智慧社区环境监测系统设计

李兴江，陈明杰，毛 威，周学礼*

(常熟理工学院 物理与电子工程学院，江苏 常熟 215500)

在物联网[1]的带动下，数据的传输更加快捷方便。作为社区管理的一种新理念，智慧社区[2]充分借助互联网、物联网等新技术，营造一个更加安全、智能的生活环境，形成智能、快捷、安全的新型形态社区。

智慧社区的重要前提是安全，而目前市场上用于环境监测的设备种类繁多，功能单一受限，价格较为昂贵，也缺乏及时、有效的通信手段，本系统在智慧社区的背景下，将多种传感器集于一体，将STC89C52单片机作为主控芯片，通过物联网进行数据传输，可以降低产品的成本，主要采用短信报警，借助本地报警以及互联网，做到信息实时发布，从而确保社区的安全。

1 系统整体设计方案

系统整体设计图如图1所示，系统由上位机和下位机两个模块构成，下位机模块包含主控芯片、温湿度传感器、热释电红外传感器、紫外线传感器、烟雾传感器以及PM2.5传感器，传感器采集的环境数据通过主控芯片进行处理，通过无线传输至上位机。上位机模块包含主控芯片以及报警模块，上位机负责接收下位机发送的数据并产生应答，所得环境数据存入云端，判断接收的环境数据是否超过阈值，如果超过，则驱动报警模块。电源模块为系统各个模块进行供电。

本系统功能的实现依靠单片机强大的数据处理能力，单片机通过发送指令驱动各个模块进行工作，单片机之间的无线通信采用的是NRF24L01，在确定超过阈值后，系统会通过GSM模块(本系统采用的是SIM800)向预设的手机发送报警信息，本地报警则会启动声光报警。

图1 系统整体设计图

2 系统硬件设计

系统硬件部分主要由监测环境的传感器构成，传感器用于测量温度、湿度、紫外线、烟雾、PM2.5，还包括人体红外识别模块、无线传输模块以及GSM模块。采用STC89C52单片机作为主控芯片，该芯片具有8 K字节系统可编程Flash存储器，可以直接使用串口下载。

2.1 温湿度采集模块

温湿度检测部分采用DHT11[3]数字温湿度传感器，该传感器能够测量温度和湿度并将数据以数字形式输出，稳定性好、传输距离长和能耗低，且无需额外部件。温度、湿度传感器的测量分辨率分别为8bit、8bit。DHT11通过DATA口与单片机进行通信，本系统中DATA端连接P1.0端，采用单总线传输，单根信号线既可传输时钟，又能传输数据，而且数据传输是双向的，这样能使线路简单，便于扩展和维护。

2.2 烟雾检测模块

烟雾传感器采用的型号是MQ-2[4]，该传感器对液化气、丙烷等部分可燃性气体的检测有很好的效果。主要用于家庭和工程的气体检测装置。MQ-2传感器模块有AOUT和DOUT两种输出端，在模块内部，AOUT端输出即为MQ-2模拟输出。对于DOUT输出端，MQ-2传感器输出的模拟电压会输入至LM393比较器，通过调节变阻器改变参考电压。

MQ-2烟雾传感器使用时需要一定时间的预热，输出的电压值和烟雾浓度有关，模拟量输出0～5 V电压，浓度越高，电压越高，通过模数转换得到数字量。MQ-2烟雾传感器将其模拟电压输出口A0与A/D转换芯片的外部信号输入口AIN3连接，数据以数字量的形式输出。

2.3 人体红外感应模块

人体感应报警采用HC-SR501热释电红外感应模块。在HC-SR501感应区域内，当有人进入感应范围内，其OUT端输出高电平，当人离开感应范围，则自动延时并输出低电平。热释电红外感应模块有可重复触发和不可重复触发两种方式[5]。本系统选用可重复触发方式，设计中将OUT端与P1.1端口相连。

2.4 A/D转换

主控制芯片不自带A/D转换模块，本设计采用外置A/D转换芯片PCF8591。该芯片为8位逐次逼近式A/D转换器，内含采样保持电路，具有4个模拟输入以及1个串行I2C总线接口[6]，通过时钟线SCL和数据线SDA与CPU进行信息传输。将单片机的P2.1、P2.0脚分别连接至时钟线SCL和数据线SDA进行数据的传输，本设计中使用的是内部时钟，将EXT脚接地。烟雾传感器、紫外线传感器、PM2.5传感器都采用A/D转换的方式。

2.5 紫外线检测模块

本设计中，紫外线检测传感器为UVM-30[7]，电压输出模式为线性电压，响应波长200～370 nm，UV指数0～10对应输出电压0～1 V。将UVM-30紫外线传感器模块3个引脚中的OUT端连接至A/D转换模块的外部输入AIN2。

2.6 PM2.5传感器模块

本设计中，PM2.5检测采用夏普公司的GP2Y1050AU0F传感器[8]。该传感器可检测0.03～2.5 μm微尘颗粒，输出电压为0～3.5 V，流损耗最大20 mA，有A/D采样和串口通信两种方式可供选择，本设计选用A/D采样的方式，传感器的输出脚接入PCF8591芯片的AIN1脚。

2.7 无线收发模块

无线收发设备可以使多个单片机系统组成一个环境数据采集系统，因此扩大了监测的范围，满足了社区监测的条件。本设计中采用的是NRF24L01单片射频收发芯片，其结构如图2所示，工作频段为2.4～2.5 GHz ，工作电压为1.9～3.6 V，可以选择多达125个频道，数据传输速率最快可达2 MB/s，芯片内置的各功能模块配合增强式ShockBurst技术[9]，使得通信频道和输出功率可以通过程序来配置。

图2 无线收发模块

2.8 GSM模块

本设计中，需要用到短消息(SMS)收发功能，以及与物联网相关的GPRS无线网络通信技术。因此，选择性能和性价比较高的工业级SIM800模块，能够起到实时监控的作用。该模块支持850/900/1800/1900 MHz这四个频段，同时支持RS232[10]和TTL接口控制。本设计中将SIM800T_RX引脚与单片机TXD引脚连接，T_TX引脚与单片机RXD引脚连接，GND和V_MCU分别为接地端和电源端。该模块仅支持移动或联通卡，并配备开机按键，模拟手机开机键，如需启动该模块，则按住该键并保持1 s以上，随后模块启动。同时，模块上的LED指示灯便于判断模块的工作状态。

3 系统软件总体设计

3.1 系统总体流程

系统分为上位机和下位机两个模块，上位机运行的流程图如图3所示。上位机进行初始化，随后开始检测NRF24L01的信号，只有检测到NRF24L01通信成功，程序才会向下执行。程序通过返回值来判断NRF24L01是否存在，“0”表示存在，“1”表示不存在。当上、下位机之间通信正常时，上位机才会接收下位机发送的数据，并通过判断语句与不同数据对应阈值相比。如果超出阈值，主机通知SIM800发送报警短信到对应手机；如果没有超出阈值，程序继续执行接收数据。

下位机运行的流程图如图4所示，首先进行初始化，然后检测NRF24L01信号，判断返回值，若为0则表示NRF24L01存在，程序向下执行，NRF24L01初始化，传感器开始逐个检测环境数据并发回到下位机，下位机处理分析后发送到上位机。

3.2 火灾报警

社区是人口密集地区，存在着一定的火灾隐患，例如老化的电路、烟头、货物堆放的地方等，如果对这些有隐患的地方做到及时地预防，可以在一定程度上减少损失。本设计中利用温湿度传感器测量周围环境中的温度和湿度，烟雾传感器采集周围环境中的烟雾浓度，通过两者数据来判断是否存在火灾隐患，系统会一直采集数据，如果采集到的烟雾传感器和温湿度传感器数据超过阈值，系统则驱动SIM800及时发送报警信息，设置两个阈值是为了确保获得的数据的准确性。同时也要注意不同地方的阈值也是不同的，不同环境是有差异的。

3.3 人体识别报警

社区人口众多，因此只需选择在关键位置安放即可。单片机读取HC-SR501的输出电平，继而判断是否需要发送报警信息。

3.4 PM2.5检测与紫外线检测

图3 上位机运行的流程图

图4 下位机运行的流程图

在本系统中，PM2.5模块和紫外线模块采集到的数据均经过A/D转换，通过在程序中设定阈值，将A/D转换后得到的数据与阈值相比，如果超出阈值，则发送报警信息。

3.5 GSM模块设计

本系统SIM800模块采用的是AT指令[11]来进行信息的收发。如指令AT+CSCS=“GSM”用于发送英文短信，指令AT+CSCS=“UCS2”则用于发送中英文短信，指令AT+CMGF=1可以用于设置发送消息的模式为文本模式，而要给指定的用户发送信息则要用到指令AT+CMGS=“手机号码”。除了进行短信息的收发，系统中还涉及到了GPRS模块，则还需要用到以下指令，指令AT+CIPSTATUS用于查询当前的连接状态，指令AT+CDNSCFG=1，“CMNET”设置了GPRS连接，接入点为“CMNET”，指令AT+CIPSEND用于发送数据，指令AT+CIPSTART用于建立TCP连接，指令AT+CIPSHUT用于关闭TCP。

4 实验结果与分析

本系统主要实现的是对社区环境的监测与实时报警，将采集得到的数据与阈值相比较，一旦出现安全隐患，则会将报警信息发送至用户手中，并报告相应的位置，起到及时报警的作用。下面以一套实物为例，对数据进行分析。

4.1 温湿度测量与分析

表1 湿度测量值与相对误差

表1 湿度测量值与相对误差

FLUKE971测量值 本系统测量值 相对误差25 26 4.0 30 31 3.3 43 42 2.4 50 48 4.0

表2 温度测量值与相对误差

湿度测量选取FLUKE971作标准值，实验数据如表1所示。温度测量选取FLUKE1524作标准值，实验数据如表2所示。

4.2 烟雾传感器数据测量与分析

烟雾传感器模块所得数据经过A/D转换变为数字电压，实际测试中，采集的电压为0.3～0.4 V，在模拟火灾之后测试得到的电压均超过1 V，所以整体测试时，将阈值设为1 V。

4.3 UVM-30数据测量与分析

本系统采用的紫外线传感器经A/D转换之后的电压为0～1 V，分别对应着10个不同级别的辐射强度。实际生活中，当紫外线的指数达到5或6，即对应电压在0.5～0.6 V时，辐射强度已经对人体产生一些伤害了，因此将阈值设定为0.5 V，并通过实际测试，报警系统运行正常。

4.4 PM2.5传感器数据测量与分析

根据国家的PM2.5标准，在测试时将阈值设置为1 V，经实际测试，系统运行正常。实际测试中，为了方便用户，本设计选择将电压转换为空气质量等级。经查询可知，24小时PM2.5平均标准值为0～35 μg/m3时，空气质量等级为优；35～75 μg/m3时，空气质量等级为良；75～115 μg/m3时，空气质量等级为轻度污染；115～150 μg/m3时，空气质量等级为中度污染；150～250 μg/m3时，空气质量等级为重度污染；高于

250 μg/m3时，空气质量等级为严重污染。

4.5 信息采集发布形式

本系统的短消息发送格式为：“温度：20 ℃；湿度：50%；紫外线等级：1；PM2.5：良”，正常情况下，系统设置为每3小时给用户发送环境监测数据，遇到紧急情况后，如探测到陌生人入侵时，热释电红外传感器发出高电平，从而发送报警信息至用户，同时小区保安也会接到对应的提示信息。烟雾检测模块是当遇到有火灾隐患时，单片机检测到信号之后发出报警的指令。

5 结论

本设计实现的环境监测系统，采用STC89C52单片机作为主控芯片，结合多种传感器，实现了在智慧社区背景下社区环境监测智能化。经验证该系统具有智能化程度高、性能稳定、成本低等优点，具有较强的实用价值和推广价值，可为企业的决策和生产提供切实可行的思路和经验。在本系统基础上，加入LCD屏用于时间显示，将主控芯片换成功能更强大的STM32系列单片机，实现功能升级，并开发相应的APP，使得用户可以进行远程操控。