基于STM32的无线环境监测

　　古良玲，韦登峰，余茜，龚路，谭博文，刘建龙

　　（重庆理工大学 电气与电子工程学院，重庆 400054）

       摘要：为了对环境参数进行实时监测，设计了一种以STM32单片机为控制核心，nRF24L01为无线收发芯片的无线环境监测装置。对目标环境参数采集的同时，摄像头及环境参数监片之间采用SPI总线接口通信方式，将数据传送至监测中心。该装置结构简单，可实现循迹功能，发送救援信号，实现温度、湿度、酒精及烟雾的实时监测和液晶显示。

　　关键词：环境监测；nRF24L01；32单片机；循迹

0引言

　　由于人们对无线通信的要求不断提高，老一代无线传输技术已经无法满足现今需求，新一代无线技术已经诞生，2.4 G技术就是其中之一。nRF24L01［1］是一款新型单片射频收发器件，其高效的数据传输速率可以在更短的时间完成同样的数据收发，具有更低的功耗。基于nRF24L01无线射频收发芯片的实时环境监测装置，可以检测环境中的温度、湿度及烟雾等参数，尤其是灾难（火灾、地震等）发生后，可对物质进行实时检测，对危险品进行检测，发出救援信号，及时解救被困人员。该装置使用起来非常安全，取代了人为操作，能够进入人不能到达的地方进行检测。

1设计方案

　　本系统要求设计并制作一个基于STM32［2］的无线环境监测装置，实现对特定环境中水量、酒精、温度、湿度以及烟雾等物质的监测。该装置使用2个STM32F103ZET6单片机互传信息，其中1个安装在小车上作为检测控制端，另1个位于上位机作为信息检测终端，检测控制端与信息显示终端均采用一套无线收发电路，具有无线数据传输功能，收发共用一个天线。基于STM32单片机的无线环境监测装置硬件基础分为4个部分，分别是：检测控制端的参数采集电路、2.4 G无线收发电路、遥控电路［3］和信息终端显示电路。系统结构如图1所示。

2硬件电路及软件设计

　　2.1遥控器

　　2.1.1硬件设计

　　本部分是作为对机器人的主要控制台，其中包括对机器人行走速度和路线的控制，还有对其工作模式的切换。其主控芯片选用STC12C5260S2［4］；其芯片自带8路10位A/D，通过对操纵杆所连电位器的电压采集和运算确定操纵杆的位置，来判断使用者的操作意图，再通过无线模块传送信息到接收机，实现对机器人的控制。其原理图如图2所示。

　　2.1.2软件设计

软件部分主要是对硬件连接中信息的处理和运算。将操纵杆和按钮分别接入单片机的部分管脚。通过定时器和中断的方式，定期对接入的信号进行A/D转换，并且将其打包，通过无线模块往外发送。遥控器工作流程如图3所示。

　　2.2接收机

　　2.2.1硬件部分

　　主控芯片采用STC12C5608A/D。分别连接无线模块的各个管脚和信号输出端口，还有连接五路循迹的信号采集端口。通过对端口信号的扫描，确定机器人所处位置，实现循迹的功能。硬件框图如图4所示。

       2.2.2软件部分

　　其设计思想是：通过对无线模块传送过来的数据进行运算，还原操纵端的操纵情景，再发出命令控制机器人的运作。其信号主要采用PWM波。当传送的数据改变后，立即改变波形的占空比，实现对舵机和电子调速器的舵量调节和速度调节。循迹模式是通过对端口的扫描输入数据进行分析，确定应该采取的措施，再通过信号输出端口输出信号，实现控制。流程图如图5所示。

　　2.3参数采集电路

　　根据系统成本低，实用性强的原则，设计了简单的电路［5］。该电路装有：（1）水量传感器，该部分利用一个水量采集板，将信息传到模块处理部分，在模块中将信息处理后，分两种模式进行输出，一种是模拟量的线性信号，一种是数字信号。数字信号只能反映有无水的存在，但是模拟信号可以通过电压高低线性地表示水量的多少。（2）酒精检测器［6］，探头采用MQ3,它可以线性反映酒精的含量，信号同样通过电压的形式输出。（3）烟雾检测装置［7］，探头采用MQ2，该模块的信号输出方式和MQ2完全相同。（4）温、湿度检测电路，采用DHT11温湿度传感器［8］，其具有响应快、抗干扰性强的特点，从而增加了本系统可靠性。（5）红外人体检测器，当在灾害现场进行工作时，该传感器可以有效地检测是否有人的存在，进而有效实施救援。（6）障碍检测器，采用红外对管［9］，在模块中，有一个红外发射头，在相邻位置，有一个接收管，通过对反射回来的红外线光信号变成电信号，来检测前方障碍物是否存在。以上信息在装置的核心处理［10］部分（STM32单片机）经过数据的滤波、整理，“打包”后通过nRF24L01发送到信息终端，供使用者查看。

3结束语

　　本设计是基于STM32的环境监测系统，实现了对温湿度、酒精、烟雾、水量参数的采集，对人体的红外检测以及该装置的避障处理。通过2.4 G无线传输的方式传送给信息显示终端，在危险作业区，可取代人为操作，能够进入人不能到达的地方进行检测。该装置具有循迹、避障功能，实时图传的特点，智能化程度高，信息时效强，支持多路传感器同步采集数据，可扩展性强。

　　参考文献

　　［1］ 谭晖. nRF无线SOC单片机原理与高级应用［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2009.

　　［2］ 杨光祥，梁华，朱军 . 32单片机原理及工程实践［M］. 武汉：武汉理工大学出版社，2013.

　　［3］ 陈桂友. 增强型8051单片机实用开发技术［M］. 北京：北京航空航天大学出版社，2010.

　　［4］ 宏晶科技. STC12C5620AD系列单片机器件手册［Z］.2015.

　　［5］ 秦志强，谭立新，刘遥生.现代传感器技术及应用［M］.北京：电子工业出版社，2010.

　　［6］ 兰羽，白洁.基于AT89C51的酒精浓度测试仪设计［J］.信息技术，2013（10）：75.

　　［7］ 单春艳，章平，张同翰.基于STM32的学生宿舍烟雾检测器设计［J］.工业控制计算机，2014（4）：149.

　　［8］ 张万江，刘晓野，孙凡.基于NRF24L01的无线环境监测系统［J］.数字技术与应用，2014（3）：3031.

　　［9］ 吴正光.红外对管监测装置［J］.广州师院学报，1996（1）：7983.

　　［10］ 张淑清. 嵌入式单片机STM32设计及应用技术［M］. 北京：国防工业出版社，2015.