智能环境监测系统的设计说明.docx

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智能环境监测系统的设计说明

智能环境监测系统的设计

Designontheintelligentsystemofmonitoringenvironment

摘要

系统主要由数据采集端和移动监控终端两部分组成。

采用16位单片机SPCE061A为处理核心，在数据采集端，利用两片CD4067BE分别挂接16只DHT11温湿度传感器和16只光照强度传感器；采用10位ADC实现对环境声音的实时录制，加入OV7670摄像头进行实时拍照监控，最后把所采集到的数据帧通过NRF905无线传输模块传送到移动监控终端。

在移动监控终端，通过NRF905接收数据，将处理后的环境参数数据进行显示，接收到的语音压缩编码通过10位DAC进行解码播放，通过按键切换进入全屏环境参数显示模式或全屏监控照片显示模式，并将接受到的环境参数、声音、照片存储到SD卡中。

本文以SPCE061A超低功耗单片机为核心，设计了通用智能终端和智能温湿度传感器，重点介绍了该终端和传感器的任务、硬件、软件以及控制算法的设计与实现。

硬件方面，介绍了系统各个部分的设计思想、原理电路以及，并给出了系统总硬件原理图；另外，为了实现系统的低成本和低功耗，在满足设计要求的前提下，尽可能选用了价格低廉和低功耗的元器件。

软件方面，采用了时间触发的混合调度器模式设计，对系统各个任务进行了设计，并给出了系统软件低功耗设计方法。

关键词：

SPCE061A；多节点；无线传输；HMI

Abstract

Thesystemisdesignedfortwopartsofdataacquisitionterminalandmobilemonitoringterminal.ItsprocessingcoreisSPCE061Awhichisa16bitsmcu.Inthedataacquisitionterminal,16DHT11ofsinglebustemperature,humiditysensorand16lightintensitysensorarehungontwoCD4067BE.Theenvironmentalsoundisrecordedtocodingandcompressionwith10bitsADCwhichisbuiltinthemcuatanytime.AddOV7670whichisacameramoduletomonitoratanytime.ALLcollecteddataistransmittedtothemobilemonitoringterminalthroughNRF905ofwirelesstransmissionmodule.Inthemobilemonitoringterminal,thedataisreceivedthroughNRF905.Theenvironmentalparameterdataisdisplayedafterdealingwithandthecompressioncodingofspeechisdecodedtoplaywith10bitsDAC.Wecanswitchtofull-screenenvironmentparameterdisplaymodeorfull-screenpicturedisplaymodewiththekeys.Atlast,theenvironmentalparameter,soundandphotosarestoredtotheSDcard.BasedontheSPCE061Aultralowpowermicrocontrollerasthecore,ageneralintelligentterminalandintelligenttemperatureandhumiditysensordesign,focusesontheterminalandsensortask,hardware,softwareandthedesignofcontrolalgorithmandrealization.Intermsofhardware,introducesthevariouspartsofthesystemdesignthought,theprinciplecircuitandsystem,andthetotalhardwareprinciplediagramisgiven;inaddition,inordertorealizethesystemoflowcostandlowpowerconsumption,insatisfiesthedesignrequestunderthepremise,thelowpriceandlowpowerconsumptioncomponentsaspossible.Intermsofsoftware,usingmixedschedulermodedesigntimetriggered,thevarioustasksforthedesign,andgivesthelowpowerdesignmethodofsystemsoftware.

Keywords:

SPCE061A;Multinode;Wirelesstransmission;HMI

第1章绪论

1.1课题提出的背景

从国现状来看，监控系统无处不在，但总体来说都处在单一分离模式，语音摄像需要一套系统，温湿度等环境参数监控也需要一套系统，而且价值不菲，功耗较大，移动性较差，需要较高的硬件与软件支持，数据采集端与监控端需要通过很多很长的通信线进行连接，从而使得系统稳定性不高，对于多参数多点监控的场所，传统设备不能满足其节点数量的要求，可行度不高，空间占用率较大。

一些传统设备对于传感器的更换极不方便，更换完传感器后要对所有传感器进行重新编号，不便于维护。

鉴于以上不足之处，我们拟采取以下措施：

1、设计一种可移动式的智能环境监控系统，以方便和适应现代化的信息管理模式。

2、该系统采用数字化数据采集，模块化处理，便于系统维护以及数据收集。

1.2国外发展现状

20世纪70年代，国外的温室生产开始以较快的速度发展，特别是欧美发达国家，如荷兰、美国等国家实现了机械化。

当时由于水平的限制，对于生态环境因素采用单因子控制，即对温度、湿度、光照和二氧化碳浓度进行单独分别控制的方法，主要是控制温度，其次是湿度（空气湿度、土壤湿度）。

例如，在控制温度时，控制的只是温度的改变，而不影

在国外市场上，主要推出的是数字控制的模拟视频监控和数字视频监控两类产品。

前者技术发展已经非常成熟、性能稳定，并在实际工程应用中得到广泛应用，特别是在大、中型视频监控工程中的应用尤为广泛；后者是新近崛起的以计算机技术及图像视频压缩为核心的新型视频监控系统，该系统解决了模拟系统部分弊端而迅速崛起，但仍需进一步完善和发展。

目前，第三代基于网络摄像机的网络视频监控系统正兴起，以它特有的优势会逐步成为监控系统新的潮流。

视频监控系统的发展方向。

前端一体化、视频数字化、监控网络化、系统集成化是视频监控系统公认的发展方向，而数字化是网络化的前提，网络化又是系统集成化的基础，所以，视频监控发展的最大两个特点就是数字化和网络化。

数字化，数字化是21世纪的特征，是以信息技术为核心的电子技术发展的必然，数字化是迈向成长的通行证，随着时代的发展，我们的生存环境将变得越来越数字化。

视频监控系统的数字化首先应该是系统息流（包括视频、音频、控制等）从模拟状态转为数字状态，这将彻底打破“经典闭路电视系统是以摄像机成像技术为中心”的结构，根本上改变视频监控系统的信息采集、数据处理、传输、系统控制等的方式和结构形式。

信息流的数字化、编码压缩、开放式的协议，使视频监控系统与安防系统中其它各子系统间实现无缝连接，并在统一的操作平台上实现管理和控制，这也是系统集成化的含义。

网络化，视频监控系统的网络化将意味着系统的结构将由集总式向集散式系统过渡。

集散式系统采用多层分级的结构形式，具有微核技术的实时多任务、多用户、分布式操作系统以实现抢先任务调度算法的快速响应。

组成集散式监控系统的硬件和软件采用标准化、模块化和系列化的设计，系统设备的配置具有通用性强、开放性好、系统组态灵活、控制功能完善、数据处理方便、人机界面友好以及系统安装、调试和维修简单化，系统运行互为热备份，容错可靠等优点。

系统的网络化在某种程度上打破了布控区域和设备扩展的地域和数量界限。

系统网络化将使整个网络系统硬件和软件资源共享以及任务和负载共享，这也是系统集成的一个重要概念[12]。

纵观以上观点，就不难理解为什么网络数字视频监控系统正成为视频监控领域研究的热点和发展方向。

1.3目前监控系统中存在的问题

随着基于PC机的视频监控录像系统的发展，在实际工程使用过程中，也暴露出一些不足，主要是系统工作的不稳定性。

硬件设计的缺点：

PC机，兼容PC机用于24小时不间断工作时，其性能是不很稳定的，工控PC机相对于兼容PC机的稳定性有一个档次上的提高，适用于较复杂的工作环境；视频监控录像系统通常均为多路输入系统，视频采集卡可采用多卡方式，也可采用单卡方式。

一般说，单卡方式集成度高，稳定性会优于多卡方式，很多采用一路一卡的方式容易形成硬件冲突，对其稳定性会有很大的影响。

目前市场上也有部分为追求高帧数而设计采用多卡进行迭加的多路单卡设备，但其仍在计算机的总线上进行传输、处理，不可能会有质的飞跃。

系统软件：

操作系统，以Windows98为操作平台的系统，业人士都知道，Win98的稳定性是有一定问题的，如果应用软件又不是很规，这样就容易在使用过程中出现工作不稳定、死机等问题，而基于PC机的视频监控录像系统其软件的实现是在Windows95/98/NT、Unix、Linux等通用操作系统上，同时系统文件、应用软件和图像文件都存储在硬盘上，视频处理必须高密度输入大量数据，同时硬盘要进行多工工作，普通的硬盘逻辑（如Windows的FAT32）已无法适应，以致极易产生系统的不稳定性，造成死机现象；应用软件，采用简易应用软件的系统是不能够用于安防领域的，视频监控系统的应用软件能力上应支持多任务并发处理，如监视、录像、回放、备份、报警、控制、远程连接等的多工处理能力。

1.4课题研究任务

本课题研究对象是可移动式数字化智能环境监控系统，由于传统的监控系统存在不稳定不便携等特点，对该系统的研究设计及制作提出了特殊要求，因此，本课题的研究任务可归纳为以下几点：

1.准确可靠的主控电路及其软件设计；

2.便于移动，以及能较好的采集温度湿度等数据；

3.清晰易懂的数据显示功能；

4.其它辅助电路及结构设计。

第2章智能环境监控系统总体设计

2.1系统总体设计

该智能环境监控系统分为数据采集端和移动监控终端两大部分，数据采集端包括SPCE061A核心板、16路温湿度采集模块、16路光照强度采集模块、CD4067数据切换输入模块、语音输入处理电路、OV7670带FIFO摄像头模块、SD卡读写模块、NRF905无线发射模块，移动监控终端包括SPCE061A核心板、SD卡读写模块、NRF905无线接收模块、语音播放电路、3.2寸HMI串口人机界面液晶屏，结构框图如图1-1所示。

图1-1系统总体结构框图

2.2工作原理

在数据采集端：

16路温湿度采集模块、16路光照强度采集模块将采集到的数据传输给CD4067数据切换输入模块，该模块进行模数信号转换后，将模拟信号转换成电信号。

语音输入处理电路、OV7670带FIFO摄像头模块将采集到的数据连同CD4067数据切换输入模块的信号一并传输给SPCE061A核心板。

该核心单片机一方面将信息存入SD卡备用，一方面把信息通过NRF905无线发射模块发射出去。

在移动监控终端：

首先，NRF905无线接收模块接受NRF905无线发射模块发射的信息，并传输给移动监控终端的SPCE061A核心板。

通过特定的软件设计控制，使核心板接受的信息分成三部分展现：

一，存入SD卡作为备用资料；二，通过语音数模转换得到人能够识别的语音信号，并播放；三，视频信息则是通过3.2寸HMI串口人机界面液晶屏实现人机信息交互。

第3章系统硬件选择

3.1处理器的选择

3.1.1基础单片机概述

51单片机是对所有兼容Intel8031指令系统的单片机的统称。

该系列单片机的始祖是Intel的8031单片机，后来随着Flashrom技术的发展，8031单片机取得了长足的进展，成为应用最广泛的8位单片机之一，其代表型号是ATMEL公司的AT89系列，它广泛应用于工业测控系统之中。

很多公司都有51系列的兼容机型推出，今后很长的一段时间将占有大量市场。

51单片机是基础入门的一个单片机，还是应用最广泛的一种。

若采用普通型的的51单片机（例如AT89S51、STC89C51），数据采集与处理速度、片RAM大小、片ROM大小以及对语音、视频、图片等数字信号的处理能力，是远远不能满足本系统的要求，即使采用增强型的51单片机（例如STC12C5A60S2），也是不够的。

AVR单片机是1997年由ATMEL公司研发出的增强型置Flash的RISC（ReducedInstructionSetCPU）精简指令集高速8位单片机。

AVR的单片机可以广泛应用于计算机外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通讯设备、家用电器等各个领域。

1997年，由Atmel公司挪威设计中心的A先生和V先生，利用Atmel公司的Flash新技术，共同研发出RISC精简指令集高速8位单片机，简称AVR。

相对51单片机而言，数据处理速度有一定的提升，如采用ATMEGA128等高档型的单片机还是可以的，但对语音、视频、图片等数字信号的处理还是较麻烦的，需要较复杂的软件编程支持，开发周期较长，不便于维护。

DSP（DigitalSignalProcessor）是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。

其工作原理是接收模拟信号，转换为0或1的数字信号。

再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。

它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。

它的强大数据处理能力和高运行速度，是最值得称道的两大特色。

ARM处理器是Acorn计算机面向低预算市场设计的第一款RISC微处理器。

更早称作AcornRISCMachine。

ARM处理器本身是32位设计，但也配备16位指令集。

一般来讲比等价32位代码节省达35%，却能保留32位系统的所有优势。

ARM处理器的三大特点是：

耗电少功能强、16位/32位双指令集和合作伙伴众多。

1、体积小、低功耗、低成本、高性能；

2、支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，能很好的兼容8位/16位器件；

3、大量使用寄存器，指令执行速度更快；

4、大多数数据操作都在寄存器中完成；

5、寻址方式灵活简单，执行效率高；

6、指令长度固定[16,18]。

这两种处理器完全可以满足系统的需要，但是性能过剩，价格过高，软件编程较复杂，在PCB生产方面需要较高的工艺，不经济。

3.1.2SPCE061A单片机

SPCE061A是继

nSP™（MicrocontrollerandSignalProcessor）系列产品SPCE500A等之后凌阳科技推出的又一款16位结构的微控制器。

C51是nVIDIA公司推出的首款K8平台整合芯片组的产品系列代号，现在使用C51系列芯片组的北桥芯片分为两个版本：

GeForce6150和GeForce6100，它们与Nforce400系列的南桥芯片搭配组成新一代平台。

16位处理器NVidiaC51芯片组是nVidia的K8IGP芯片组，于2005年推出。

它是nVidia第一款为K8平台而设的整合型芯片组。

它建了Geforce6100显示核心，完整支援DirectX9.0和HDR，是当时缯图效能最佳的整合型芯片组。

南桥的硬盘支援部分有小BUG（有时不能启动NCQ）。

nVidia眼见ATi在Intel和AMD平台芯片组市场渐有成绩，逐在AMD平台芯片组下工夫，推出支援AMD64-bit处理器的整合形芯片组。

本来计划推出Intel平台整合形芯片组（代号C60），但Intel推出建ATI整合形芯片组的主板，NVIDIA为免尴尬，决定终止C60计划。

C51是MCS-51系列单片机,是一种低端的8位单片机。

在存储器资源方面考虑到用户资源的需求以及便于程序调试等功能，SPCE061A里嵌32k字的闪存（FLASH）和2k字SRAM。

较高的处理速度（最高可达49.152MHz），配合库文件操作，使EMBEDEquation.3

nSP™能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号[1]。

在低功耗方面，用户可在0.32MHz-49.152MHz围自由设定处理器运行速度，因此SPCE061A单片机是适用于数字信号应用领域产品的一种最经济的选择。

3.1.3方案选择

综上所述，我们采用方案三。

3.2温度传感器的选择

3.2.1热敏电阻[17]简介

热敏电阻是开发早、种类多、发展较成熟的敏感元器件。

热敏电阻由半导体瓷材料组成，用半导体材料的大多为负温度系数，即阻值随温度增加而降低。

温度变化会造成大的阻值改变，因此它是最灵敏的温度传感器。

但热敏电阻的线性度极差，并且与生产工艺有很大关系。

制造商给不出标准化的热敏电阻曲线。

热敏电阻体积非常小，对温度变化的响应也快。

但热敏电阻需要使用电流源，小尺寸也使它对自热误差极为敏感。

热敏电阻的电阻－温度特性可近似地用下式表示：

：

温度

时的电阻值；

：

温度

时的电阻值。

实际上，热敏电阻的

值并非是恒定的，其变化大小因材料构成而异，最大甚至可达5

。

因此在较大的温度围应用式1时，将与实测值之间存在一定误差。

热敏电阻的电阻值会随相应环境的变化而变化，加上电阻分压电路，再用单片机自带的AD转换器对电压采集，从而间接得出环境温度和环境湿度。

该方案中传感器电路的输出数据都是模拟量，在多路数据采集下，单片机AD需要占用过多的IO口采集数据，而且受电阻线性度和电阻制造误差的约束，很难得到稳定而又相对准确的数据。

3.2.2DS18B20温度传感器简介

DS18B20数字温度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢封装式，型号多种多样，有LTM8877，LTM8874等等。

主要根据应用场合的不同而改变其外观。

封装后的DS18B20可用于电缆沟测温，高炉水循环测温，锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合。

耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。

具有抗干扰能力强、温度采集精度高、不需要复杂的调理电路和AD转换电路等特点DS18B20是一种精度较高的单总线温度传感器，片自带唯一序列号，但是价格也比较高。

湿度测量的方案同上述方案一。

温度、湿度的采集需要过多的传感器，外围电路复杂，占用单片机较多的IO口。

3.2.3DHT11数字温湿度传感器[3]

DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。

传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。

因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。

每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。

校准系数以程序的形式存在OTP存中，传感器部在检测型号的处理过程中要调用这些校准系数。

单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。

超小的体积、极低的功耗，使其成为给类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选择。

产品为4针单排引脚封装，连接方便。

湿度传感器单片集成，而且片集成8位单片机，不需要额外的外围电路；单总线数字数据输出，转换时间和单次通讯时间较短。

若对温湿度精度要求不高，可采用DHT11;若对温湿度精度要求较高，可采用DHT21。

该温度检测系统是以AT89S52单片机为核心，采用新型可编程温度传感器DHT11或DHT21进行温度检测，具有抗干扰能力强、温度采集精度高、不需要复杂的调理电路和AD转换电路等特点。

综上所述，我们选择DHT11数字温湿度传感器。

3.3湿度传感器的选择

3.3.1湿敏电阻[2]简介

湿敏电阻是利用湿敏材料吸收空气中的水分而导致本身电阻值发生变化这一原理而制成的。

工业上流行的湿敏电阻主要有:

氯化锂湿敏电阻,有机高分子膜湿敏电阻。

多片电阻组合式氯化锂湿敏传感器是利用湿敏元件的电气特性（如电阻值），随湿度的变化而变化的原理进行湿度测量的传感器，湿敏元件一般是在绝缘物上浸渍吸湿性物质，或者通过蒸发、涂覆等工艺制各一层金属、半导体、高分子薄膜和粉末状颗粒而制作的，在湿敏元件的吸湿和脱湿过程中，水分子分解出的离子H+的传导状态发生变化，从而使元件的电阻值随湿度而变化。

氯化锂湿度传感器具有稳定性、耐温性和使用寿命长多项重要的优点，氯化锂湿敏传感器已有了五十年以上的生产和研究的历史，有着多种多样的产品型式和制作方法。

湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。

湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等。

当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。

电子式湿敏传感器的准确度可达2-3%RH，这比干湿球测湿精度高。

湿敏元件的线性度及抗污染性差，在检测环境湿度时，湿敏元件要长期暴露在待测环境中，很容易被污染而影响其测量精度及长期稳定性。

这方面没有干湿球测湿方法好。

总体来说，湿敏电阻的电阻值会随相应环境的变化而变化，加上电阻分压电路，再用单片机自带的AD转换器对电压采集，从而间接得出环境湿度，因而很难得到稳定而又相对准确的数据。

3.3.2DHT11数字温湿度传感器

在3.2方案三中已经做出综合论述，在此不在介绍。

3.4光照强度传感器的选择

3.4.1光感芯片

光感芯片是组成数码摄像头的重要组成部分，根据元件不同分为CCD（Charge Coupled Device，电荷耦合元件）应用在摄影摄像方面的高端技术元件。

 CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，金属氧化物半导体元件）应用于较低影像品质的产品中。

目前CCD元件的尺寸多为1/3英寸或者1/4英寸，在相同的分辨率下，宜选择元件尺寸较大的为好。

CCD的优点是灵敏度高，噪音小，信噪比大。

但是生产工艺复杂、成本高、功耗高。

CMOS的优点是集成度高、功耗低（不到CCD的1/3）、成本低。

但是噪音比较大、灵敏度较低、对光源要求高。

在相同像素下CCD的成像往往通透性、明锐度都很好，色彩还原、曝光可以保证基本准确。

而CMOS的产品往往通透性一般，对实物的色