基于物联网的环境监测仪的设计与实现

王建勇+王小平+杨埙

摘 要：本文设计的环境监测仪是基于HOLTEK MCU作为中央微处理器，实现环境温度、湿度、光强监测、有毒气体等环境参数的监测，着重阐述了主控模块的功能，串口模块、显示模块、无线发射模块的设计以及电源部分设计思想。该设计实现了主控模块的基本功能要求，能够较好地完成各项参数的测试指标。

关键词：环境监测仪；HOLTEK MCU；测试指标

中图分类号：TP919.1 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2014）02-0030-02

0 引 言

21世纪是科技信息的时代，物联网技术的兴起与应用对各行各业的发展带来了新的机遇。在社会的发展过程中，由于环境的污染和破坏，自然灾害不断发生，为了保证人们的生命财产安全，开发环境监测仪的意义显得越来越重要。基于此，本文主要对环境监测仪进行设计与实现。

1 监测仪的系统结构

本环境监测仪主要以实现温度、湿度、光强、有毒气体等环境参数的监测，同时为了给用户提供更大的方便，还采用了GSM直接面向用户手机，通过无线传输平台，实现远程监控。

以传感器为主要的检测部件，按照设计的程序进行检测以达到控制、分析、计数和数据显示等功能。借助微处理器和计算机之间的串行通信完成人机交换控制。

环境监测仪主要由数据采集模块、主控模块、GSM模块、显示模块、电源部分、串口通信部分、晶体振荡器部分等组成，其系统主要结构如图1所示。

图1 系统主要结构图

图1中，主控模块采用HOLTEK MCU作为中央微处理器，整合外围模块，构成最小系统，最终完成一些环境参数的监测功能。

GSM模块主要作为主控模块的报警通道，同时也是用户远程控制的通道，负责信息的接收与传送。

液晶显示模块用于显示模块工作状态及数据，主要用于测试系统和安装系统以及演示时使用。

传感器模块负责环境数据采集并传到控制器进行处理。

2 主控模块功能介绍

HT46RU232是8位高性能精简指令集微处理器，专门为需要A/D转换产品而设计，如传感器信号输入、低功耗、I/O使用灵活、可编程分频器、计数器、振荡类型选择、多通道A/D转换、脉宽调制功能、I2C接口、UART总线、暂停和唤醒功能，使这款微处理器可以广泛应用于传感器的A/D转换、马达控制、工业控制、消费类产品、子系统控制器等。HT46RU232的内部结构如图2所示。

图2 HT46RU232内部结构

HT46RU232的主要特性如下：

工作电压：FSYS=4 MHz：2.2～5.5 V， FSYS=8 MHz：3～5.5V ；最多可有40个双向输入/输出口；1个与输入/输出口共用引脚的外部中断输入 ；1个8位和2个16位可编程定时/计数器，具有溢出中断；内置晶体和RC 振荡电路；看门狗定时器；4 096×16 b程序存储器 ROM ；192×8 b数据存储器RAM；具有PFD 功能，可用于发声；HALT 和唤醒功能可降低功耗；在VDD=5 V，系统频率为8 MHz时，指令周期为0.5 ?s；8层硬件堆栈；8通道12位分辨率的A/D转换器；4 通道 8 位的 PWM 输出，与输入/输出口共用引脚；位操作指令查表指令，表格内容字长16 b；63条指令；指令执行时间为1或2 个指令周期；低电压复位功能I2C总线（slave模式）；通用异步接收/发送器（UART） ；28-pin SKDIP/SOP、48-pin SSOP 封装。

3 硬件设计

3.1 串口通信模块设计

串口通信模块电路采用了异步串行通信芯片MAX232，与HT46RU232的串行接口连接，通过串口传输数据，速度比较快，距离也较远，能够很好地满足系统功能要求。电路连接架构如图3所示。

3.2 显示模块设计

本环境监测仪的显示模块选择的是液晶显示，在显示屏上可以显示温度、湿度、光强监测、有毒气体等环境参数的监测结果。电路连接架构如图4所示。

图3 串口连接框图 图4 显示屏连接图

3.3 无线发射模块设计

无线发射模块采用FSK半双工工作方式，自动过滤噪声具有自动避让功能，避免同频率同时发送而干扰，类似载波侦听，工作稳定可靠。模块的传输距离与调制信号频率及幅度、发射电压及电池容量、发射天线、接收机的灵敏度、收发环境等有关。发射模块设计在主板边缘，距离周围器件5 mm以上，使其分布参数不受影响。

3.4 电源模块的设计

对主控板电源的分析与统计，核心控制模块需要电压5 V、3.3 V、1.8 V、1.5 V，标准运行模式下系统功耗为6.61 W。电源部分的设计采用二级分压模式。为避免不同功能模块间的相互干扰，各个模块的二级电压采用单独电源模块生成。一级电源转换采用DC-DC模块实现，即Emerson公司提供的ALD10F48N-L电源模块，该模块的输入电源电压为-48 V，输出电源电压为3.3 V，输出电流为10 A，输出功率高达33 W，典型转换效率高达90%，完全能够满足主控板功率需求。

4 结 语

本文介绍了基于HOLTEK MCU作为中央微处理器的环境监测仪的硬件设计，着重阐述了主控模块的功能与设计方案及电源部分设计思想。该设计实现了主控模块的基本功能要求，并详细考虑各种硬件需求，使系统更加稳定，便于升级。

参 考 文 献

[1] HOLTEK HT46RU232 A/D+UART型八位单片机[R].盛群半导体有限公司.

[2] AD With LCD型单片机[R]. 盛群半导体有限公司.

[3] 李天山.基于单片机的室内环境监测仪设计与实现[J].滨州学院学报，2012（3）： 97-100.

[4] 李强，胡蕴琪，王晓君. 基于AVR单片机的无线环境监测仪设计[J]. 数字技术与应用，2012（8）：121-122.

[5] 戴安娜，陈硕. 基于生物传感技术的新型环境污染物多指标分析仪[J].科技创新与品牌，2012（5）： 79.

Design and implementation IOT-based environmental monitoring device

WANG Jian-yong， WANG Xiao-ping， YANG Xun

（Chongqing City Management College， Chongqing 401331， China）

Abstract： The environmental monitoring device is based on HOLTEK MCU as the central microprocessor to realize the monitoring the environmental parameters of temperature， humidity， light intensity， toxic gases. The function of the main control module， serial module， display module and the design of wireless transmitter module are elaborated along with the design ideas of power unit. The design realized the basic functions of the master module， can complete the test indicator for each parameter better.

Keywords： environmental monitors； HOLTEK MCU； test indicator

摘 要：本文设计的环境监测仪是基于HOLTEK MCU作为中央微处理器，实现环境温度、湿度、光强监测、有毒气体等环境参数的监测，着重阐述了主控模块的功能，串口模块、显示模块、无线发射模块的设计以及电源部分设计思想。该设计实现了主控模块的基本功能要求，能够较好地完成各项参数的测试指标。

关键词：环境监测仪；HOLTEK MCU；测试指标

中图分类号：TP919.1 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2014）02-0030-02

0 引 言

21世纪是科技信息的时代，物联网技术的兴起与应用对各行各业的发展带来了新的机遇。在社会的发展过程中，由于环境的污染和破坏，自然灾害不断发生，为了保证人们的生命财产安全，开发环境监测仪的意义显得越来越重要。基于此，本文主要对环境监测仪进行设计与实现。

1 监测仪的系统结构

本环境监测仪主要以实现温度、湿度、光强、有毒气体等环境参数的监测，同时为了给用户提供更大的方便，还采用了GSM直接面向用户手机，通过无线传输平台，实现远程监控。

以传感器为主要的检测部件，按照设计的程序进行检测以达到控制、分析、计数和数据显示等功能。借助微处理器和计算机之间的串行通信完成人机交换控制。

环境监测仪主要由数据采集模块、主控模块、GSM模块、显示模块、电源部分、串口通信部分、晶体振荡器部分等组成，其系统主要结构如图1所示。

图1 系统主要结构图

图1中，主控模块采用HOLTEK MCU作为中央微处理器，整合外围模块，构成最小系统，最终完成一些环境参数的监测功能。

GSM模块主要作为主控模块的报警通道，同时也是用户远程控制的通道，负责信息的接收与传送。

液晶显示模块用于显示模块工作状态及数据，主要用于测试系统和安装系统以及演示时使用。

传感器模块负责环境数据采集并传到控制器进行处理。

2 主控模块功能介绍

HT46RU232是8位高性能精简指令集微处理器，专门为需要A/D转换产品而设计，如传感器信号输入、低功耗、I/O使用灵活、可编程分频器、计数器、振荡类型选择、多通道A/D转换、脉宽调制功能、I2C接口、UART总线、暂停和唤醒功能，使这款微处理器可以广泛应用于传感器的A/D转换、马达控制、工业控制、消费类产品、子系统控制器等。HT46RU232的内部结构如图2所示。

图2 HT46RU232内部结构

HT46RU232的主要特性如下：

工作电压：FSYS=4 MHz：2.2～5.5 V， FSYS=8 MHz：3～5.5V ；最多可有40个双向输入/输出口；1个与输入/输出口共用引脚的外部中断输入 ；1个8位和2个16位可编程定时/计数器，具有溢出中断；内置晶体和RC 振荡电路；看门狗定时器；4 096×16 b程序存储器 ROM ；192×8 b数据存储器RAM；具有PFD 功能，可用于发声；HALT 和唤醒功能可降低功耗；在VDD=5 V，系统频率为8 MHz时，指令周期为0.5 ?s；8层硬件堆栈；8通道12位分辨率的A/D转换器；4 通道 8 位的 PWM 输出，与输入/输出口共用引脚；位操作指令查表指令，表格内容字长16 b；63条指令；指令执行时间为1或2 个指令周期；低电压复位功能I2C总线（slave模式）；通用异步接收/发送器（UART） ；28-pin SKDIP/SOP、48-pin SSOP 封装。

3 硬件设计

3.1 串口通信模块设计

串口通信模块电路采用了异步串行通信芯片MAX232，与HT46RU232的串行接口连接，通过串口传输数据，速度比较快，距离也较远，能够很好地满足系统功能要求。电路连接架构如图3所示。

3.2 显示模块设计

本环境监测仪的显示模块选择的是液晶显示，在显示屏上可以显示温度、湿度、光强监测、有毒气体等环境参数的监测结果。电路连接架构如图4所示。

图3 串口连接框图 图4 显示屏连接图

3.3 无线发射模块设计

无线发射模块采用FSK半双工工作方式，自动过滤噪声具有自动避让功能，避免同频率同时发送而干扰，类似载波侦听，工作稳定可靠。模块的传输距离与调制信号频率及幅度、发射电压及电池容量、发射天线、接收机的灵敏度、收发环境等有关。发射模块设计在主板边缘，距离周围器件5 mm以上，使其分布参数不受影响。

3.4 电源模块的设计

对主控板电源的分析与统计，核心控制模块需要电压5 V、3.3 V、1.8 V、1.5 V，标准运行模式下系统功耗为6.61 W。电源部分的设计采用二级分压模式。为避免不同功能模块间的相互干扰，各个模块的二级电压采用单独电源模块生成。一级电源转换采用DC-DC模块实现，即Emerson公司提供的ALD10F48N-L电源模块，该模块的输入电源电压为-48 V，输出电源电压为3.3 V，输出电流为10 A，输出功率高达33 W，典型转换效率高达90%，完全能够满足主控板功率需求。

4 结 语

本文介绍了基于HOLTEK MCU作为中央微处理器的环境监测仪的硬件设计，着重阐述了主控模块的功能与设计方案及电源部分设计思想。该设计实现了主控模块的基本功能要求，并详细考虑各种硬件需求，使系统更加稳定，便于升级。

参 考 文 献

[1] HOLTEK HT46RU232 A/D+UART型八位单片机[R].盛群半导体有限公司.

[2] AD With LCD型单片机[R]. 盛群半导体有限公司.

[3] 李天山.基于单片机的室内环境监测仪设计与实现[J].滨州学院学报，2012（3）： 97-100.

[4] 李强，胡蕴琪，王晓君. 基于AVR单片机的无线环境监测仪设计[J]. 数字技术与应用，2012（8）：121-122.

[5] 戴安娜，陈硕. 基于生物传感技术的新型环境污染物多指标分析仪[J].科技创新与品牌，2012（5）： 79.

Design and implementation IOT-based environmental monitoring device

WANG Jian-yong， WANG Xiao-ping， YANG Xun

（Chongqing City Management College， Chongqing 401331， China）

Abstract： The environmental monitoring device is based on HOLTEK MCU as the central microprocessor to realize the monitoring the environmental parameters of temperature， humidity， light intensity， toxic gases. The function of the main control module， serial module， display module and the design of wireless transmitter module are elaborated along with the design ideas of power unit. The design realized the basic functions of the master module， can complete the test indicator for each parameter better.

Keywords： environmental monitors； HOLTEK MCU； test indicator

摘 要：本文设计的环境监测仪是基于HOLTEK MCU作为中央微处理器，实现环境温度、湿度、光强监测、有毒气体等环境参数的监测，着重阐述了主控模块的功能，串口模块、显示模块、无线发射模块的设计以及电源部分设计思想。该设计实现了主控模块的基本功能要求，能够较好地完成各项参数的测试指标。

关键词：环境监测仪；HOLTEK MCU；测试指标

中图分类号：TP919.1 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2014）02-0030-02

0 引 言

21世纪是科技信息的时代，物联网技术的兴起与应用对各行各业的发展带来了新的机遇。在社会的发展过程中，由于环境的污染和破坏，自然灾害不断发生，为了保证人们的生命财产安全，开发环境监测仪的意义显得越来越重要。基于此，本文主要对环境监测仪进行设计与实现。

1 监测仪的系统结构

本环境监测仪主要以实现温度、湿度、光强、有毒气体等环境参数的监测，同时为了给用户提供更大的方便，还采用了GSM直接面向用户手机，通过无线传输平台，实现远程监控。

以传感器为主要的检测部件，按照设计的程序进行检测以达到控制、分析、计数和数据显示等功能。借助微处理器和计算机之间的串行通信完成人机交换控制。

环境监测仪主要由数据采集模块、主控模块、GSM模块、显示模块、电源部分、串口通信部分、晶体振荡器部分等组成，其系统主要结构如图1所示。

图1 系统主要结构图

图1中，主控模块采用HOLTEK MCU作为中央微处理器，整合外围模块，构成最小系统，最终完成一些环境参数的监测功能。

GSM模块主要作为主控模块的报警通道，同时也是用户远程控制的通道，负责信息的接收与传送。

液晶显示模块用于显示模块工作状态及数据，主要用于测试系统和安装系统以及演示时使用。

传感器模块负责环境数据采集并传到控制器进行处理。

2 主控模块功能介绍

HT46RU232是8位高性能精简指令集微处理器，专门为需要A/D转换产品而设计，如传感器信号输入、低功耗、I/O使用灵活、可编程分频器、计数器、振荡类型选择、多通道A/D转换、脉宽调制功能、I2C接口、UART总线、暂停和唤醒功能，使这款微处理器可以广泛应用于传感器的A/D转换、马达控制、工业控制、消费类产品、子系统控制器等。HT46RU232的内部结构如图2所示。

图2 HT46RU232内部结构

HT46RU232的主要特性如下：

工作电压：FSYS=4 MHz：2.2～5.5 V， FSYS=8 MHz：3～5.5V ；最多可有40个双向输入/输出口；1个与输入/输出口共用引脚的外部中断输入 ；1个8位和2个16位可编程定时/计数器，具有溢出中断；内置晶体和RC 振荡电路；看门狗定时器；4 096×16 b程序存储器 ROM ；192×8 b数据存储器RAM；具有PFD 功能，可用于发声；HALT 和唤醒功能可降低功耗；在VDD=5 V，系统频率为8 MHz时，指令周期为0.5 ?s；8层硬件堆栈；8通道12位分辨率的A/D转换器；4 通道 8 位的 PWM 输出，与输入/输出口共用引脚；位操作指令查表指令，表格内容字长16 b；63条指令；指令执行时间为1或2 个指令周期；低电压复位功能I2C总线（slave模式）；通用异步接收/发送器（UART） ；28-pin SKDIP/SOP、48-pin SSOP 封装。

3 硬件设计

3.1 串口通信模块设计

串口通信模块电路采用了异步串行通信芯片MAX232，与HT46RU232的串行接口连接，通过串口传输数据，速度比较快，距离也较远，能够很好地满足系统功能要求。电路连接架构如图3所示。

3.2 显示模块设计

本环境监测仪的显示模块选择的是液晶显示，在显示屏上可以显示温度、湿度、光强监测、有毒气体等环境参数的监测结果。电路连接架构如图4所示。

图3 串口连接框图 图4 显示屏连接图

3.3 无线发射模块设计

无线发射模块采用FSK半双工工作方式，自动过滤噪声具有自动避让功能，避免同频率同时发送而干扰，类似载波侦听，工作稳定可靠。模块的传输距离与调制信号频率及幅度、发射电压及电池容量、发射天线、接收机的灵敏度、收发环境等有关。发射模块设计在主板边缘，距离周围器件5 mm以上，使其分布参数不受影响。

3.4 电源模块的设计

对主控板电源的分析与统计，核心控制模块需要电压5 V、3.3 V、1.8 V、1.5 V，标准运行模式下系统功耗为6.61 W。电源部分的设计采用二级分压模式。为避免不同功能模块间的相互干扰，各个模块的二级电压采用单独电源模块生成。一级电源转换采用DC-DC模块实现，即Emerson公司提供的ALD10F48N-L电源模块，该模块的输入电源电压为-48 V，输出电源电压为3.3 V，输出电流为10 A，输出功率高达33 W，典型转换效率高达90%，完全能够满足主控板功率需求。

4 结 语

本文介绍了基于HOLTEK MCU作为中央微处理器的环境监测仪的硬件设计，着重阐述了主控模块的功能与设计方案及电源部分设计思想。该设计实现了主控模块的基本功能要求，并详细考虑各种硬件需求，使系统更加稳定，便于升级。

参 考 文 献

[1] HOLTEK HT46RU232 A/D+UART型八位单片机[R].盛群半导体有限公司.

[2] AD With LCD型单片机[R]. 盛群半导体有限公司.

[3] 李天山.基于单片机的室内环境监测仪设计与实现[J].滨州学院学报，2012（3）： 97-100.

[4] 李强，胡蕴琪，王晓君. 基于AVR单片机的无线环境监测仪设计[J]. 数字技术与应用，2012（8）：121-122.

[5] 戴安娜，陈硕. 基于生物传感技术的新型环境污染物多指标分析仪[J].科技创新与品牌，2012（5）： 79.

Design and implementation IOT-based environmental monitoring device

WANG Jian-yong， WANG Xiao-ping， YANG Xun

（Chongqing City Management College， Chongqing 401331， China）

Abstract： The environmental monitoring device is based on HOLTEK MCU as the central microprocessor to realize the monitoring the environmental parameters of temperature， humidity， light intensity， toxic gases. The function of the main control module， serial module， display module and the design of wireless transmitter module are elaborated along with the design ideas of power unit. The design realized the basic functions of the master module， can complete the test indicator for each parameter better.

Keywords： environmental monitors； HOLTEK MCU； test indicator