环境监测领域的计算机硬件组成分析

李超然

（韩山师范学院 计算机与信息工程学院，广东 潮州 521041）

环境监测领域的计算机硬件组成分析

李超然

（韩山师范学院 计算机与信息工程学院，广东 潮州 521041）

本文通过研究环境监测系统需要实现的功能，分析出环境监测系统的计算机硬件组成，罗列出一系列环境监测领域中需要应用的硬件类型，包括传感器、微型处理器和传输天线、供电电源等.分析结果表明：环境监测系统需要采用的硬件具备高精度，宽感应范围、传输稳定等特性.传感器、微型处理器、传输天线的精度范围越高，环境监测系统的监测性能越好.上述结论也为今后环境监测系统的研究与设计提供了一定的硬件基础和准备.

环境监测；传感器；微型处理器；天线

1 引言

近年来，互联网技术的快速发展，使得计算机在社会的各行各业都有着非常广泛的应用.由互联网衍生而来的“物联网”概念也在日益地发展壮大.物联网（Internet of Thing）旨在建立一个物物相连的信息物理系统，这也就要求计算机不仅要在软件领域不断发展，也需要在计算机底层硬件领域不断完善，才能够实现物体与物体的广泛连接.

单片机，即大众熟知的微型处理器，作为计算机硬件的重要组成部分，正朝着CMOS化，低功耗，小体积，大容量，高性能，低价格和外围电路的内装化等几个方面发展.[1]近几年，由于CMOS技术的进步，大大地促进了单片机的CMOS化，尤其是IIC，API等串行总线的引入，使单片机的引脚设计逐步减少，其结构更加简化，更加适用于当前的各类物联网系统[2].

在环境监测领域建立感知大气环境的系统，正是物联网在环境气象领域的一种热门应用.环境监测系统旨在将各类带有感知数据功能的芯片集成在单片机中，开发出一个集合各种数据感知、数据监测功能的单片机电路.

2 环境需要监测的硬件组成

气象环境需要监测的参数众多，温度、湿度、气压、风速、风向等[3].因此，针对每一个需要监测的参数，去设置对应的传感器芯片，是环境监测系统的基本组成方式.基础的环境监测系统需要具备感知温度、湿度和气压的功能，因此，可以得出：对于环境监测系统，其基本硬件组成为温度传感器、湿度传感器、气压传感器.本文只针对三大基本参数温度、湿度和气压加以分析，得出以下结论：

（1）监测温度.监测温度需要用到的硬件芯片为温度传感器，常规温度传感器监测温度范围为-10摄氏度100摄氏度，精度仅精确到小数点后两位，未能考虑到极端天气条件和数据测量误差的问题.因此在环境监测系统中，应当选择温度感应范围在-100摄氏度200摄氏度，精度精确到千分之一的温度传感器.

（2）监测湿度.监测湿度需要用到的硬件芯片为湿度传感器，需要选择对湿度敏感度高，且精度精确到千分之一的湿度传感器.

（3）监测气压.监测气压需要采用的硬件芯片为气压传感器，需要选择气压感应范围广在300千帕-1000千帕，且精度较高的气压传感器.

（4）系统集成后，需要采用微型处理器作为数据存储和处理的计算单元，必须采用运行稳定的微型处理器.

（5）传感器监测数据后，数据需要传输至计算机进行分析，因此需要传输天线，应当选择传输距离较长且传输稳定的天线.

（6）系统运行过程中，需要电力系统的支持，由于物联网系统的可移动特性，本文应当选择锂电池作为系统的电力供应，满足系统的长时间运行的同时，也满足了系统的轻便性和可移动性[4].

3 硬件参数分析

基于上一节的分析结论，气象监测系统需要采用高精度，传输稳定且感应范围广的硬件芯片.因此，本文根据要求分析列举了如下硬件芯片：

（1）温度传感器“TMP36”（如图1）

选择该温度传感器是源于其以下特点：

(a)低功耗

(b)简单的模拟到数字信号的转换

（c）精确读数为小数点后三位

（d）感应范围：-100摄氏度至200摄氏度

（2）湿度传感器“HIH-4030系列”（如图2）

图2 HIH-4030系列

选择该湿度传感器是源于其以下特点：

(a)快速的响应时间

(b)低功耗

(c)精确读数为小数点后三位

(d)稳定，低漂移性能

（3）气压传感器“BMP085”（如图3）

图3 BMP085

选择该气压传感器是源于其以下特点：

(a)测量范围为300-1100kPA.(海拔9000米)

(b)低功耗

(4)微型处理器“Arduino Uno R3”（如图4）

图4 Arduino Uno R3

选择Arduino UNO R3作为本次设计的微控制器，是源于其以下特点[5]：

(a)输入电压-12V

(b)6个模拟输入

(c)可实现在C语言环境下的程序编写

另外，Arduino Uno R3单片机的其他一些关键参数入下表所示：

表1 单片机Arduino Uno参数表

(5)天线“X-bee Pro 900”（如图5）

图5 X-bee Pro 900

“X-bee Pro900”天线的一些主要参数：

(a)3.3V@210毫安

(b)156Kbps的RF数据传输速率

(c)50毫瓦输出功率（+17dBm）的

(d)传输距离6英里（10公里），高增益天线与射频LOS

(e)点对点，点对多点网络的低延迟应用的理想选择

(f)支持大型，密集网络

(g)128位AES加密

(h)传输过程失真率低

(6)为了传输过程中的稳定，需要采用天线安装装置将天线封装起来[6]，天线安装装置“X-bee Shield”如图6所示.

图6 X-bee Shield

该装置也可作为连接天线与微处理器的桥梁.

(7)天线安装装置的连接装置“X-bee Explorer USB”（如图7）

图7 X-bee Explorer USB

该装置用于将所有传感器和天线的发送端全部连接于微型处理器上.

(8)电力供应“9V锂电池”（如图8）

图8 9V锂电池

用9V锂电池作为本次设计的电力供应系统是源于其一下特点[7]：

(a)节能省电，可持续供电

(b)电压系数足以支持整个电路

(c)供电电压稳定

上述所选硬件均符合环境监测系统对硬件的精度要求、感应范围要求、传输稳定性要求，

可以成为环境监测系统的硬件筛选目标.

4 结束语

本文分析了环境监测系统的硬件组成，研究了环境监测系统所需要采用的基本硬件芯片类型，同时详细分析了各类所需硬件的参数和特性，为环境监测领域未来搭建各类环境监测系统提供了一定的硬件支持，打下了扎实的硬件基础，具有一定的实践应用意义.未来针对环境监测领域，应当着重就如何搭建更高效、更精准和更便捷的环境监测系统进行研究[8].

〔1〕冯仲科，游晓斌，任谊群.基于3S技术的森林资源与环境监测系统构想[J].北京林业大学学报，2001,23(4):90-92.

〔2〕王谦，孙忠富，李秀红，张洪涛，王迎春.基于嵌入式系统的农业环境监测系统的设计[J].微计算机信息，2006,22 (23):38-40.

〔3〕曹元军，王新忠，杨建全.基于无线传感器网络的农田气象监测系统[J].农机化研究，2008(12):163-165.

〔4〕吕立新，汪伟，卜天然.基于无线传感器网络的精准农业环境监测系统设计[J].计算机系统应用，2009,18(8):5-9.

〔5〕李广第，朱月秀，王秀山.单片机基础[M].北京航空航天大学出版社,2001.

〔6〕白明，赵鑫.基于单总线技术的分布式环境监控系统硬件设计[J].现代电子技术，2006,29(17):106-108.

〔7〕刘婷.室内环境监测系统的硬件设计[J].重庆与世界：学术版，2012(6):60-61.

〔8〕李波.智慧生态环境监测数据服务端硬件架构设计与实现[J].信息与电脑：理论版，2014(12):4-4.

TP303.1

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