基于物联网技术噪声及扬尘远程监测系统的传感器节点硬件设计.docx
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基于物联网技术噪声及扬尘远程监测系统的传感器节点硬件设计
中文摘要
本文主要介绍了无线传感器节点及网关的设计和实现，以CC2530芯片作为核心，采用扬尘传感器SLPD-D01及噪声分贝传感器Loudness测量建筑工地上的扬尘浓度及噪声分贝数等参数，并且通过无线收发模块与网关和上位机之间的通信以达到实时监控。
该传感器节点主要应用于建筑工地环境参数监测，对监测的数据进行相应处理并建立噪声与扬尘的数据库信息。
同时设定扬尘浓度、噪声分贝的参数阈值，当采集到的参数变化超过其设定的阈值范围时，传感器节点便会自动启动对应控制装置，用于调节参数在正常范围的变化。
本设计中节点采用太阳能电池供电（晴天）及稳压电源供电（阴天），以确保整个网络在长时间内无故障地工作，系统有极高的实用性及可靠性，成本低，功耗低，具有非常良好的应用前景。
关键词传感器节点，无线传感器网络，实时监控，噪声及扬尘
外文摘要
TitleTheHardwareDesignofNodeforNoiseandDustRemoteM-
onitoringSystemBasedontheInternetofThingsTechnology
Abstract
ThispaperdescribesthedesignandimplementationofwirelesssensornodesandgatewaytoCC2530chipasthecore,thedustconcentrationandnoisedecibelparameterssuchasdustsensorSLPD-D01andnoisedecibelLoudnessmeasurementsensorontheconstructionsite,andthroughthewirelesstransceivermoduleCommunicationbetweenthegatewayandthehostcomputerandinordertoachievereal-timemonitoring.Thesensornodeismainlyusedinconstructionsitestomonitorenvironmentalparameters,appropriatemonitoringofdataprocessingandinformationtoestablishadatabaseofdustandnoise.Whilesettingthedustconcentration,noisedecibelparameterthreshold,whenthecollectedchangeparameterexceedsitssetthresholdrange,thesensornodeswillautomaticallystartthecorrespondingcontrolmeansforadjustingtheparametersinthenormalrangeofvariation.Thedesignofthesolarbatterypowerednodes（sunny）andaregulatedpowersupply（cloudy）toensuretrouble-freeworkoftheentirenetworkinalongtime,thesystemhasveryhighavailabilityandreliability,lowcost,powerconsumptionlow,withaverygoodprospect.
Keywordssensornode,wirelesssensornetwork,realtimemonitoring,noiseanddust
1绪论
在工地上，噪声及扬尘对人的健康危害巨大，因此需要严加监控。
工地上存在很多种噪声，噪声的危害非常巨大，其中有三种致命性危害。
第一种表现形式为听力逐渐衰减，然后听力逐渐失灵，直至失聪。
学名为职业性耳聋。
第二种叫作爆炸性耳聋。
它是指一次强度很高强度的噪音，使得人们脑震荡。
第三种是噪声对人除上述危害以外的对人免疫系统的伤害，会使得人的免疫系统减弱，更容易头晕，眼花，更容易产生疾病[1]。
工地上的扬尘也会对人产生很多危害。
第一，人们经常在扬尘密布的环境下工作，非常容易得工地职业病——尘肺，自从张海超开胸验肺以来，扬尘的检测变得格外重要。
第二，扬尘中有大量的对人体非常有害的化学物质，如二噁英，会对人体的生殖系统造成严重危害，增加了工地工人不孕不育的概率。
第三，扬尘中还有许多重金属物质，如果接触过多，很有可能产生重金属感染[2]。
由此可知，工地上的噪声和扬尘对人体有非常大的危害，因此，对噪声和扬尘的实时监控迫在眉睫。
1．1课题研究的背景及意义
传统的工地噪声及扬尘监测系统一般采取有线通讯技术进行通讯[3]。
此类系统尽管拥有操作方便、抗干扰能力强等优势，但却有稳定性能差、部署难、扩展难、费用高等缺点，从而极大地限制了其在工地检测的推广应用。
基于物联网技术的工地噪声及扬尘监测系统具有稳定性能好、能耗小、便宜、扩展方便等优势，可以有效克服传统工地噪声及扬尘监测系统的各种缺陷，实现噪声及扬尘内的实时、精确、远程和自动监控，满足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
近几年，中国的经济水平日益升高，人们越来越重视无线通讯技术的发展运用。
无线通讯技术，它既促进了通讯方式的全面更新，也拉近了人和人互相间的距离。
但随着时间的推移，现代化的无线技术面对着越来越多的挑战，必须正确了解其现状，从而在此基础上创新，改进其应用方式，突破其技术瓶颈。
1.2.1无线通信技术的现状分析
（1）二十年代初至五十年代初是无线通讯技术的首个阶段，这时，该技术完全为军事所用，肯定具有一些局限，所以传输受到各方面的限制，传输速度很慢[4]。
（2）五十年代中期至六十年末是通讯技术的第二个阶段，这时，在通讯技术中增加了半导体技术，使通讯技术运用在专用系统，从而解决了移动电话和公用电话传输平衡的问题。
（3）七十年代开始至八十年代开始是通讯技术的第三个阶段，这时，频率段被拓宽，首代通讯技术系统正式完成，采用移动理论，新系统被研制出。
（4）八十年代末至九十年代初是通讯技术的第四个阶段，这时，数字第二代移动通讯产生，促进了大部分电信系统按序工作。
（5）九十年代后至今是通讯技术的第五个阶段，这时，第三代通讯技术正式产生，这也加快了其发展的速度，促进多媒体和移动通讯的融合。
随着通讯协议，通讯标准的日益完善，无线通讯仍然可以不断发展创新。
1.2.2现代通信技术的发展前景
未来无线通讯技术的主导为LTE，这种技术有利于促进电脑和通讯的结合，有利于检查网络环境，并可以减少人们之间的通讯干扰。
由于不一样的技术接入的模式也不相同，所以，不一样的技术在接入速度，运用范围方面也肯定都有不同之处。
为了提高不同通讯技术的结合度，绝对不能让无线通讯技术单独发展，必须与其他科学技术相结合，来满足人们对该技术的需要，从而跨越发展了该技术。
最后，在任何情况下都不能满足于现状，要对无线通讯技术不断创新，从而方便实现无线通讯技术的发展与改善。
1．3本课题的主要工作及要求
本文是基于物联网技术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限，如果超出警戒值则启动相应的报警电路及部分控制装置。
（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GPRS基站传输到Internet网络，再从Internet网络将数据下载到上位机。
（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、PCB图，制作PCB板，并焊接相关的元器件。
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基站传输到Internet网络，再从Internet网络将数据下载到上位机，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，比如扬尘浓度在30分钟内大部分时间超过阈值，则启动控制装置风扇，将传感器通风口及内部的积尘吹掉一点（5分钟），防止扬尘堵塞通风口影响检测；分贝值过高则打开报警灯等等。
2．2系统网络结构图
此监测系统由无线传感器节点（用于收集工地无线传感器周围的噪声扬尘等数据，当数据超出阈值可启动相应报警及控制）、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（对下载的噪声、扬尘值做相应的整合与处理）几部分构成[6]。
基于物联网技术噪声扬尘远程监测系统完全能够满足工地上噪声与扬尘参数的实时监控要求。
因为在工地上放置的无线传感器节点位置是由监控人员根据相关规定自由设置的。
天晴时，能够利用太阳能电板，对节点进行充电[7]，当电池电量低，能够对其进行更换电池。
天暗时，能够直接利用电池或稳压电源，从而可以保证整个网络系统长时间无障碍工作。
该系统的网络结构图如图2.1所示。
图2.1噪声及扬尘远程监测系统网络结构图
3无线传感器节
在各节点上，本设计可采用9V干电池、太阳能电板或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，维持整个监测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，启动相应的报警模块开关。
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。
无线传感器节点内部网络如图3.1所示。
图3.1无线传感器节点内部网络
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[5]。
整个系统的电源管理电路框图如图3.2所示，电源电路图如图3.3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，稳定电流，并与XB5351一起对太阳能起过冲保护作用。
TYN接太阳能电板，天晴时可对节点供电并对电池充电。
天暗时，采用电池或者由9V稳压电源直接供电。
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。
电路中电容的作用是隔离直流中的交流成分。
0.1µf电容起到去耦及去除高频干扰的作用，也可再并联个10µf电容去除部分低频干扰。
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主要用于对锂电池的保护。
XB5351的封装为SOT235L，要求的外围元器件只要1个，可以节省安装空间。
XB5351能够避免短路，能够使用防接反装置，对锂电池具有很强的保护。
而且其工作电流极小，完全可以增加电池的使用年限[8]。
主要的技术参数如下：
防接反装置；拥有54mRDS最先进的功率管；电压检测精度50mV；电流过度充防护作用；二段电流多重防护作用；防止短路及过流；充电的检出作用；零伏特电池的充电；通过其内部设置延时；使用年限长，4.1mA的正常电流；1.2µA的关机耗电电流。
XB5351A引脚图如图3.5所示。
3.1.3肖特基二极管IN5819
图3.6IN5819实物与封装
肖特基二极管是一种高速、功率低的半导体元件，普遍应用于频率变换器、电源的开关等相关电路，对电压小，频率大及高毫安电流具有续流、整形、保护的作用，实物与封装如图3.6所示。
3.1.4L7805介绍
本设计的降压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号及3脚为电压的输出端，2脚为GND端，3脚为输出端。
L7805引脚如图3.7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引脚图图图3.8AMS1117常用电路
3.1.5AMS1117介绍
AMS1117是一种正向低压降稳压器，输出电压有多种样式，本设计中我们采用其电压输出为3.3V。
其采用SOT-223封装形式，常用电路如图3.8所示。
3．2CC2530模块
3.2.1CC2530模块简介
CC2530节点作为ZigBee技术和RF4CE在无线通信应用上解决系统应用的一种方案。
以特别低的成本建立起功能强大的网络节点。
CC2530与RF收发器的优良特性相联系，采用标准的增强型8051CPU，无线传输距离可达100米左右。
由于CC2530存在四种相异的闪存版本和多种运行的方式，让其特别适合小功率所要求的系统[9]。
其引脚如图3.9所示。
图3.9CC2530引脚顶视图
3.2.2CC2530引脚介绍
引脚名称
引脚
引脚类型
描述
DVDD
39
电源（数字）
2V~3.6V数字电源连接
AVDD
10
电源（数字）
2V~3.6V数字电源连接
GND
41
接地
接地衬垫必须连接到一个坚固的接地面。
P0_0
19
数字I/O
端口0.0
P0_1
18
数字I/O
端口0.1
P0_2
17
数字I/O
端口0.2
P0_3
16
数字I/O
端口0.3
P0_4
15
数字I/O
端口0.4
P0_5
14
数字I/O
端口0.5
P0_6
13
数字I/O
端口0.6
P0_7
12
数字I/O
端口0.7
P1_0
11
数字I/O
端口1.0具有20mA驱动能力
P1_1
9
数字I/O
端口1.1具有20mA驱动能力
P1_2
8
数字I/O
端口1.2
P1_3
7
数字I/O
端口1.3
P1_4
6
数字I/O
端口1.4
P1_5
5
数字I/O
端口1.5
P1_6
38
数字I/O
端口1.6
P1_7
37
数字I/O
端口1.7
P2_0
36
数字I/O
端口2.0
P2_1
35
数字I/O
端口2.1
P2_2
34
数字I/O
端口2.2
RESET_N
20
数字输入
复位，活动到低电平
RF_N
26
RFI/O
RX期间负RF输入信号到LNA
RF_P
25
RFI/O
RX期间正RF输入信号到LNA
图3.10CC2530引脚图
3.2.3CC2530模块主要功能介绍
传感器将检测到的信息传递给节点模块的CC2530，在CC2530内部通过单片机A/D口接收传感器模块采集的数据；RF无线收发模块完成数据收发；通过I/O口控制相应操作装置等三个主要部分实现所需要的功能[20]。
ADC转换模块：
支持7到12位的分辨率，DC与音频转换最多有八个输入通道（端口0）。
其输入端可以选择单端输入或差分输入。
参考电压选用其内部电压或是一个分外部信号。
本设计采用12位分辨率。
RF无线设备：
无线收发器RF的内核负责控制模拟无线模块。
此外，它还提供了一个无线设备与单片机的接口，让它能够发出指令与读取状态，并自动操作与确定无线设备事件开始的顺序。
I/O控制器：
I/O控制器掌管全部的通用I/O端口。
处理器CPU能够配置外设模块是否与某一个引脚联系。
CPU中断可以使能各个引脚。
连接在I/O引脚的外设都能在两个不相同的I/O引脚位置之间选取，来保证在各种应用程序中的灵活性。
3.2.4CC2530模块典型接法电路图，底板电路图与典型接法实物图
图3.11CC2530的模块电路图
CC2530在使用中只需非常少的外接元件，典型接法电路图、底板插口图及实物图分别如图3.11、图3.12、图3.13所示。
图3.12CC2530底板插口图图3.13CC253O的节点实物图
上图中间2个接插口，插入CC2530模块，最左最右边可以接双排插针，用于扩展底板功能。
3．3复位电路模块
CC2530为低电平复位。
复位电路如图3.14所示。
此复位电路具备按键有按、上电复位2种功能。
当上电的一瞬间，RESET引脚为低电平，大约经过1.414（根号2）倍的R7*C1，也就是1.414*10*1000*0.1*0.000001=141.400µs时，RESET变为高电平。
而RESET的最小复位时间为2个机械周期，也就是2/32MHZ=61.035µs，141.400大于61.035µs，所以可以上电复位。
之后RESET为高电平，CC2530正常工作。
当按下S2时，按键时间一定大于61.035µs，所以可以实现按键复位[16]。
图3.14复位电路（低电平复位）
3．4传感器模块
3.4.1传感器的选择要求
本设计关键在于传感器的选择，而传感器的选择应遵循以下四个技术要求。
（1）为后续电路功能测量提供电力供应，转换范围和测量的实际范围一致。
（2）精度转换功能的实现，需要按照整个应用系统根据总精度要求而分配给传感器的精度指标来完成，转换速度应符合整体要求。
（3）能满足使用环境耐高温、耐腐蚀、防水等的特殊要求。
（4）切实满足用户对可靠性和可维护性的要求。
3.4.2扬尘传感器的选择
3.4.2.1扬尘传感器SLPD-D01
一、产品特点
（1）数字输出粉尘浓度信号，单位µg/m³，内置微处理器MCU优化了精准的算法。
（2）RS232-TTL数字量输出。
（3）自有软件校准功能，调试简单、高效。
（4）粒子计数原理、数字量输出、应用简单。
（5）可灵敏检测直径1µm以上的粒子。
（6）内置加热器形成恒定气流，可实现自动吸入空气。
（7）外形分布均匀，质量极轻。
（8）LED的寿命：
连续工作7年。
二、产品概述
SLPD-D01是一款利用光学检测空气中粉尘浓度并内置MCU运算系统直接输出当前环境粉尘浓度数值信号的数字粉尘传感器，单位µg/m³。
在Irled和1个图像传感器感光模块交叉，在具有粉尘的气流经过相交的范围形成反射光。
图像传感器检验到扬尘反过来的光线，依据产生的强弱信号经过内调制电路及MCU运算系统直接输出判断粉尘浓度的数字信号，这款传感器能灵敏检验出直径1.0µm以上的颗粒，扬尘等大颗粒，通过内置微处理器单片机反复优化了及精准的数据处理，精度得到大幅度提升，直接输出当前环境中的颗粒物PM2.5浓度数值信号，单位µg/m³。
3、电气参数
表3.1SLPD-D01电气参数
编号
参数
技术条件
1
电源电压
DC5V±5%
2
功耗
90mA±10%
3
工作湿、温度
-10~44.6℃、94.8%RH之下
4
储存温度
-30℃~60℃
5
检测粒子直径
1µm以上
6
检测粉尘颗粒浓度范围
0~500µg/m³
7
信号输出
RS232-TTL输出
8
尺寸
W59*H45*D17.2mm
9
重量
约26g
10
传感器测量开始
内部电阻的温度稳定后
4、检测原理
（1）光散射方法；
（2）LED发射出光线遇粉尘产生发射光[12]；
（3）接收传感器检测到反射光的光强输出信号
（4）接收传感器输出信号经过调制电路及内置MCU微处理器数据处理输出PM2.5浓度数值，单位µg/m³。
5、SLPD-D01粉尘传感器输引脚定义
表3.2SLPD-D01引脚定义
引脚号
名称
引脚描述
1
GND
电源输入（接地端）
2
TX
串口（电路板串口发送端）
3
+5V
电源输入（+5V端）
4
PWM
PWM通信接口
5
RX
串口（电路板串口接收端）
六、数据读取方法（通讯协议）
本设计采用的是SLPD-D01串口通信传输扬尘浓度。
（1）串口通信时的配置：
波特率：
9600bps
数据类型：
八位的数据位，一位停止位，没有奇偶校验。
（2）串口通信的数据包格式
模块每隔2~3秒自动发送数据包，格式定义如表3.3所示。
表3.3数据包格式
相关标识符
数据长度
控制字节
浓度高字节
浓度低字节
校验字节
0x16
0x03
0x02
0xXX
0xXX
0xXX
说明：
1）数据长度为命令字节+浓度数据高、低字节的长度；
2）扬尘浓度值（µg/m³）=浓度的高字节*2^8+浓度的低字节；
3）校验字节：
前面所有数据字节的和+校验字节后低字节为0x00。
SLPD-D01还有一种传输扬尘浓度的通信方式为PWM方式。
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