基于物联网的环境监测系统设计与实现

许 晨

随着社会的不断进步、工业的发展，“雾霾”这个名词频繁出现在新闻媒体上.人们对环保的要求、对生活环境中温度和湿度等舒适度的要求在逐渐地提高.随着科技的发展，在生活中使用物联网，把传感器与生活环境联系起来，改善家居环境的研究得到人们的广泛关注.

本文基于物联网平台的环境监测系统，设计出环境监测系统构架、环境监测的系统硬件与软件，并进行系统的运行测试.力求实现通过传感器把可测的环境数据转变成相应的D/A信号，并由ZigBee网络发送至主控处理器中处理，再使用网络接口把数据发送到物联网平台上，在平台上实时显示出环境数据，用户通过手机和移动设备就可以便捷地查看到环境数据的目的.

1 物联网平台的介绍

物联网平台是通过应用程序编程接口，支持多种网络的接入，将不同功能的传感器、测量仪器和仪表接入平台，并使用软件来完成对仪器的控制.主要有个人门户功能，数据存储和分析，仪表无缝接入和手机App功能，在环境监测、智慧农业、资产管理、智能生活、工业生产中有着广泛的应用.目前国内较成熟的物联网平台有阿里云、海尔U+、百度云天工等.

2 物联网的环境监测系统构架设计

物联网的环境监测系统构架自下而上可以分为三个部分：感知层、网络层、应用层.由这三个部分实现数据识别采集、自动控制——物物互联的网络传输——处理反馈和综合管理的功能.

2.1 感知层的构建

系统的感知层由负责环境数据采集的传感器构建而成，系统中的主要检测对象为家居环境或者校园中的温度、湿度、PM2.5颗粒物的浓度，因此在传感器的选择上要兼顾性能和价格，以及实用性.经过综合的考虑，选用温湿度传感器DHT11，DHT11是已校准数字信号输出的温湿度传感器，它使用数字信号进行采集与传输，该产品的可靠性和稳定性较高，同时还具有超快响应、较强的抗干扰能力、价格低廉的优势，产品的功耗较低，适用于各种尺寸的电路［1］.

在PM2.5颗粒物浓度传感器的选取上，考虑使用攀藤PMS5003.它是用激光散射原理来测量颗粒物浓度传感器，具有零错误报警率.它在工作时响应速度快并可连续采集大气环境中颗粒物的数量和分布，把测得数值转换成颗粒物浓度，而后使用数字接口输出数据.该传感器可通过接口安装在环境监测系统的采集电路中，提供出实时的颗粒物浓度数据［2］.

2.2 网络层的构建

物联网是物与物的网络连接，其要点在使用网络来汇集感知层的监测数据.在物联网中，网络层的工作是把感知层输出数据进行安全可靠的传送，目前Wi-Fi、无线通讯等技术的应用较广.与此同时短距离无线通讯的应用也得到快速的发展，常用的有：ZigBee、Bluetooth和红外.［3］

通过对比，兼顾实用和易用性，选择ZigBee技术.它是一种新型的双向无线通讯技术，由此来构建网络层.ZigBee的主要工作频段为2.4GHz、868MHz和915MHz，它的传输速率较低，最高为250kbit/s，它能覆盖10～75m的范围，主要特点为低功耗、低成本、低速率、近距离、短时延、高容量、高安全、免执照频段.［4］

2.3 应用层的构建

物联网的首要工作就是应用感知层和网络层的信息，应用层的工作是处理感知层和网络层的数据，根据数据做出反馈，实现环境监测系统的综合管理.应用层的选择使用物联网平台完成构建.

2.4 环境监测系统总体架构设计

综上可知，环境监测系统的感知层使用DHT11和PMS5003，测得环境参数，再转换成D/A信号.网络层使用ZigBee技术组网与作为中介，把采集的D/A信号送入主控处理器中，主控处理器负责数据的协调处理，协调网络，把处理结果送至物联网平台，通过物联网平台定位和监测各节点的信息和数据［5］.完成系统的设计后，即可使用电脑和手机的软件，实时查看被测点的环境参数.系统框图如图1所示.

图1 环境监测系统总体框图

3 环境监测系统硬件与软件的设计与实现

系统的硬件主要包含：传感器数据采集电路、主控处理器及周边电路和系统通信接口电路.

3.1 传感器数据采集电路实现

数据采集传感器选择的是DHT11温湿度传感器和攀藤PMS5003，他们输出的均是数字信号，配合ZigBee模块（CC2530）的数据处理功能，进行数据的采集.

（1）CC2530的简介.CC2530是TI公司出品的增强型8051MCU，一体化的真正的片上系统解决方案.它集成了单周期8051内核，通过SFR总线，把CPU、DMA控制器、物理存储器与外设相连.8-KB的SRAM映射到DATA存储与部分XDATA存储中.能以极低的成本建立起强大的网络节点.［6］

（2）数据采集电路.由于温湿度传感器DHT11与PM2.5浓度传感器PMS5003输出的均是数字信号，传感器数据采集的CC2530就需要提供相应的数字接口.设计CC2530的电路时，应具有单片机最小系统的特性，所以传感器数据采集电路拥有复位电路、时钟电路、指示电路和RF收发电路，如图2所示.

图2 CC2530及外设电路原理图

①复位电路（RESET）由10k上拉电阻R3、电容C7组成，CC2530的复位引脚RESET有上电、掉电复位，看门狗复位，低电平复位这四种功能，可使用软件设置寄存器来实现前三种复位.电路中，电源VDD通过R3给C7充电，此时RESET是高电平，单片机工作，点击RESET后C7放电，RESET为低电平，单片机为复位.

②时钟振荡的电路.CC2530中含有16M、31k RC振荡器和外接32M、32.768k石英晶振.32M晶振的启动时间对于某些应用显得时间过长，CC2530先在16M的振荡器上快速运行，稳定后切换到32M晶振上.外部的32.768k晶振的作用是提供时钟信号.为了优化系统中数据的接收和发送，选择使用外接32M晶振和32.768k晶振.

③RF收发电路.电路中使用滤波电容，增加稳定性.其中温湿度传感器DHT11的2脚为输出端，在DHT11的电路中加入10k的上拉电阻R6.然后把DHT11的2脚与CC2530的P0_7脚（网络标号DHT11）连接.PMS5003通过RXD和TXD两个引脚与CC2530相连，由此完成了电路设计.［7］

（3）系统电源选择.系统电源使用电源适配器供电和电池供电两种方式，可以提供系统需要的5V与3.3V供电.

3.2 主控处理器及周边电路设计与实现

使用Arduino UNO R3作为主控处理器.它是Arduino家族中最常用、便捷的开源电子平台.它具有开源的I/O接口板和多种语言的开发环境.

（1）Arduino的电路板.Arduino UNO R3的硬件包含USB接口、54路的数字传输I/O接口、16MHz的晶振、电源插座、ICSP接口和RESET按钮.Arduino UNO R3有插座外接直流电源供电、电池供电、USB供电三种方式，并且可以自动选择.I/O接口的驱动能力强，驱动电流为40mA.它还具有256k的FLASH存储器，8k的SRAM运存，4k的可擦可编程只读存储器（EEPROM）.［8］

（2）主控处理器电路.主控处理器作用是处理ZigBee网络发来的采集数据与控制物联网平台进行通信［9］，它包含两个串口——CC2530通信端口（数据收发）、网络通信端口（数据收发），而Arduino UNO R3具有系统所需求的四个串口.主控处理器电路含有复位与晶振电路，同时连接所有I/O接口，方便扩展.主控处理器电路PCB图，如图3所示.

图3 主控处理器电路PCB图

（3）网络通信接口电路.系统选择的芯片为W5500以太网网络模块，W5500的特点是全硬件TCP/IP协议栈，通过SPI（高速串行外设接口）连接网络.它支持TCP、UDP、ICMP、IPv4、ARP、IGMP、PPPoE协议，经过多年应用，技术成熟可靠.W5500使用32KB收发缓存作为其数据通信内存.

3.3 传感器数据采集程序的设计

由于系统使用DHT11与PMS5003输出的是数字信号，理论上只需让CC2530准确读取数据采集的信息就可以了，但在测试应用中，往往要考虑诸多因素的干扰.数据采集传感器的工作环境不同，且易受到干扰，使处理器最终得到的数据产生误差.因此为保证得到真实有效的采集数据，在对传感器数据采集程序设计时就要考虑滤波算法的选择.在权衡之后，考虑到被测环境数据主要为室内家居和校园宿舍楼，方案使用中位值滤波法——连续采样N次（N为奇数），把N次采样值按大小排列，取中间值为本次有效值.中位值滤波法的优点是能克服因偶发因素引起的波动干扰，适用于采集变化缓慢的环境参数（家居环境和校园宿舍环境）.当然它的缺点是对变化较快的环境参数检测不准确.［9］

3.4 ZigBee组网的设计与实现

ZigBee是一种新型的通信协议，它具有传输距离短、功耗低、数据传输速率低的特点.该协议有五层，自下而上分别是物理层（PHY）、媒体访问控制层（MAC）、传输层（TL）、网络层（NWK）、应用层（APL），处于最底的两层遵守IEEE 802.15.4标准［10］.

在ZigBee协议中的节点设备主要有：终端（end）、路由器（router）、协调器（coordinator）.

协调器的主要作用是进行最高权限的网络维护，实现多级通信功能，一个ZigBee网络中只能有一个协调器；路由器的主要作用是转发节点信息；终端节点的主要作用是进行数据采集，并且完成实时数据的传输［11］.ZigBee网络的拓扑结构主要有星形、树形和网状结构.系统使用树形网络组网，因此需要对终端、路由器和协调器进行程序设计.其程序流程如图4、图5所示.

图4 协调器程序流程

图5 路由器程序流程及终端程序流程

3.5 主控处理器与网络通信接口程序的设计与实现

ZigBee树形网络通过主控处理器和网络接口组建，整个系统数据和指令都是经由主控处理器处理和网络通信接口进行发送［12］，它们是环境监测系统中数据传递的纽带，其程序流程图如图6所示.

图6 主控处理器处理数据流程图

4 环境监测系统的运行测试结果

在完成环境监测系统的设计后，进行测试工作.首先打开Flash_Downland_Tools工具软件，把节点的程序和主控处理器的文件写入，通用USB线接上电脑.做完以上工作之后，连接网络，打开物联网平台，即可进行系统的运行测试.

通过物联网平台的解决方案，可以使用智能手机、电脑进行实时数据查看，以Andorid设备为例，在手机App软件上查看具体的功能.同时由于监测系统在设计之初就考虑到扩展性，后期可以在系统中添加多个终端数据采集节点.通过观察已完成节点，得到了被测点的PM2.5浓度、温度、湿度情况曲线图（周期为30天），其测试数据如图7所示.

图7 系统PM2.5浓度、温度、湿度变化曲线图

5 结语

借助物联网平台，研究了物联网的环境监测系统的整体构架，对环境监测系统硬件与软件进行了设计.为了验证设计的结果，对被测点30天内的PM2.5浓度、温度、湿度数据绘制曲线图，并且与标准的PM2.5颗粒物浓度、温度、湿度测试仪数据相比较.测试结果表明：该系统具有一定应用价值，完成了基于物联网的环境监测系统的实现.不足之处是系统的采集器较少，目前只测试了PM2.5浓度、温度、湿度，系统软件还需针对多采集器进行优化.下一步将继续添加环境监测传感器，完成环境监测系统的优化.

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［1］韩安太，何勇，陈志强，等.基于无线传感器网络的茶园分布式灌溉控制系统［J］.农业机械学报，2011（9）：173-180.

［2］曾论，张铮，陶兴鹏，等.基于CC2530的室内定位系统设计与实现［J］.湖北工业大学学报，2015（1）：80-84.

［3］李伟强，李晓，陈定鑫，等.基于物联网的环境监测系统的研究及实现［J］.安徽农业科学，2017（12）：199-202.

［4］李岩.基于WiFi的小型环境监测系统的设计与实现［J］.河北工程技术高等专科学校学报，2017（3）：20-24.

［5］王衡.环境监测中物联网技术的应用研究［J］.环境与发展，2017（7）：176-178.

［6］刘巧利，贺鹏飞，周洋.基于CC3200的远程环境监测与控制系统［J］.物联网技术，2017（10）：56-58+61.

［7］荣洽.物联网技术在环境监测领域中的应用［J］.通讯世界，2017（23）：151-152.

［8］王建华.基于云计算与物联网的居住环境监测系统研究［D］.杭州：杭州电子科技大学，2016.

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［10］邹存芝，白娜.基于物联网的农业环境远程监测系统研究［J］.电子测试，2017（9）：64-65.

［11］王超颖，孙进生.基于ZigBee和Wi-Fi的智能家居网关设计［J］.工业控制计算机，2017（12）：88-91.

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