基于车联网的室外环境检测系统的设计

倪志平++覃溪++韦灵

摘 要：随着社会的进步，人们对汽车的需求越来越大，但同时室外空气环境也越来越差，无法满足人们健康生活的需求，因此基于车联网的室外环境监测系统应运而生。车联网是指通过交通信息采集技术、无线通信技术、定位技术相互配合，获取道路上所有车辆静态、动态信息和路况信息，实现车与车、车与路之间的信息交互，获得实时、准确的交通数据，并利用相关通信技术实现信息高效、可靠的传输，对室外环境监测具有重要意义。

关键词：车联网；数据采集；环境监测；无线通信

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）10-00-03

0 引 言

PM2.5颗粒物在空气中占比很少，但它却对环境质量和空气能见度等有重要影响。且PM2.5颗粒物的直径很小，并富含大量有毒、有害物质，在环境中停留的时间长、输送距离远，因此对人体健康和环境污染影响巨大。

为解决环境质量监测问题，本文采用STC89C52单片机、DHT11温湿度传感器、ZPH01灰尘传感器、BT-HC05-V1.0蓝牙模块以及LCD1602液晶显示屏对系统进行设计构造。主要实现了温湿度检测和PM2.5检测、液晶显示及将数据通过蓝牙传送到手机App软件上并显示等功能。采用BT-HC05-V1.0蓝牙模块实现无线传送可摆脱繁琐的布线，即使远距离也能进行实时监测。

1 总体设计

1.1 主程序模块的设计

与硬件相结合实现便携式温湿度以及PM2.5指数的检测和显示功能，步骤如下：

（1）开启电路板总开关进行环境检测；

（2）温湿度传感器和灰尘传感器采集到的数据可以传送到单片机的缓冲寄存器中；

（3）单片机将数据传送到液晶显示模块进行显示，同时也传送给Bluetooth蓝牙通信模块，Bluetooth蓝牙通信模块再将数据发送到手机App软件上显示。主程序模块流程图如图1所示。

1.2 上拉电阻

P0口为三态双向口，通常作为输出输入端口使用。当作为双向I/O口输出端口时，由于P0口没有内部上拉电阻（即P0口不能真正输出高电平，为所接负载提供电流），所以单片机通常要在外部加上一个上拉电阻来提高驱动能力。再由电源通过该上拉电阻给负载电路提供电流。

1.3 蓝牙通信模块设计

1.3.1 电路模块设计

Bluetooth蓝牙通信模块通过RXD引脚和单片机的P3.1（TXD）口连接通信。单片机的P3.1口不仅是用来发送数据和接收数据的端口，还是备用电源的输入端口。蓝牙通信模块的VCC和GND两个引脚分别连接电源和地。蓝牙通信模块的第一个、第三个及第六个引脚都悬浮放置。本系统使用该蓝牙通信模块可使环境质量监测摆脱繁琐的布线，提高了蓝牙的抗干扰能力。

1.3.2 流程模块设计

单片机与蓝牙通信模块的连接主要由前端数据采集部分、中端数据传送部分以及末端的数据接收部分（手机接收端）组成。本系统采用5 V电源供电。在初始化阶段，蓝牙通信模块接收单片机控制器发送的指令，实现蓝牙设备初始化，然后向手机蓝牙设备发送配对申请，手机同意开通蓝牙设备并与之配对成功。之后，单片机将采集到的温湿度信息以及PM2.5数据包发送到蓝牙通信模块，由蓝牙通信模块的基带协议层把数据包转化成基带数据包，并通过天线将基带数据包发送到手机上显示。蓝牙模块流程图如图2所示。

蓝牙通信模块的部分串口设定代码如下所示：

SCON=0x50； //SCON： 方式1， 8 b UART

TMOD=0x20； //TMOD： timer 1，方式2， 8 b 自动重装

PCON=0x00； //SMOD=1：串口波特率加倍

TH1=0xfd；

TL1=0xfd； //波特率：9600，11.059 2 MHz

TR1=1； //开定时器

TI=0；

EA=1； //開总中断

ES=1； //串行口中断开

PS=1；

1.4 LCD1602液晶显示模块设计

1.4.1 电路模块设计

利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制来显示内容。但由于VO引脚是LCD对比度调节端，若想要液晶显示屏显示的更清晰，那么，就要在VO引脚口直接串接一个3 kΩ电阻后再接地。而该电阻器的目的就在于调节液晶的显示对比度。

1.4.2 流程图模块设计

LCD1602液晶显示模块可与单片机接口直接连接，无需再加任何驱动元件。液晶显示器是一块慢显示器件，在执行每一条指令之前都要确认忙模块，若不忙，液晶显示屏会先显示字符地址，告诉模块在哪里实现字符后显示字符，之后此指令失效；如果忙，则执行下一条指令。1602液晶显示模块流程如图3所示。

1.5 ZPH01灰尘传感器模块设计

1.5.1 电路模块设计

ZPH01灰尘传感器电路模块通过OUT1/TXD引脚和单片机的P3.0（RXD）口连接通信。单片机的P3.0口不仅是用来发送数据和接收数据的端口，还是备用电源的输入端口。且灰尘传感器模块的MOD和GND两个引脚都连接地，VCC引脚接电源。灰尘传感器模块第二个引脚悬浮放置。灰尘传感器的灵敏度已预先设定好，可检测出小于1 μm的灰尘粒子。

1.5.2 流程模块设计

灰尘传感器模块具有数字信号处理及光机电一体化等能力。传感器模块预热后，开始采集环境的尘埃粒子浓度，然后使用电子切割器技术以及光散射原理对输出的脉冲信号进行数字化处理，并通过Pin4（OUT1/TXD）引脚发送到单片机内部寄存器。ZPH01灰尘传感器模块的使用主要配合软件进行实时尘埃粒子检测。灰尘传感器模块流程图如图4所示。endprint

灰尘传感器利用光敏原理对环境中的微小颗粒物进行检测和采集，并将采集到的脉冲信号转换成数字信号（该传感器具有A/D模数转换功能）传给单片机进行读取和处理，单片机将输出信号的幅值进行校验和计算得出顆粒物的浓度。该传感器可检测出小于1 ?m的微小颗粒物，并传给1602液晶显示模块进行显示。主要代码如下：

void serial （） interrupt 4

{ uchar temp_pM；

if（RI==1）

{ RI=0； UART_Upload[accord]=SBUF； //串口接收一个数据

accord++； if（UART_Upload[0]！=0xff） //判断接收到的第1个数据为oxff

{ accord=0； } if（UART_Upload[1]！=0x18）//判断接收的第2个为0x18

{ accord=0； } if（accord>8）

//9个数据为一组

{ accord=0； } //接收完一组数据的标志，置0 校验

if（accord==0）

//接收一组数据后进行一次校验和

{if（（UART_Upload[0]==0xff）&&（UART_Upload[1]=0x18）&&（UART_Upload[2]==0x00））

//判断前三位数据是否正确，是否进行校验

temp_pM=～（UART_Upload[1]+UART_Upload[2]+UART_Upload[3]+UART_Upload[4]

+UART_Upload[5]+UART_Upload[6]+UART_Upload[7]）+1； //校验和

if（temp_pM=UART_Upload[8]）

{ pm_rateH=UART_Upload[3]；

pm_rateL=UART_Upload[4]；

pm_density=（UART_Upload[3]*100+UART_Upload[4]）*1.014705；}

1.6 DHT11温湿度传感器模块设计

1.6.1 电路模块设计

DHT11温湿度传感器通过Pin2引脚和单片机的P2.0驱动端连接。单片机的P2.0口用来发送和接收数据。但由于设计的电路测量范围小于20 m，所以需要在该传感器Pin2口与电源连接的线路上接一个3 kΩ的电阻，从而为传感器提供稳定的电流。而传感器的电源端口Pin1和Pin4分别连接单片机的电源端VCC和电源地GND端。传感器的第三个引脚扩展未使用。

1.6.2 流程模块设计

温湿度检测模块可经DHT11湿度传感器直接将检测到的温湿度脉冲信号转换成数字信号，然后传给STC89C52单片机寄存器。STC89C52单片机对温度和湿度数字信号分别进行分析和处理，并传送到液晶屏上显示，同时还可以通过蓝牙通信模块将信息传送到手机App软件上显示。DHT11温湿度传感器流程图如图5所示。

1.7 手机端显示模块

手机端显示模块实现了与用户的交互，方便用户实时监测温湿度和PM2.5颗粒物的浓度。手机端界面和流程如图6所示。软件实现页面包含搜索蓝牙设备、温度显示部分、湿度显示部分和空气质量显示部分。服务器端蓝牙通信模块和手机端显示模块通信部分的主要功能如下：

（1）手机端蓝牙初始化。

（2）开启手机蓝牙端口并侦听。

（3）有连接请求时应答，并完成连接。

（4）开始正常接收和发送数据。

（5）接收完毕，显示接收到的数据。

（6）结束连接。

2 结 语

本设计主要针对当前室外环境研发。从2012年开始，全国大部分地区在秋冬季节开始出现不同程度的雾霾，而不断增多的阴霾天气对地球上的生物健康危害越来越严重，同时又考虑到目前市面上环境监测仪价格较昂贵等原因，设计了基于Android和STC89C51单片机的环境质量监测系统，该系统不仅操作方便，稳定性强，使用价值高，还在本设计中加入了无线蓝牙通信模块，方便较远距离传输监测信息。经过大量实验验证，本设计运行状况良好，具有较好的社会效益与经济效益。

参考文献

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