基于嵌入式系统的环境监测与控制系统
李丽芬+云彩霞+陈晓芳
摘 要： 设计嵌入式系统的环境监测与控制系统，采用Arduino平台进行嵌入式开发，主要由ATM329主控单片机、SHT7X温湿度传感器、MG821气体传感器、DSM501A粉尘传感器构成，包括通信端、存储端、显示端、电源端等辅助模块。设计三个传感器的环境监测规则，通过ATM329主控单片机控制监测数据的调制、通信、存储和显示。仿真实验结果表明，该系统拥有低耗性，具有较好的环境监测效果。
关键词： 嵌入式系统； 传感器； 环境监测； 控制系统
中图分类号： TN919?34； TP273.5 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）19?0126?03
Environmental monitoring and control system based on embedded system
LI Lifen， YUN Caixia， CHEN Xiaofang
（Yanching Institute of Technology， Sanhe 065201， China）
Abstract： An environmental monitoring and control system based on embedded system was designed. The Arduino platform is used to perform the embedded development. The system is composed of the ATM329 master control microcontroller， SHT7X humiture sensor， MG821 gas sensor and DSM501A dust sensor， and includes the communication terminal， storage terminal， display terminal， power supply terminal and auxiliary module. The environmental monitoring rules of three sensors were designed. The modulation， communication， storage and display of the monitoring data are controlled by ATM329 master control microcontroller. The experimental results show that the system has low consumption and perfect environmental monitoring effect.
Keywords： embedded system； sensor； environmental monitoring； control system
0 引 言
2014年我国主要城市对管辖区域内的室内外环境质量进行监测，监测结果显示甲醛气体超标在10%～15%之间，苯类气体超标在6%左右；致病病菌高达200多种，在温湿度不达标的情况下病菌传播速率加快，是癌症、肿瘤的重要来源；粉尘超标严重，能够经由呼吸道吸进人体血液中，危害人体健康。环境监测是改善环境问题的首要环节，设计环境监测与控制系统是非常必要的。目前，环境监测与控制系统正向智能化、自动控制的方向发展。
嵌入式系统拥有面向用户、适度剪裁的功能，在监测与控制中均能发挥巨大作用，在未来，基于嵌入式系统的环境监测与控制系统势必成为一个大的发展方向。设计基于嵌入式系统的环境监测与控制系统，按照从整体到局部的顺序依次进行具体设计。
1 嵌入式系统的环境监测与控制系统的总体设计
1.1 整体设计方案
本文设计的基于嵌入式系统的环境监测与控制系统包括硬件监测和软件控制两大部分，系统需要融合网络服务器和存储读写器的功能，并连通温湿度传感器、气体传感器和粉尘传感器[1]，因此使用ATM329主控单片机作为系统控制端，控制程序在集成开发环境下编写。系统由控制端、传感器端、通信端、存储端、显示端、电源端等模块组成，图1为系统整体结构图。
控制端使用继电器控制拥有环境改善功能的硬件设备，如调温器、加湿器、换气阀等，使用ATM329主控单片机控制传感器端和通信端进行环境数据监测的采集与传导。
1.2 系统部署设计
ATM329主控单片机控制传感器采集环境数据并进行显示，当用户在显示端发出查询请求，通信端在第一时间识别请求内容，当即反馈给用户其所需数据或功能[2]。历史监测与控制数据均可在存储端永久保存、在显示端实时查询。存储端每15 min接收一次传感器数据并分类保存。图2是基于嵌入式系统的环境监测与控制系统的嵌入式控制结构图，包括传感器通信、控制信号通信、存储数据通信、网络服务通信和显示数据通信五个通信驱动模块。系统软件在Arduino平台[3]上进行嵌入式系统开发，开发环境是一种新型的编程环境，类似程序Java编码语言的使用环境。对底层的数据传导进行封装，可减少系统通信端的设计步骤，将设计重点转移至传感器端和控制端，提高嵌入式系统的简洁性。
2 系统模块的具体设计
2.1 主控单片机设计
本文设计的基于嵌入式系统的环境监测与控制系统选择ATM329作为主控单片机的原因有两点：一是嵌入式系统体积小、存储空间有限，需要一款大容量的单片机提高系统处理速率、存储软件程序[4]，ATM329擁有大容量存储器，最大存储量为38 KB；二是系统控制端需要在进行数据运算的同时完成多节点环境实时监测，还要在用户发出请求后快速传导数据到显示端，ATM329的在线系统编程模式恰巧符合系统需求。ATM329主控单片机可进行6通道的脉冲宽度调制，对电源的需求在2.0～5.0 V之间，但其与传感器端的连通需要应用5.5～8.5 V的直流电源，使用275C电源芯片实现ATM329主控单片机与传感器端的连通，如图3所示。加入275C电源芯片后，ATM329主控单片机的最大输出电流为直流760 mA，输出电压可达6.5 V，可以正常接收传感器端的环境监测数据。由于275C电源芯片的加入，ATM329主控单片机将使用通用串行总线进行基础电能的供给，通用串行总线可以同通信端连通，对同步、异步的数据通信能很好地完成。
2.2 温湿度传感器设计
环境温湿度监测是气体、粉尘等监测的基础，分析环境监测数据必须要在温湿度的基础上进行运算标定[5]。基于嵌入式系统的环境监测与控制系统对温湿度传感器精度和可靠性的要求颇高，还需保证工作进程不间断。SHT7X温湿度传感器可充分满足这些要求，其结构如图4所示，SHT7X采取互补金属氧化物半导体材质进行电压放大，通过电容体监测环境湿度，利用能量间隙体监测环境温度，拥有8位数模转换器和双线金属通信端口各一个，采用无缝封装方式，具有极强的抗干扰性能和反应速度。
2.3 粉尘传感器设计
基于嵌入式系统的环境监测与控制系统在粉尘传感器的选择上要求结构紧凑、质量轻，能够与嵌入式系统良好兼容。所选DSM501A粉尘传感器的实物图如图5所示，主要由光电感应器、激光发生器、W型往复式真空泵和信号放大器构成，其使用激光散射原理向监测环境中发射激光射线，通过W型往复式真空泵加快粉尘运动速率，当射线与粉尘接触并产生散射现象时，光电感应器将散射激光转换成电信号，再经信号放大器进行信号放大。DSM501A根据散射程度获取粉尘体积，进而确定粉尘类型，通过管脚将监测结果传导出去。
DSM501A粉尘传感器拥有5个管脚，2个管脚用于信号输出，1个管脚接地，其他2个管脚分别与控制端和电源端进行连通。2个输出管脚的灵敏度可以使用控制管脚进行调节。
3 仿真实验
使用JTAG（Joint Test Action Group，联合测试工作组）进行基于嵌入式系统的环境监测与控制系统、基于Cortex?M3平台的环境监测与控制系统、基于北斗RDSS的远程环境监测与控制系统以及基于GSM与ZigBee的环境监测与控制系统的软件调试，将能量测试程序输入到4个系统的控制后台，对系统的监测、通信与控制进程进行函数化，利用CAE仿真软件获取4个系统不间断工作7天所消耗的能量。仿真期间对4个系统采用相同的环境控制方案，能耗对比如表1所示。
能够看出，基于嵌入式系统的环境监测与控制系统的工作能耗有逐渐下降的趋势。其余3个系统的工作能耗普遍逐渐上涨，代表系统在整体控制上存在缺陷，不能有效平衡电路能耗。实验结果说明，基于嵌入式系统的环境监测与控制系统拥有低耗性。
4 结 论
环境监测是改善环境问题的首要环节，本文按照从整体到局部的顺序，设计基于嵌入式系统的环境监测与控制系统，以可靠性和灵敏性为设计理念，介绍了系統部署、ATM329主控单片机以及多种传感器的结构和工作原理。对系统的耗能情况进行了仿真实验，实验结果说明所设计的系统拥有低耗性。
参考文献
[1] 李杨，郭培源，刘波，等.基于嵌入式技术的居室健康环境监测系统[J].电子技术应用，2014，40（8）：24?26.
[2] 刘涛.基于嵌入式及ZigBee技术的老人居室环境监测系统[J].工业控制计算机，2015，28（10）：40?41.
[3] 周虎，秦沿海，代祥军，等.室内空气质量的监测与控制系统的设计与实现[J].科技资讯，2014，12（10）：37.
[4] 翟阳，姜印平.Cortex?M3平台的分布式车间生产环境智能监测系统的设计[J].天津理工大学学报，2014，30（5）：36?40.
[5] 李政清，关晓磊.基于北斗RDSS的远程环境监测预警系统[J].单片机与嵌入式系统应用，2016，16（6）：40?42.
[6] 汪坤，潘立武.基于Android的蛋鸡养殖系统设计与实现[J].现代电子技术，2016，39（2）：33?35.
摘 要： 设计嵌入式系统的环境监测与控制系统，采用Arduino平台进行嵌入式开发，主要由ATM329主控单片机、SHT7X温湿度传感器、MG821气体传感器、DSM501A粉尘传感器构成，包括通信端、存储端、显示端、电源端等辅助模块。设计三个传感器的环境监测规则，通过ATM329主控单片机控制监测数据的调制、通信、存储和显示。仿真实验结果表明，该系统拥有低耗性，具有较好的环境监测效果。
关键词： 嵌入式系统； 传感器； 环境监测； 控制系统
中图分类号： TN919?34； TP273.5 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）19?0126?03
Environmental monitoring and control system based on embedded system
LI Lifen， YUN Caixia， CHEN Xiaofang
（Yanching Institute of Technology， Sanhe 065201， China）
Abstract： An environmental monitoring and control system based on embedded system was designed. The Arduino platform is used to perform the embedded development. The system is composed of the ATM329 master control microcontroller， SHT7X humiture sensor， MG821 gas sensor and DSM501A dust sensor， and includes the communication terminal， storage terminal， display terminal， power supply terminal and auxiliary module. The environmental monitoring rules of three sensors were designed. The modulation， communication， storage and display of the monitoring data are controlled by ATM329 master control microcontroller. The experimental results show that the system has low consumption and perfect environmental monitoring effect.
Keywords： embedded system； sensor； environmental monitoring； control system
0 引 言
2014年我国主要城市对管辖区域内的室内外环境质量进行监测，监测结果显示甲醛气体超标在10%～15%之间，苯类气体超标在6%左右；致病病菌高达200多种，在温湿度不达标的情况下病菌传播速率加快，是癌症、肿瘤的重要来源；粉尘超标严重，能够经由呼吸道吸进人体血液中，危害人体健康。环境监测是改善环境问题的首要环节，设计环境监测与控制系统是非常必要的。目前，环境监测与控制系统正向智能化、自动控制的方向发展。
嵌入式系统拥有面向用户、适度剪裁的功能，在监测与控制中均能发挥巨大作用，在未来，基于嵌入式系统的环境监测与控制系统势必成为一个大的发展方向。设计基于嵌入式系统的环境监测与控制系统，按照从整体到局部的顺序依次进行具体设计。
1 嵌入式系统的环境监测与控制系统的总体设计
1.1 整体设计方案
本文设计的基于嵌入式系统的环境监测与控制系统包括硬件监测和软件控制两大部分，系统需要融合网络服务器和存储读写器的功能，并连通温湿度传感器、气体传感器和粉尘传感器[1]，因此使用ATM329主控单片机作为系统控制端，控制程序在集成开发环境下编写。系统由控制端、传感器端、通信端、存储端、显示端、电源端等模块组成，图1为系统整体结构图。
控制端使用继电器控制拥有环境改善功能的硬件设备，如调温器、加湿器、换气阀等，使用ATM329主控单片机控制传感器端和通信端进行环境数据监测的采集与传导。
1.2 系统部署设计
ATM329主控单片机控制传感器采集环境数据并进行显示，当用户在显示端发出查询请求，通信端在第一时间识别请求内容，当即反馈给用户其所需数据或功能[2]。历史监测与控制数据均可在存储端永久保存、在显示端实时查询。存储端每15 min接收一次传感器数据并分类保存。图2是基于嵌入式系统的环境监测与控制系统的嵌入式控制结构图，包括传感器通信、控制信号通信、存储数据通信、网络服务通信和显示数据通信五个通信驱动模块。系统软件在Arduino平台[3]上进行嵌入式系统开发，开发环境是一种新型的编程环境，类似程序Java编码语言的使用环境。对底层的数据传导进行封装，可减少系统通信端的设计步骤，将设计重点转移至传感器端和控制端，提高嵌入式系统的简洁性。
2 系统模块的具体设计
2.1 主控单片机设计
本文设计的基于嵌入式系统的环境监测与控制系统选择ATM329作为主控单片机的原因有两点：一是嵌入式系统体积小、存储空间有限，需要一款大容量的单片机提高系统处理速率、存储软件程序[4]，ATM329擁有大容量存储器，最大存储量为38 KB；二是系统控制端需要在进行数据运算的同时完成多节点环境实时监测，还要在用户发出请求后快速传导数据到显示端，ATM329的在线系统编程模式恰巧符合系统需求。ATM329主控单片机可进行6通道的脉冲宽度调制，对电源的需求在2.0～5.0 V之间，但其与传感器端的连通需要应用5.5～8.5 V的直流电源，使用275C电源芯片实现ATM329主控单片机与传感器端的连通，如图3所示。加入275C电源芯片后，ATM329主控单片机的最大输出电流为直流760 mA，输出电压可达6.5 V，可以正常接收传感器端的环境监测数据。由于275C电源芯片的加入，ATM329主控单片机将使用通用串行总线进行基础电能的供给，通用串行总线可以同通信端连通，对同步、异步的数据通信能很好地完成。
2.2 温湿度传感器设计
环境温湿度监测是气体、粉尘等监测的基础，分析环境监测数据必须要在温湿度的基础上进行运算标定[5]。基于嵌入式系统的环境监测与控制系统对温湿度传感器精度和可靠性的要求颇高，还需保证工作进程不间断。SHT7X温湿度传感器可充分满足这些要求，其结构如图4所示，SHT7X采取互补金属氧化物半导体材质进行电压放大，通过电容体监测环境湿度，利用能量间隙体监测环境温度，拥有8位数模转换器和双线金属通信端口各一个，采用无缝封装方式，具有极强的抗干扰性能和反应速度。
2.3 粉尘传感器设计
基于嵌入式系统的环境监测与控制系统在粉尘传感器的选择上要求结构紧凑、质量轻，能够与嵌入式系统良好兼容。所选DSM501A粉尘传感器的实物图如图5所示，主要由光电感应器、激光发生器、W型往复式真空泵和信号放大器构成，其使用激光散射原理向监测环境中发射激光射线，通过W型往复式真空泵加快粉尘运动速率，当射线与粉尘接触并产生散射现象时，光电感应器将散射激光转换成电信号，再经信号放大器进行信号放大。DSM501A根据散射程度获取粉尘体积，进而确定粉尘类型，通过管脚将监测结果传导出去。
DSM501A粉尘传感器拥有5个管脚，2个管脚用于信号输出，1个管脚接地，其他2个管脚分别与控制端和电源端进行连通。2个输出管脚的灵敏度可以使用控制管脚进行调节。
3 仿真实验
使用JTAG（Joint Test Action Group，联合测试工作组）进行基于嵌入式系统的环境监测与控制系统、基于Cortex?M3平台的环境监测与控制系统、基于北斗RDSS的远程环境监测与控制系统以及基于GSM与ZigBee的环境监测与控制系统的软件调试，将能量测试程序输入到4个系统的控制后台，对系统的监测、通信与控制进程进行函数化，利用CAE仿真软件获取4个系统不间断工作7天所消耗的能量。仿真期间对4个系统采用相同的环境控制方案，能耗对比如表1所示。
能够看出，基于嵌入式系统的环境监测与控制系统的工作能耗有逐渐下降的趋势。其余3个系统的工作能耗普遍逐渐上涨，代表系统在整体控制上存在缺陷，不能有效平衡电路能耗。实验结果说明，基于嵌入式系统的环境监测与控制系统拥有低耗性。
4 结 论
环境监测是改善环境问题的首要环节，本文按照从整体到局部的顺序，设计基于嵌入式系统的环境监测与控制系统，以可靠性和灵敏性为设计理念，介绍了系統部署、ATM329主控单片机以及多种传感器的结构和工作原理。对系统的耗能情况进行了仿真实验，实验结果说明所设计的系统拥有低耗性。
参考文献
[1] 李杨，郭培源，刘波，等.基于嵌入式技术的居室健康环境监测系统[J].电子技术应用，2014，40（8）：24?26.
[2] 刘涛.基于嵌入式及ZigBee技术的老人居室环境监测系统[J].工业控制计算机，2015，28（10）：40?41.
[3] 周虎，秦沿海，代祥军，等.室内空气质量的监测与控制系统的设计与实现[J].科技资讯，2014，12（10）：37.
[4] 翟阳，姜印平.Cortex?M3平台的分布式车间生产环境智能监测系统的设计[J].天津理工大学学报，2014，30（5）：36?40.
[5] 李政清，关晓磊.基于北斗RDSS的远程环境监测预警系统[J].单片机与嵌入式系统应用，2016，16（6）：40?42.
[6] 汪坤，潘立武.基于Android的蛋鸡养殖系统设计与实现[J].现代电子技术，2016，39（2）：33?35.
