一种环境监测数据无线采集存储系统的软件设计与研究

夏毅军　徐振　邵锡军　罗学恩

【摘 要】设计研究了环境监测各子节点、中心存储节点（包括无线通信模块）的软件部分。其中环境监测子节点采用超低功耗单片机STC15L204EA作为微控制器，实现环境监测数据采集和传输；中心存储节点采用了集成RTC实时时钟具有ARM内核的芯片STM32F103VET6，负责多路监测数据的无线接收和SD卡中的实时数据存储；无线通信模块由nRF24L01+和RFX2401C组成，负责监测数据无线的收发，并重点介绍了无线通信模块的多通道无线通信的软件实现。

【关键词】STC15L204EA；ARM内核；实时数据存储；FATfs；nRF24L01+；RFX2401C；多通道无线通信

0 引言

随着人们对环境问题理解的深入，环境监测的内容也由工业污染源的监测，逐步发展到对大环境的监测[1]。现在人们大多数采取人工及半自动方法来进行环境数据的监测，但环境监测要求测点多、范围广、时间同步性高，而目前的监测方法不能达到以上要求，也不能实现监测数据的实时终端存储，还耗费了一定的人力和设备资源，不利于环境监测和保护中代价小、效益好、可持续性的发展要求[2]。鉴于此，本文提出了一种环境监测数据无线采集存储系统，可实现多点环境数据的无线自动化监测、采集和實时终端存储。

1 系统的组成

系统主要是由环境监测子节点和中心存储节点组成，两者的通信通过2.4GHz无线电信号来实现。系统的总体架构图如图1所示。环境监测子节点主要有超低功耗单片机STC15L204EA、无线通信模块及环境监测传感器组成，环境监测传感器主要由CO2浓度传感器、光照度传感器和温湿度传感器组成[3]。CO2浓度传感器选用韩国产的S100H，它输出多样，本设计中采用了线性的电压输出，单片机可直接进行AD采样；光照度传感器采用数字照度传感器BH1710FVC，单片机利用虚拟I2C总线接口进行模式设置和数据的读取。温湿度传感器选用了瑞士Sensirion AG公司生产的SHT11，它高度集成，同时可测温度和湿度，输出多样，采用其I2C总线接口与之通信。无线通信模块采用了NORDIC公司的2.4GHz射频收发芯片nRF24L01+，并利用功放芯片RFX2401C进行功率放大及低噪声放大，子节点结构图如图2所示[4]-[5]。中心存储节点主要由微控制器STM32F103VET6、无线通信模块和SD卡模块组成，该款微控制器自带RTC实时时钟，利用其自带的2路SPI总线接口分别与无线通信模块和SD卡进行数据传输及SD卡的读写，中心存储节点结构图如图3所示。

2 系统的实现

本系统中，依据监测区域最大化原则，将六个环境监测子节点部署到指定的方位，各环境监测点的传感器组每隔固定时间，对该测点的温度、湿度、光照度、二氧化碳体积浓度进行监测采集，微控制器STC15L204EA对监测数据进行换算处理，分别取温度量和湿度量的3位有效数字、二氧化碳体积浓度和光照度的4位有效数字（以上均包括小数点后一位），考虑温度值可能为负，外加1位温度符号存储信息，将以上量按规定顺序以每位的ASCII码形式存储于数组中，一共有15Bytes的采集存储信息；无线收发模块的每包数据最大能传32Bytes，一次即可将所有的环境监测量传送完。各环境监测子节点的无线通信模块在发射模式下将环境监测数据通过2.4GHz无线电信号分别传送到中心存储节点无线通信模块的对应通道。中心存储节点通过设置为接收模式下的无线通信模块分别接收来自6个通道的环境监测数据，进行汇总和处理，利用微控制器自带的RTC实时时钟，将接收的环境监测数据和对应的接收时间（由于无线电传输时间极短，此处的中心节点的数据接收时间可等同于子节点数据采集时间）利用FATfs文件系统以TXT文档的形式写入存储介质SD卡中，也可保存为其他文件类型，最终完成大区域范围的环境监测数据无线自动化采集和存储，有很好的时间同步性。SD卡和电脑或便携式笔记本连接，直接可获取采集数据的TXT文档信息，并通过上位机软件直接可将采集数据导入对应数据库，用于后续处理分析及应用。

本设计中的多通道无线通信是指多个环境监测点的环境数据的无线发送，单个中心存储节点的多路环境数据的无线接收。采用多通道通信主要是为了尽量减少环境数据同时传输时碰撞的几率，也减少了硬件成本，同时能根据存储节点接收数据所对应的通道号得出该监测数据的节点号，充分利用了无线模块自身所带功能。采用了nRF24L01+作为射频收发芯片，多通道通信的实现主要在于nRF24L01+模式的配置。首先初始化好环境监测点STC15L204EA和中心存储节点的STM32的SPI总线接口，再分别将环境监测点、中心存储节点的nRF24L01+配置成发送（TX）模式和接收（RX）模式[6]-[7]，然后进入正常的工作模式。

3 结语

本文设计的环境监测数据无线采集存储系统运用了传感器技术、多通道无线通信技术，并使用了基于SD卡的FATfs文件系统对采集的环境监测数据以文件形式进行创建、写入和管理，实现了环境监测数据的无线采集和实时终端存储。该系统结构小巧，适用于无法搭建通信基站或辅助通信平台的恶劣野外环境。整个系统架构清晰，成本低廉。SD卡便于插拔、存储便易、直接可与电脑或便携式笔记本连接，利于环境监测数据的采集分析处理。

【参考文献】

[1]国家环境保护“十二五”规划[J].中国环保产业，2012（1）：9-19.

[2]王金南，蒋洪强.国家“十二五”环境保护规划体系与重点任务[J].环境保护，2012（1）：51-55.

[3]STC15F204EA系列英文[EB/OL].http：//www.stcmcu.com/datasheet/stc/STC-AD-PDF/STC15F204EA-s eries-english.pdf.

[4]nRF24L01P_Product_Specification_1_0[Z].NORDIC SEM ICONDU CTOR， 2008， 9.

[5]RFX2401C Eval Board Summary and Technical Notes RevA18[Z].RFAXIS INC，2007，12.

[6]朱桂峰.基于nRF24L01的无线传感局域网络的研究与设计[D].河北大学，2011.

[7]宋晓伟，孟国营，叶洋，程晓涵，赵令令.基于nRF24L01的无线温度监测系统[J].煤炭工程，2010（11）：11-12.endprint