基于ZigBee的环境监测小车

杨学存， 薛 方

(西安科技大学 电气与控制工程学院，西安 710054)

0 引 言

环境监测是人们日常遇到的最普遍的问题之一[1-3]。比如，煤矿石油开采现场、大型存储仓库、金属冶炼现场、大型数据处理中心等都需要对环境进行严格的把控，对现场的数据采集和分析，可以及时发现环境中的不安全因素，并作出未雨绸缪的措施，从而及时消除危险因素，避免安全事故的发生。本文运用现代信息技术、监测技术、控制技术等设计一个嵌入式环境监测智能小车，对环境中的温度、湿度、烟雾浓度等因素进行监测，并且在终端显示，使人能更直观地发现环境中的问题，从而及时采取改善环境的措施，避免安全事故的发生。

1 系统方案设计

在环境监测智能小车系统中，一方面，需要对现场环境参数如温度、湿度、烟雾浓度进行实时检测，另一方面，要让小车寻迹避障或用上位机控制。根据这些需求，最终设计的总体系统框图如图1所示。

图1 环境监测智能小车系统原理框图

整个嵌入式环境监测智能小车系统以LPC2132作为主控制器[4]。系统包括供电电源模块、超声波测距模块、温湿度DHT11传感器模块、红外模块、烟雾MQ-2传感器模块、红外模块、LCD12864液晶显示模块、直流电动机驱动模块、ZigBee无线传输模块等。这些模块的相互协调工作，构成整个嵌入式环境监测智能小车系统的硬件系统。

2 系统硬件设计

本系统采用LPC2132作为主控制器[5]，系统主要功能包括：温度监控、湿度监控、烟雾浓度监控、电动机控制、超声波测距避障、红外寻迹、各个参数下位机显示、上位机监控并报警、上位机后台数据查询9项功能。

根据以上功能，本系统分为6个模块：温湿度监测模块、烟雾监测模块、超声波避障模块、红外寻迹模块、电动机驱动控制模块、电源供电模块、ZigBee无线通信模块。

2.1 温湿度采集模块设计

DHT11专用于数字信号采集和温湿度传感技术，具有极高的稳定性和可靠性[6-7]。DHT11采用的是单线串行接口，连接方便。其量程范围：0～50 ℃， 20%～80%RH；电源电压3.0～5.5 V；超低功耗，采用串行接口数字输出，其实物图如图2所示。DHT11模块电路原理图如图3所示。

2.2 烟雾模块设计

MQ-2烟雾传感器具有广泛的应用，适用于甲烷、酒精、一氧化碳、烟雾等的检测。其工作原理如图4所示。QM-N10的4脚输出随烟雾浓度变化的直流信号，被加到比较器U1A的2脚，Rp构成比较器的门槛电压。当烟雾浓度较高，输出电压高于门槛电压时，比较器输出低电平(0 V)，此时LED亮报警；当浓度降低，传感器的输出电压低于门槛电压时，比较器翻转输出高电平(VCC)，LED熄灭。调节Rp，可以调节比较器的门槛电压，从而调节报警输出的灵敏度。R1串入传感器的加热回路，可以保护加热丝免受冷上电时的冲击。

图2 DHT11实物图

图3 DHT11模块电路原理图

图4 MQ2工作原理图

采用的是4引脚封装，其实物图如图5所示。

图5 烟雾模块实物图

2.3 超声波测距模块设计

HC-SR04超声波模块可提供2～400 cm的测距功能，精度高达3 mm，工作电压是5 V，输入触发信号是10 μs的TTL脉冲，输出回响信号是TTL电平信号，与射程成比例。该模块主要包括超声波发射器、接收器和控制电路[8-9]，其工作原理图如图6所示，实物图如图7所示。

图6 HC-SR04超声波模块工作原理图

图7 超声波模块实物图

2.4 红外模块设计

红外模块是一对红外对管，发射管发出一定频率的红外射线，若遇到可反射光的物体，就会被接收管接收，经调理电路处理，绿色的指示灯亮，同时数字信号输出端会输出一个低电平。其实物图如图8所示。

图8 红外模块实物图

2.5 电动机驱动模块设计

本设计采用的是2个5 V直流电动机，驱动采用的是L9110H芯片驱动[10-11]。L9110H是为了控制和驱动电动机设计的器件，该芯片有2个TTL电平输入，具有良好的抗干扰能力，具有正转和反转两个信号输入端。两个输出端能直接驱动电动机运动，输出端具有较大的驱动能力，每个端口约能最大输出750～800 mA的电流。因此，L9110H广泛应用在小车的电动机驱动、步进电动机的驱动电路上。LPC2132控制器通过输出两路PWM波来控制两个电动机，通过软件调节PWM波的占空比从而调节电动机的转速，也可以通过输出两路不同占空比的PWM波来实现小车的左转和右转。LPC2132控制器向L9110正转信号输入端输入PWM波，通过调节PWM波的占空比来控制电动机的转速，原理如图9所示。驱动芯片及外围电路实物如图10所示。

图9 L9110驱动电路原理图

2.6 ZigBee模块的设计

ZigBee模块应用在本系统的无线通信部分[12-13]。该模块是基于UART接口的全双工无线传输模块，可以工作在2.4～3.45 GHz公用频段，该模块采用的是TI的CC2530芯片，符合标准的IEEE802.15.4协议，该模块可以直接与控制器的串口连接，实现无线数据传输，使用简单。其实物图如图11所示。

图10 L9110驱动实物图

图11 ZigBee模块实物图

ZigBee的技术特点是：近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率。ZigBee模块的操作方法也十分简单，分为3个步骤。①设置波特率，本系统采用的位9600；②设置信号，使2个模块在同一信道才能实现数据的传输；③设置工作模式，分为点对点工作模式和广播模式，顾名思义，点对点就是一对一传输，广播模式就是一对多或者多对一传输。设置完这3步骤，该模块就能实现数据的双向同时收发。

3 系统软件设计

系统主程序流程图如图12所示。首先要做的是对UART、AD以及显示屏LCD12864进行初始化，然后执行温湿度采集子程序和烟雾浓度采集子程序进行数据采集。再检测按键是否按下，如果按下则执行红外检测寻迹子程序，如果没有按下则执行距离检测避障子程序，即小车只能实现寻迹或避障一个功能。检测完毕所有数据后，系统通过ZigBee将数据传输到上位机进行显示，同时发送给LCD12864显示屏进行显示。最后系统通过循环来实现数据的实时监控。

图12 系统主程序流程图

4 系统调试结果

嵌入式环境监测智能小车系统的软件和硬件设计完成之后，就能构成了一个完整的系统。上位机监控软件系统启动界面如图13所示[14-15]。实时数据采集显示界面如图14所示，与上位机监控界面的数据信息一致。

图13 上位机监控软件系统界面

小车寻迹示意图如图15所示。当小车在执行寻迹程序时，小车骑着黑线按照黑色的轨迹运动。系统整体运行结构图如图16所示。电动机驱动在开发板的下边，超声波在车头，两个红外探头在小车车头两侧，DHT11传感器和MQ-2传感器在小车车尾，还有开发板、电源、车架、电动机和ZigBee模块组成了整个硬件系统。

图16 系统整体运行结构图

5 结 语

本文基于ZigBee的环境监测小车实现了温度、湿度和烟雾浓度的采集和报警提示。利用传感器采集各类信息，并采用LPC2132进行数据处理，而后在LCD12864上进行显示，并通过ZigBee无线通信，将采集到的数据上传给上位机进行实时显示，并将数据存储在数据库中，供以后分析数据使用。