1、本科毕业设计（20 届）室内环境监测所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 2室内环境监测【摘要】本设计是一款智能家居的前端装置，用于监测室内环境。本设计采集、处理室内温度、湿度、空气质量和可燃气体浓度，并通过无线发送器将处理后的数据上传。采用 Core2530 核心板作为主控芯片和无线发送器，采用 SHT11 作为室内温、湿度探测器，MQ-135 作为空气质量探测器，MQ-216 作为可燃气体探测器，实现对室内温度、湿度、空气质量和可燃气体的实时测量，并且每隔 30 秒通过 zigbee 定时上传最近 30 秒、5 分钟、1 个小时、1 天和一个月
2、的平均数据，为智能家居系统提供可靠数据。【关键词】无线监测；CC2530；空气质量传感器3目录1. 概述 .31.1. 设计背景 .31.2. 国内外发展趋势 .31.3. 设计要求 .42. 系统架构 .53. 方案选型 .63.1. 无线模块 .63.2. MCU .73.3. 温、湿度传感器 .73.4. 空气质量传感器 .73.5. 可燃气体传感器 .74. 硬件设计 .84.1. 温湿度传感器 .84.2. 空气质量传感器 .84.3. 可燃气体传感器 .84.4. MCU 与无线通信 .94.5. 存储模块 .105. 软件设计 .105.1. 主程序流程 .105.2. SHT1
3、1 驱动 .135.3. ADC 采集气体及校准 .155.4. 存储器 AT24C32 读写 .186. 系统制作与调试测试 .186.1. 系统 PCB 设计 .186.2. 实物制作 .186.3. 系统调试 .197. 总结 .208. 致谢 .209. 参考文献 .2110. 附录 .2310.1. 附录一：硬件原理图 .2310.2. 附录四：重要代码段 .2341. 概述1.1. 设计背景智能家居的概念起源很早，它是以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、传感器检测技术、自动控制技术、音视频技术将生活家居的有关设施集成，构建更加安全、便利、舒适和环保的家居管理
4、系统 1。智能家居虽已成为陈词滥调，但作为真正与百姓生活紧密联系的行业，仍有巨大前景。特别是近年北京小米科技有限责任公司推出了小米盒子，小米盒子可作为家庭网关，连接所有的智能家居产品，这掀起来智能家居的新高潮。智能家居通常包括家电智能控制、家庭安防系统、环境调节系统以及家庭娱乐系统，而本课题主要针对其中环境调节系统的环境监测部分展开研究。而选择无线监测系统，是为了让产品的兼容性更强，即使是已装修的家庭，也可轻松使用。图 1-1 智能家居系统组成1.2. 国内外发展趋势智能家居概念虽很早就被提出来，然而一直没有具体可实施的建筑案例，直到 1984 年美国联合科技公司（United Technol
5、ogies Building System）将建筑设备信息化、整合化概念应用于美国康乃迪克州（Conneticut)哈特佛市（Hartford ）的 CityPlaceBuilding 时，才出现了首栋的 “智能型建筑”，从此揭开了全世界争相建造智能家居的序幕 2。1994 年到 1999 年是智能家居在中国的第一个发展阶段，整个行业处于熟悉概念和产品认知阶段；2000 年到 2005 年处于开创期，国内先后成立了 50 多家智能家居企业，这个阶段国外智能家居产品基本没有进入国内市场；2005 年以后，智能家居企业的野蛮成长和恶性竞争，给智能家居带来巨大的负面影响，其中包括肆意夸大其功能，产品
6、性能不稳定等，造成用户和媒体开始对质疑智能家居的实际效果，许多企业纷纷退出该行业，坚持下来的也经历了缩减规模的痛苦，而正在这一时期，外国智能家居品牌暗中布局进入中国市场；2011 年以来，可以明显感觉到市场增长的势头，接下来的五到十年，将是智能家居行业发展极为快速 3。5自第一栋智能型建筑出现后，美国、加拿大、欧洲、澳大利亚和东南亚等经济比较发达的国家先后提出了各种智能家居的方案。智能家居在美国、德国、新加坡、日本等国都有着广泛的应用。1.3. 设计要求本设计主要用于对家中的空气质量以及温湿度有效的监测，确保家人能够呼吸到新鲜优质的空气和享受舒适的环境。功能要求：可监测室内温度；可监测室内湿度
7、；可监测室内有毒气体、可燃气体浓度；可监测室内易燃气体浓度；每隔 30S 通过无线定时上报数值。参数要求：通信距离：根据实际应用，一套普通套房大约 70150，按常理，取长户型（长宽相差越大，需要的通信距离越长）做通信估算，如 图 1-2 长户型套房示意图，如果楼层高为 4m，可按 图 1-3 长户型套房简化立方体来计算距离，最大的通信距离为 AO2。图 1-2 长户型套房示意图 mPOA6.15.3211 公式 1-1.4.22122公式 1-2根据 公式 1-1 和 公式 1-2 计算可知普通套房通信距离仅需 15m 左右。6O 1O 2P7 m3 . 5 m1 1 m4 m图 1-3 长
8、户型套房简化立方体温度测量范围：我国南北温度相差比较大，所以测温范围也要相对比较宽。据数据显示，1975 年 7月 13 日，新疆吐鲁番的民航机场曾观测到目前中国历史上最高气温为 49.6，哈尔滨为我国气温最低的城市，其出现过的最低气温为-38.1 4。本设计主要针对室内的环境进行监测，北方虽气温较低，但冬天均有暖气，室内气温并非最低，恰是处于南北交界的地方，室内没有暖气，可能出现负温的情况，但多是高于-5 ，因此本设计测温范围定在 -1050。温度精度：0.5。湿度测量范围：095%RH。湿度精度：人体对湿度的敏感程度相对较低，因此其精度也无需太高，目前民用精度较高的湿度传感器精度为3%RH
9、，精度为 5%RH 的较多，本设计的精度要求也定为 5%RH。2. 系统架构系统包括 3 个部分，如 图 2-1，即传感检测、数据采集与处理和数据发送三个部分。传感检测部分有四种传感器，分别为温度传感器、湿度传感器、空气质量传感器和可燃气体传感器，这些传感器负责探测室内对应的物理量；数据采集与处理便是 MCU，MCU 读取传感器探测的物理量，并进行相应的处理；而后由无线发送模块将数据上传。M C U温度传感器湿度传感器空气质量传感器可燃气体传感器无线发送存储模块图 2-1 室内环境监测架构图本设计在智能家居中有着重要的意义。若将智能家居系统比喻为战场，那么本设计便是战斗在一线的战士。如 图 2
10、-2，整个系统包括监测终端（ 图 2-2 右上角） 、嵌入式主机（ 图 2-2 中间） 、家电控制（图72-2 下方） 、服务器和用户终端（ 图 2-2 左上角方框）5 个部分，本设计便是大系统中的监测终端。监测终端主要用于检测室内温度、温度以及环境中的气体，继而将检测到的数据通过无线传输给嵌入式主机；嵌入式主机通过无线接收器接收监测终端上传的数据，继而通过网络将数据汇集到互联网的服务器；最终，用户可以采用 PC 机、平板或手机通过互联网、3G 网等观测分析室内环境。采用无线传输技术，在不破坏原有装修的情况下，可使家居更智能、舒适。此外，用户可启动自动调控功能，通过电脑、平板或智能手机为系统各
11、物理量设置上下阈值，根据上下阈值自动启动或关闭对应的家电，如将温度的上阈值设为 26，下阈值设为 20，当温度高于 26时，启动空调降温，当低于 20时，启动空调加热，当处于 20与 26之间关闭空调；也可使用手动远程调控功能，在下班回家的路上，用手机观测家中的温湿度、室内空气情况，如不是很理想，便可远程控制对应的家电。这一智能化的系统均需监测终端，实现了对现场环境的监测，后期的想象空间无限之大。空调加湿器窗户窗帘I n t e r n e t / 移动通信网络服务器平板电脑智能手机P C 机R S 4 8 5 / 无线嵌入式主机现场终端控制器传感节点图 2-2 室内环境自动调节/ 远程监控系
12、统3. 方案选型3.1. 无线模块市场上的无线模块五花八门，无法用一种标准去评价其好与坏，它们各有优缺点，选用了最适合自己的才是最好的。无线模块有内置 MCU 与无内置 MCU 之分，本设计的功能相对简单，并且对体积要求较高，因此可选用内置 MCU 的无线模块。比较熟悉的内置 MCU 的无线芯片有 CC2530、NRF24LE1 和NRF9E5 等，经测试证明 CC2530 与 NRF9E5 的通信距离与穿墙性能优于 NRF24LE1，并且 CC2530 内置ADC，而本设计中涉及气体传感器（空气质量与可燃气体） ，市面上的气体传感器多为模拟量输出，需ADC 采集，因此选用了 CC2530。由
13、于高频通信技术难实现，因此本设计采用了主控芯片为 CC2530F256的 Core2530 核心板。 图 3-1 为核心板的实物图。8图 3-1 Core2530 核心板3.2. MCUMCU 有单片机和 ARM 之分，很多单片机被用于学科教学，如 89C5x，但也有很多特色单片机被用于特殊场合，如 MSP430 常被用于超低功耗场合，ST 公司也推出 51 内核的单片机 STM8，其内部拥有丰富的资源，在很多时候可用 STM8 取代 STM32。在本设计中选用了具有 MCU 的无线模块，因此无需再对 MCU 进行选型。3.3. 温、湿度传感器目前具有很多温湿度一体的传感器如 DHT 系列、S
14、HT 系列，常用的民用温度传感器有热敏电阻、DS18B20、TMP 系列温感等，常用的民用湿度传感器有湿敏电阻、HS1101 等。本设计为减少外围器件，提高作品稳定性，缩小体积，采用了温湿度一体的传感器，下面重点比较一下 DHT 系列温湿度传感器与SHT 系列温湿度传感器的区别。表格 3-1 温湿度传感器选型表名称 价格 体积 温度测量范围 湿度测量范围 温度精度 湿度精度DHT11 11.5 元 3.2*1.4cm 050 2090%RH 2 5%RHDHT21 19.0 元 5.8*2.7cm -4080 0100%RH 0.5 3%RHSHT10 23.5 元 0.75*0.7cm -4
15、0123.8 0100%RH 0.5 4.5%RHSHT11 36.0 元 0.75*0.7cm -40123.8 0100%RH 0.4 3%RHSHT15 77.0 元 0.75*0.7cm -40123.8 0100%RH 0.3 2%RHSHT71 102.0元1.35*0.5cm -40123.8 0100%RH 0.4 3%RHSHT75 130.0元1.35*0.5cm -40123.8 0100%RH 0.3 1.8%RH对 表格 3-1 温湿度传感器选型表 中的各型号进行分析，以温度测量范围为-1050，精度为0.5，湿度测量范围为 095%RH，精度为3%RH 为标准，DT
16、H21、SHT11/SHT15/SHT71 和 SHT75 满足要求，其中 DHT21 的价格最为便宜，但体积太大，因此选择价格仅次于 DHT21 的 SHT11 作为本作品的温湿度传感器。3.4. 空气质量传感器MQ-135 可探测氨气、氮气化合物、醇类、芳族化合物、硫化物、烟雾等，非常适用于家庭、环境的有害气体探测装置，并且价格低，电路简单，体积较小，适用于本设计，因此选用此传感器作为空气质量传感器 5。93.5. 可燃气体传感器MQ-216 适于探测液化气、氢气、城市煤气等，被广泛用于家庭和工厂的可燃气体泄漏监测装置，本设计中对可燃气体进行监测亦是降低可燃气泄漏造成的危害，因此 MQ-2
17、16 适用于本设计。4. 硬件设计4.1. 温湿度传感器本设计采用 SHT11 探测室内温湿度，SHT11 有 5 个引脚，分别为 GND、DATA、SCK、VDD 和NC，其中 NC 为剩余引脚，无需连接；GND 引脚接地； VDD 为电源脚，电压要求 2.45.5VDC；DATA是双向串行数据引脚；SCK 为串行时钟引脚，只允许输入， 图 4-1 左图为 SHT11 的接口说明 6。 图 4-1右图为温湿度传感部分的原理图，R18 和 R19 为上拉电阻， C13 为滤波电流，SHT11 的 SCK 和 DATA引脚接 CC2530 的 I/O 口。图 4-1 SHT11 接口说明与原理图
18、4.2. 空气质量传感器本设计采用 MQ-135 探测室内有毒气体。 图 4-2 左图为 MQ-135 的基本测试电路。MQ-135 是半导体气敏元件，在使用前需给其加热，因此该传感器需加两个电压，加热器电压（V H）和测试电压（V C） ，其中 VH 为传感器提供特定的工作温度，V C 用于测定传感器串联的负载电阻 RL 上的电压 VRL，在满足电性能要求的前提下，V H 和 VC 可共用一个电源电路。V RL 越大表示气体浓度越高，R L 的大小会影响传感器的品质。 图 4-2 右图为原理图， R2 和 RP1 组成负载电阻（即 图 4-2 左图的 RL） ，RP1 为可变电阻，调节 RP
19、1 可改变传感器性能。MQ-135 输出模拟量电压，输出端连接一个电压跟随器，而后将输出的信号接入 CC2530 的 I/O 口，电压跟随器起增强驱动能力作用，使采集的数据相对稳定。图 4-2 MQ-135 测试电路与原理图4.3. 可燃气体传感器本设计采用 MQ-216 探测室内可燃气体浓度，MQ-216 只有两个引脚一个电源脚一个输出脚，与MQ-135 一样，输出电压，电压越高气体浓度越高。 图 4-3 左图为该传感器的测量电路， 图 4-3 右图为其原理图，同 MQ-135，输出端接了一电压跟随器。10图 4-3 MQ-216 测试电路与原理图4.4. MCU 与无线通信本设计选用 Core2530，其主控芯片为 CC2530F256， 图 4-4 为 Core2530 核心板原理图，反应了CC2530F256 芯片引脚与核心板引脚的对应关系。 Core2530 共有 16 个引脚，即 21 个 I/O 口，2 个引脚接电源，2 个引脚接地，还有一个为复位脚， 图 4-5 为 Core2530 的原理图。图 4-4 Core2530 核心板原理图
