于CMOSens技术的单片全校准数字式温湿度传感器，具有高精度、高集成度、反应迅速、低功耗等特点。检测太阳光紫外线强度总量用到UVM-30传感器模块，它响应极快、全互换性好，实现了测量紫外线指数（UVI）的高可靠性和精确性。对于风速的检测，本系统采用WS-01传感器。WS-01风速传感器采用传统三风杯结构，风杯选用碳纤维材料，强度高，启动好；精密信号处理单元可根据场合需要输出各种信号。
监测终端子系统包括一个终端主控芯片以及与终端主控芯片连接的无线接收通信模块和人机交互单元，人机交互单元由电容式触摸液晶屏和语音报警模块组成。为了实现友好的人机交互，采用了电容式触摸液晶屏，以充分发挥其操作新奇、不易误读、耐用度高的优势。
两个子系统各设置有一个主控芯片进行数据处理，节点主控芯片和终端主控芯片都采用MSP430F5438单片机。该系统选用TI公司推出的16位超低功耗、具有精简指令集的MSP430F5xx系列单片机，是因为该款单片机具有超低功耗的特点。
无线发射通信模块和无线接收通信模块在信号调制方面，鉴于低功耗、方便易行的考虑，采用OOK调制方式。无线通信是基于AD公司的高性能DDS芯片——AD9854，与四双向模拟开关IC——CD4066，由MSP430单片机进行控制。最后确定通信协议方案，设计思想是由终端发出一个同步传输的信号，节点接收并与自己的“身份”进行校对，验证完毕后，探测节点将检测到的环境信息以数据帧的形式向监测终端发送。
无线发射通信模块和无线接收通信模块之间采用的通信协议为：在发送信息时，首先发送一个中断使能脉冲，随后发送一个16位的地址码，接收的数据为3帧16位的数据码。
表1  无线通信协议的数据格式            
16位地址码
   未使用 奇偶校验位 地址数据
7 1 8
                                          16位数据码1
标志 温度 湿度 奇偶校验
2 7 6 1
                                         16位数据码2
标志 紫外线辐射量 可吸入颗粒物浓度 奇偶校验
2 6 7 1
                                          16位数据码3
标志 二氧化硫浓度 风速 奇偶校验
2 7 6 1
表1所示为无线低功耗智能环境监测系统无线通信协议的数据格式。由于待传输的数据信息比较长，而已有的通信协议又无法完全满足要求，因此本文将另行设计一套通信协议，以满足该系统的通信要求。在发送信息时，首先发送一个中断使能脉冲，随后发送一个16位的地址码，接收的数据为若干帧16位的数据码。
图2为本发明的无线低功耗智能环境监测系统软件流程图。本系统软件采用层次化、模块化结构设计，主要包括基于MSP430F5xx的无线收发模块子程序、环境参数采集模块子程序、触摸液晶屏硬件驱动模块子程序以及上限报警模块子程序等。
本发明的环境监测系统设计主要包括监测终端信息处理和探测节点信息采集，两者之间信息的交互采用无线通信的方式。该无线通信模块使得探测节点将环境信息以数据帧的形式传送给监测终端，以便将其显示在触摸液晶屏上，同时也可以使监测终端对探测节点进行身份校验。无线通信模块的载波信号由基于DDS数字频率载波的AD9854芯片产生，其输出频率范围为0-120MHz，综合各方面因素，只需使其产生稳定的30MHz正弦波信号即可。此载波信号进入四双向模拟开关 CD4066，再通过天线发射出去。该模拟开关可作为模拟或数字信号的多路传输，待传输的模拟信号的上限频率应为40MHz,各开关间的串扰很小,典型值为-50dB。 
在本系统中，MSP430F5xx单片机的供电电压为3.3V，并提供32.768KHz和14.7456MHz无源晶振各自产生的两组时钟，以及DCO数字振荡器产生的时钟。当MSP430F5xx单片机在3.3V供电电压下，以1MHz的速度运行时，典型的电流值约为210μA。此外,MSP430单片机还具有 5种低功耗模式 LPM0~LPM 4,节电方式下的最低电流可达0.1μA 。硬件上的设计确定之后, 在不同的情况下将通过软件控制系统的工作时钟和工作模式，并且大多数情况下，单片机在执行完相关操作后立即进入低功耗模式，以便于控制总体功耗。要想降低功耗，一方面在于微处理器的设计，另一方面也要关注电源的管理和外围功耗电路的接口设计。例如，无线通信模块采用9600bit/s的波特率, 传输速度快, 完成数据通信后立即进入睡眠模式, 以尽可能地保证系统的低功耗。

Claims (4)

1.一种无线低功耗智能环境监测系统，其特征在于：该系统包括监测终端子系统和探测节点子系统，两个子系统之间信息的交互采用无线通信的方式进行；探测节点子系统包括一个节点主控芯片以及与节点主控芯片连接的环境监测模块和无线发射通信模块，环境监测模块包括用于检测SO2浓度的化学气体传感器、检测可吸入颗粒物浓度的DSM501传感器、温湿度传感器、紫外线强度传感器和风速传感器；监测终端子系统包括一个终端主控芯片以及与终端主控芯片连接的无线接收通信模块和人机交互单元，人机交互单元由电容式触摸液晶屏和语音报警模块组成。
2.根据权利要求1所述的一种无线低功耗智能环境监测系统，其特征在于：节点主控芯片和终端主控芯片都采用MSP430F5438单片机。
3.根据权利要求1所述的一种无线低功耗智能环境监测系统，其特征在于：无线发射通信模块和无线接收通信模块之间的通讯信号采用OOK调制方式，载波信号由基于DDS数字频率载波的AD9854芯片产生，信号的多路传输采用四双向模拟开关IC-CD4066。
4.根据权利要求1所述的一种无线低功耗智能环境监测系统，其特征在于，无线发射通信模块和无线接收通信模块之间采用的通信协议为：在发送信息时，首先发送一个中断使能脉冲，随后发送一个16位的地址码，接收的数据为3帧16位的数据码。
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