基于GPRS扬尘及噪声远程监测系统研究报告.docx

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基于GPRS扬尘及噪声远程监测系统研究报告

1绪论……………………………………………………………………………………………11.1课题研究的背景和意义………………………………………………………………………1

1.2无线数据传输技术现状及其发展趋势………………………………………………………2

1.2.1无线通信技术的现状分析…………………………………………………………………2

1.2.2现代通信技术的发展前景…………………………………………………………………3

1.3本课题的主要工作及要求……………………………………………………………………3

2总体方案设计…………………………………………………………………………………4

2.1监控原理………………………………………………………………………………………4

2.2无线传感网络图………………………………………………………………………………4

3无线传感器节点………………………………………………………………………………5

3.1节点电源模块…………………………………………………………………………………6

3.1.1太阳能电池板………………………………………………………………………………7

3.1.2可充电锂电池保护芯片XB5351…………………………………………………………8

3.1.3肖特基二极管IN5819……………………………………………………………………8

3.1.4L7805介绍…………………………………………………………………………………9

3.1.5AMS1117介绍……………………………………………………………………………9

3.2CC2530模块………………………………………………………………………………10

3.2.1CC2530芯片引脚………………………………………………………………………10

3.2.2CC2530模块简介………………………………………………………………………10

3.2.4CC2530引脚介绍…………………………………………………………………………12

3.2.5CC2530模块典型接法电路图，底板电路图与典型接法实物图………………………13

3.2.6CC2530其他介绍………………………………………………………………………14

3.3复位电路模块………………………………………………………………………………15

3.4传感器模块…………………………………………………………………………………15

3.4.1传感器的选择要求………………………………………………………………………15

3.4.2扬尘传感器的选择………………………………………………………………………16

3.4.2.1扬尘传感器SLPD-D01………………………………………………………………16

3.4.2.2SK二代SLPD-D01数字输出PM2.5灰尘传感器与行业产品对比……………………20

3.4.3噪声传感器Loudness…………………………………………………………………21

3.4.3.1Loudness功能描述……………………………………………………………………22

3.4.3.2Loudness特点…………………………………………………………………………22

3.4.3.3Loudness主芯片………………………………………………………………………22

3.4.3.4Loudness引脚定义……………………………………………………………………22

3.5LED传输显示及报警模块……………………………………………………………………22

3.6控制模块……………………………………………………………………………………23

3.6.1SONGLE（松乐继电器）……………………………………………………………………24

3.6.2LYF风扇……………………………………………………………………………………24

3.7无线传感器节点总体电路图与实物图……………………………………………………25

4网关……………………………………………………………………………………………26

4.1Zigbee网关…………………………………………………………………………………26

4.1.1ZigBee技术………………………………………………………………………………26

4.1.2ZigBee网关电源…………………………………………………………………………27

4.1.3CC2530模块………………………………………………………………………………28

4.1.4复位电路…………………………………………………………………………………28

4.1.5MAX232转TTL电路………………………………………………………………………28

4.1.6调试下载程序接口电路…………………………………………………………………29

4.1.7指示灯电路………………………………………………………………………………29

4.1.8试验电路………………………………………………………………………………30

4.1.9Zigbee网关总体电路与实物图…………………………………………………………30

4.2Zigbee-GPRS网关…………………………………………………………………………31

4.2.1WG8010GPRSDTU的简介…………………………………………………………………32

4.2.2GPRSDTU工作原理………………………………………………………………………32

4.2.3WG-8010功能特性………………………………………………………………………33

4.2.4GPRS-DTU串口管脚定义…………………………………………………………………33

4.2.5DTU状态指示灯…………………………………………………………………………34

5系统硬件电路调试……………………………………………………………………………34

5.1PCB电路板设计及制作……………………………………………………………………34

5.2电路调试……………………………………………………………………………………35

5.2.1电源电路的调试…………………………………………………………………………35

5.2.2传感器电路的调试………………………………………………………………………36

5.2.3节点其他部分电路的调试………………………………………………………………36

5.2.4网关其他部分电路的调试………………………………………………………………36

6系统的软件设计………………………………………………………………………………37

6.1总体流程图…………………………………………………………………………………37

6.2节点软件设计………………………………………………………………………………38

6.2.1节点流程图………………………………………………………………………………38

6.2.2控制阈值设定……………………………………………………………………………40

6.2.3节点软件的程序…………………………………………………………………………40

6.3Zigbee网关软件设计……………………………………………………………………48

6.3.1Zigbee网关流程图……………………………………………………………………48

6.3.2Zigbee网关软件的程序………………………………………………………………50

6.4上位机报警软件设计………………………………………………………………………57

6.4.1报警流程图………………………………………………………………………………57

6.4.2上位机报警软件…………………………………………………………………………58

6.5程序的编译与烧制…………………………………………………………………………59

7软件开发平台与系统测试……………………………………………………………………60

7.1组态王kingview6.55……………………………………………………………………60

7.2COMWAYGPRSDTU配置……………………………………………………………………61

7.2.1安装配置程序……………………………………………………………………………61

7.2.2对本机串口通信参数进行配置…………………………………………………………62

7.2.3GPRS通信参数的配置…………………………………………………………………62

7.2.4设置DTU进入配置模式并读取配置信息………………………………………………63

7.2.5通过短信发送AT指令配置……………………………………………………………63

7.3Comway无线串口软件………………………………………………………………………64

7.3.1Comway简介………………………………………………………………………………64

7.3.2Comway无线串口设置……………………………………………………………………64

7.4传感器参数确定……………………………………………………………………………66

7.4.1扬尘浓度参数确定………………………………………………………………………66

7.4.2噪声分贝参数确定………………………………………………………………………66

7.5软件调试……………………………………………………………………………………68

8误差分析………………………………………………………………………………………70

8.1SLPD-D01扬尘传感器误差分析…………………………………………………………70

经验与体会………………………………………………………………………………………72

结论………………………………………………………………………………………………74

附录A：

CC2530模块电路图

附录B：

节点原理图

附录C：

Zigbee网关原理图

1绪论

在建筑工地上，噪声及扬尘对人的健康危害巨大，因此需要严加监控。

在建筑工地噪声的危害主要有以下三种：

1、职业性耳聋：

呈浙进性听力减退，直到两耳轰鸣和听觉失灵。

2、爆炸性耳聋：

是指一次高强度的噪声，引起的听觉损伤，表现为鼓膜损伤，以及拌有脑震荡等。

3、噪声对人及其他系统的影响，除上述影响外还可能引起植物神经紊乱，胃肠功能紊乱等。

噪声可以引起听力减退，此种减退是渐进性的，人初期进入噪声环境中，常感到听力减退、烦恼、难受、耳鸣等，少数人可能有前庭症状，如眩晕、恶心或呕吐，这些症状在脱离噪声环境后即可缓解或消除，上述症状又复出现且随时间的延长症状加重，逐渐出现听觉疲劳，如两耳轰鸣、听觉失灵、发生听力丧失，成为噪声聋。

噪声除影响听力减退外，还可能引起高血压、心脏病等，噪声还会分散人们的注意力，所以往往造成各种意外事故的根源。

工地粉尘的危害，即工地上的PM2.5的危害，PM2.5的危害实际上颗粒物对健康的影响，本质上讲是颗粒物表面吸附的各种化学物质对健康的影响，比如吸附了致癌物就有致癌效应，吸附了二恶英就有生殖危害，要是吸附了重金属就有重金属的危害，关键是要看吸附了什么东西。

“PM2.5对人体的伤害是一个长期过程，它的影响不是一两天或几个月就可以表现出来的。

首都医科大学附属北京朝阳医院呼吸与危重症医学科王臻教授透露，PM2.5对呼吸系统的影响最直接。

每到冬季灰霾天，医院呼吸科门诊的就诊量就会明显增加。

相反，一场大雪过后，医院里不仅感冒患者减少，许多有呼吸系统疾病的患者病情也有不同程度的缓解。

这是因为下雪会过滤可吸入颗粒，起到净化空气的作用，所以大家通常都会觉得雪后的空气尤其清新。

另外，附着了重金属和多种致病菌的有害颗粒进入人体后，可以通过人体的循环系统渗入血液，对包括心脏、血管在内的器官造成损害。

1.1课题研究的背景及意义

传统建筑工地扬尘及噪声监控系统主要采用有线通信技术（串行总线技术、现场总线技术等）进行通信。

这种系统虽然具有设备互操作性好、抗干扰能力强等优点，但存在稳定性差、可靠性低、部署困难、扩展不灵活、安装及运行维护成本高等不足，从而极大地限制了其在建筑工地检测的推广应用。

  基于GPRS的建筑工地扬尘及噪声监控系统具有精度高、能耗小、经济性好、安装方便、扩展灵活、稳定性与可靠性强等优点，可以有效克服传统建筑工地扬尘及噪声监控系统的各种缺陷，实现扬尘及噪声内的实时、精确、远程和自动监控，满足建筑工地检测的不间断性的需求。

1.2无线数据传输技术现状及其发展趋势

随着我国经济水平的逐渐提高，无线通信技术在人们生活中的应用越来越普遍，无线通信技术的广泛应用，不仅便捷了人们生活中的沟通，而且也促进了通信技术的逐步更新。

随着时代的逐步发展，现代无线技术面临着新的要求和挑战,现状分析及其发展前景, 以便实现现代无线通信技术发展的科学化、创新化。

随着科学技术水平的逐步提高，无线通信技术也在不断地更新，与以往的通信技术相比，无论在技术水平还是应用方式上, 现代无线通信技术都有了新的转变与突破。

1.2.1无线通信技术的现状分析

（1）20年代初到50年代初为无线通信技术发展的第一阶段，此时，无线通信技术主要应为了满足军用的需要，它主采用的技术存在一定局限性，因此，它的传输不仅受客观条件的制约，同时也没有达到最初的传输速率。

（2）50年代到60年代为通信技术的第二阶段，此时，通信设备器件已被应用于移动环境的专用系统中，并实现了从半导体器件技术的过度，这在无形中解决了通信技术中安装公用电话网的问题，同时实现了公用电话与移动电话的持续性。

（3）70年代初到80年代初为通信技术的第三阶段，此时，不仅扩展了通信技术的频段，同时也制造出第一代的通信技术系统，并根据贝尔实验室所提出的蜂窝移动网理论，研制出新的实验系统。

（4）80年代到90年代为通信技术的第四阶，此时，在通信领域中，继第一代数字移动通信兴起后，出现了第二代的数字移动通信，这些都在无形中促进了各类电信系统的正常运行。

（5）90年代后至今为通信技术的第五阶段，此时，第三代的移动通信技术已逐步兴起，这不仅满足了通信技术逐步发展的需要，同时也促使了移动通信与多媒体运转的结合，随着全球化标准的制定，无线通信技术仍有待于实现多样化与创新化。

1.2.2现代通信技术的发展前景 

实现未来无线网络趋势的融合体根据目前无线通信的发展现状，不同接入网为了满足不同应用场合的需要，而移动通信网与不同范围存在着一定的互补性，由此可见，LTE技术将成为无线通信技术的主导，而促使通信技术与计算机的融合体，这样，不仅提高了网络环境的检测，同时也在一定程度上了减少了不同用户间通信的干涉。

可见，实现未来无线网络的融合体是现代无线通信技术的发展趋势。

由于不同通信技术的接入方式不同，因此，不同通信技术在使用范围、覆盖面、接入速度等方面都存在着一定的差异性，例如，WLAN所解决的是距离中数据传输的问题，3G是为了实现移动漫游中的需要。

因此，为了促使无线通信技术发展的多元化，应适时提高无线通信技术之间的互补性，以便促进现代无线通信技术的开发与发展。

由于不同行业对无线通信技术的需要不同。

因此，应将无线通信技术与其它学科有效的链接，以便满足不同用户对无线通信技术的需求，这在无形中实现了无线通信技术的跨行发展，并且要适时实现无线通信技术的创新化，以便促进现代无线通信技术的改革与完善。

1.3本课题的主要工作及要求

本文是基于GPRS的无线数据采集传输终端，使数据能够通过无线传感网络发送到远程监控终端进行监控，反之远程终端也可以将数据发送到无线传感网络终端。

本文可以分成五个主要的部分：

第一部分根据本设计所需要实现的功能，分析系统的设计要求，提出系统设计方案，熟练掌握系统设计所需的各种技术。

（1）如何实现对城市工地上扬尘浓度以及噪声分贝数等信息的及时监控。

（2）传感器型号的选择，并判断各传感器的监测值是否超出设定阈值上下限，如果超出警戒值则启动相应的装置以调节工地参数，使传感器采集的值在阈值范围内。

（3）采集的数据既可通过Zigbee网关直接上传到上位机，也可在此基础上加上GPRSDTU设备构成Zigbee-GPRS网关，通过中国手机移动基站、Internet网络传输到上位机。

（4）上位机监测上传的数据，如果数据超出阈值范围，就会发出报警声并显示相应报警的传感器节点，提醒监测人员。

第二部分是硬件设计，基于上述系统的设计要求完成对所需芯片的选择，画出硬件原理图，制作PCB图。

第三部分是软件设计，根据本次设计所要实现的功能和所选芯片的需要，画出整体结构流程图和节点流程图，然后编写修改调试程序。

第四部分是系统调试，针对软硬件设计进行系统调试，判断是否满足系统设计的要求。

第五部分是调试报告，针对在本课题做的过程出现的各种各样的问题及解决方案作出详细的解答。

第六部分是结论，基于上述部分对本次设计进行总结，提出设计过程中存在的不足和需要改进的方面。

2总体方案设计

2.1监控原理

对城市工地扬尘浓度及噪声分贝数进行实时监测，通过传感器采集信号，然后经单片机处理数据后，通过Zigbee网关，将采集来的数据信息发送到上位机，也可在此基础上加上GPRSDTU设备构成Zigbee—GPRS网关，再通过中国手机GPRS基站、Internet网络传输到上位机，并在上位机监测界面上显示实时数据，同时根据所接收到的数据变化，来分析辨别工地环境参数的变化情况，能够实时的根据各参数的变化来打开或者关闭相应的控制装置，比如扬尘浓度升高，则通过继电器打开风扇；分贝值过高则打开报警灯等等。

2.2无线传感网络图

本系统主要由无线传感器网络节点（负责采集城市工地节点附近的扬尘噪声等数据，当数据超出阈值可启动相应的调节设备）、Zigbee网关（实现近程数据传输）、Zigbee-GPRS网关（实现远距离数据传输）和上位机监测中心（对上传的数据进行数据融合并直观显示数据）等几部分组成。

基于GPRS扬尘噪声远程监控系统完全能够满足对工地环境参数的实时监控要求。

同时，由于在工地上内安装无线传感器网络时节点位置可灵活控制，又利用太阳能电池，可对节点进行充电，当电池电量低时，又可对其进行更换电池，或者直接利用稳压电源，从而可以保证整个网络系统长时间无障碍工作。

该系统的设计非常简单,其网络结构图如图2-1所示。

图2-1城市工地扬尘噪声远程监控系统网络结构

3无线传感器节点

在各节点上，本设计可采用9V直流电源供电或者采用太阳能电池或者9V稳压电源供电，在天晴时，使用锂电池储存电能，通过电源转换电路，为各模块提供所需电源；在天气阴暗时，采用稳压模块供电，维持整个监控系统电路的正常运行。

节点的设计以CC2530模块为核心，既负责将数据无线发送给网关，又负责比较采集来的数据与设定扬尘浓度及噪声分贝数阈值的大小，启动相应的控制模块开关。

使用L7805芯片将电源转换为5V电压输出给分贝传感器Loudness、扬尘传感器SLPD-D01供电，再通过AMS1117降压，降为3.3V给CC2530模块、报警电路电路、继电器控制电路和传输LED灯电路供电。

节点模块无线传感器节点图如图3-1所示。

图3-1无线传感器网络节点

3.1节点电源模块

电源管理是无线通信应用中的一个关键问题，对整个系统的工作和使用有直接影响。

为了解决这个问题，硬件将从芯片的低功耗和电池两方面来综合考虑。

整个系统的电源管理电路框图如图3-2所示。

图3-2电源管理电路框图

图3-3电源电路图

在图3-3中，IN5819肖特基二极管防接反，并与XB5351一起对太阳能起过冲保护作用，TYN接太阳能电池板板，IN5815起到稳定电流作用，9V，接两节锂电池或者由9V直流电源直接供电。

L7805为5V稳压器，3脚输出即为5V。

D2，为电源指示灯，在电路工作时，LED亮。

AMS1117为3.3V稳压器，2引脚输出为3.3V给报警电路、继电器模块、传输指示灯电路、复位电路供电。

电路中存在的交流分量会影响到电路的稳定性，而经过电容滤波电路后，即可保留直流分量，又可滤掉一部分交流分量，改变了交直流分量的比例，减小了电路的脉动系数，改善了直流电压的质量。

对于脉动直流电中的交流成分，旁路电容C相当于短路，交流量经过电容，而不经过负载，负载被电容短路。

对于脉动直流电中的直流成分，旁路电容C相当于开路，直流量不能通过电容，而加在负载上，从而达到了滤除脉动直流电中交流成分的目的。

10uf电容滤除低频干扰，0.1uf电容滤除高频干扰。

3.1.1太阳能电池板

太阳能电池是一种新型电源，实物图如图3-4所示。

本设计中采用的太阳能电池是一种将太阳能转换成电能的装置，内部是一个光电二极管，光电二极管在接收到光照时，可以把太阳能转化为电能，产生电流。

图3-4太阳能电池板实物图图3-5XB5351A引脚图

3.1.2可充电锂电池保护芯片XB5351

XB5351系列产品是高集成度的锂电池保护解决方案。

XB5351集成了先进的功率管，高精度电压检测和延迟电路。

XB5351为SOT23-5L的封装形式，并且只需要一个外围器件，非常适合用于空间有限的电池保护板应用，特别是一些超薄应用。

XB5351具有过充保护，过放保护，过流保护、短路保护和支持反接等完整的锂电池保护功能，并且具有非常小的工作电流，可以延长电池的寿命。

主要技术参数如下有：

反接保护功能；集成先进的54mRDS（ON）功率管；电压检测精度50mV；只需要一个外置电容；过温保护功能；过充电流保护功能；两段电流保护功能；过流保护；短路保护；充电检测功能；0V电池充电功能；内部设定延迟时间；3.0uA的工作电流；0.1uA的关机耗电流；SOT23-5L的封装。

XB5351A引脚图如图3-5所示。

3.1.3肖特基二极管IN5819

封装：

DO-41（如图3-6）

正向平均电流：

1A

反向峰值电压：

40V

反向漏电流：

1mA

正向压降：

0.6V

正向不重复峰值电流（浪涌电流）：

30A

结（极间）电容:

55pF

图3-6IN5819实物与封装

它是一种低功耗、超高速半导体器件，广泛应用于开关电源、变频器、驱动器等电路，作高频、低压、大电流整流二极管、续流二极管、保护二极管使用，或在微波通信等电路中作整流二极管、小信号检波二极管使用。

3.1.4L7805介绍

本设计采用9V可充电锂电池供电，该模块首先选择的是贴片芯片AMS1117-3.3V及AMS1117-5V设计电路，实验后发现二者输出不稳定，且对输入电压要求较高，后改用L7805设计电路，L7805为5V稳压器，价格低廉且输出稳定。

采用TO-220的标准封装形式的L7805如图3-7所示，是三条引脚输出的稳压集成电路，将L7805光滑平面对着自己，管脚朝下，从左到右三条引脚分别是1、2、3脚，它的1、2脚是电压输入端，分别接电源的正极和地端；它的2、3脚为电压输出端，2接地端，3接输出端。

L7805引脚如图7所示，在电路应用中,它的输入和输出两端都会接一个带滤波功能的电容，输出5V直流电压的,从而构成稳压电源电路。

图3-7L7805引脚图图