Arduino硬件平台下的微环境监测系统设计及应用

Arduino硬件平台下的微环境监测系统设计及应用作者/何晓冬，苏州幼儿师范高等专科学校
文章摘要：进入21世纪之后，科技得到了飞速的发展，不管是国内还是国外，科技的进步都为人们带来了很大的便利，同时硬件也变得 更加的专业和先进，使用的范围也在不断地扩大。

监测系统不管在工业领域还是农业领域或者是其他的领域，都有非常大的实用价值，能够提升整个工作的效率，也能够为行业的发展带来不可忽视的促进作用，所以对监测系统的关注和研究一直都是我国重要的工作之一。

随着科技的发展，尤其是互联网的出现，对监测系统的设计和研究有了新的角度和突破，经过不懈的努力，监测系统的研究可以说取得了划 时代的进步和发展。

Arduino属于一个开源电子型平台，具有很强的灵活性和易学习性，比较方便操作，所以一经问世就受到了大家的追 捧，迅速风靡起来，整个Arduino主要由两部分构成，一部分是不同型号的Arduino板，属于硬件的范畴，而另一部分则是软件的范围，即ArduinolDE。

微环境指的是细胞单位范畴的事情，具体代表由细胞间质和体液组成的细胞生存的液体环境，在生物医疗领域是一个非常普 遍的专业名词[1]。

在Arduino硬件平台下，研究微环境的监测系统有非常大的现实应用的意义，不管是在农业领域还是医学领域，微环境 下监测系统的设计都是非常有必要的，可以投入很大的资金和人力资源。

本文讨论的主题就是基于Arduino的硬件平台，研究微环境下检 测系统的设计和应用问题。

关键词：Arduino的硬件平台；Zigbee数据中心；微环境；监测系统
微环境下监测系统的设计除了要使用Arduino的硬件 平台，还需要借助Zigbee的数据中心以及无线传感器网络 等新型的技术，这些新技术的使用都是得益于科技的进步和 发展，也只有这些新兴的技术能够为微观环境下监测系统的 研究和设计带来坚实的保障。

随着互联网的发明和投入使用，不管是社会上还是生活中，都产生了大量的数据，这些数据 稂莠参半，有的毫无用处甚至还会对工作产生很大的危害，但是有的却是工作中不可或缺的存在，所以对数据的管理有 很大的必要性，这也是数据中心产生的原因，并且随着越来 越大的社会需要，数据中心的规模和数量都得到了很大的提 升，并且对运行的环境也有了更高的要求，Zigbee数据中 心凭借着自身灵活和简单的自组网方式，在自动控制领域和 物联网中得到了相当可观的应用。

监测系统的设计需要用到 很多的数据，尤其是微环境下的检测系统，由于应用的单位 比较小，所以要求使用的数据需要更加的精确，不同的数据 中心在微环境的监测中有不同的方法和技术，相应的也会产 生不同的设计结果和应用的范围，为了使设计出的微环境监 测系统具有更高的使用价值，本文在Arduino的硬件平台 和Zigbee数据中心的基础上来进行设计和研究，下面就开 始具体的分析介绍。

l.Arduino的硬件平台的简介
Arduino通俗来讲，其实质是一个微电脑，主要功能是 传授互动的设计以及智能产品的设计，它的发明和大多数 的科技_样，也是为了满足人们的使用，意大利_家高校的 老师Massimo Banzi是Arduino的设计者，设计的契机也 只是为了满足学生的使用，因为当时市面上的微控制器大 多比较昂贵，很多学生支付不起，所以，为了能够保证学 生的正常使用，Massimo Banzi和西班牙晶片工程师David Cuartielles—起研究了 Arduino，Arduino和其他的商品不 同，它最大的特点就是开放性，其他人在合法的情况下都可以使用，可以对Arduino进行重新的设计和修改甚至销售，这种程度的商品不管是当时还是现在都是非常罕见的，但是 在开放的同时，也有一定的规定，那就是新的设计和改编 也必须保证和Arduino_样的开放性，这是Arduino的设 计理念，还要保持Arduino的名字不改变，所以现在市面 上出现了多种型号的控制器，图1就是比较常见的Arduino 型号—
—ArduinoUno P]。

图lArduinoUno
Arduino分为硬件和软件两个部分，具体为Arduino 板和Arduino IDE,在simple I/O界面板上构建而成，使用 的是C语言或Ja v a的开发环境，适用性比较大，主要的功 能是通过传感器来感知周围的环境，还能够使用电机和灯光 来反馈甚至影响环境，所以用Arduino硬件平台来设计微 环境下的监测系统是有一定的现实依据的。

除了开放性，Arduino还拥有其他比较显著的特点，比如廉价性，这和 Arduino设计之初的目的有很大的关系，也是Arduino发 展迅速的原因之_，同时为了满足更多的客户，Arduino还 设计的有不同规格的传感器和控制器；其次，Arduino还具 有跨平台的特征，它能够在各种现在主流的平台上使用，比如 Microsoft Windows、Linux、MacOSX等，应用的范围
I1
7
<=□
远程管理接口
J L
—
微环境监
测数据库
开发工具 及开发环
java
C#+SQL
数据库
IAR8.10单片C 语言
第三方监控系统
其他应用系统
数据中心监控平台
m m m
n
接口1 接口2
接口
数据采集控用户管理
异常报警管数据管理
无线组网管无线链路管节点配置管传感器驱动数据加密
非常的广泛；除此之外，Arduino 的编程界面比较注重视觉 化，同时编程的方式也比较简单，很受初学者和设计人员的 喜爱，在年轻人中享有很高的声誉，在此基础上，Arduino 平台还设计了特殊的控制语言，控制语言比较具有人性化， 是在C 语言的基础上开发的，用户可以进行调控，实现特 定的功能。

2.微环境系统检测的设计
■ 2.1Arduino 硬件平台下微环境监测系统的总设计 2.1.1总设计的重要点
在Arduino 的硬件平台上，还需要使用Zigbee 数据中 心，上述我们已经介绍过Zigbee 数据中心的重要性，这里 就不再累述，结合Zigbee 数据中心和Arduino 硬件平台的 技术，我们开始具体的介绍微环境监测系统总设计的几个要 点。

整个系统的设计需要一个起保护作用的柜机，在柜机的 内部安装的有各种不同功耗的设备，这些设备在使用中会产 生一定的热量，从而影响监测的环境，所以监测系统的设计 一般都是划分为不同的小格，在微小的空间里做具体的监测， 但是划分为不同的小格，会加大整个系统的负担，所以在总 体的设计中要着重注意以下几个问题，首先是系统的分层设 计，要注意均衡各层次的任务和功能，能够保证数据的采集 和交换、传递和储存等，这些都要在总体设计的时候考虑到， 为了实现系统对于数据的吞吐性能；其次还要注重数据的准 确性和采集的及时性，因此必须选择那些精度比较高、性能 比较好的Zigbee 芯片和传感器；还要关注监测环境的传感 器部署模型，这是因为环境数据实际上就是监测空间中的连 续变化量，所以选择矩阵式的分布比单点式的分布要更加的 合理；最后还要注意各个层次之间的扩展性，来实现系统的 安全性和开放性[3]。

图2微环境监测系统的总设计
18 |电子制作2016年9月
2.1.2监测系统的总体设计
为了方便介绍，我们以图文结合的方式来进行，图2即 为微环境监测系统的总体设计。

由图2我们可以清晰的看到，在Zigbee 数据中心和
Arduino 硬件平台上设计出的监测系统总共分为三个层次，
从下往上，分别是网络层、采集层和服务层，整体的构建非 常的简介易懂，层次分明。

下面我们来介绍各个层次的主要 组成，首先是网络层，主要是在Zigbee 的协议栈上，由无 线传感网络来构成，也可以说，无线传感网络是监测系统网 络层的主要组成部分，再将无线传感器进行细致的分解，分 别是由Zigbee 芯片以及不同的传感器组成的，主要负责监 测数据的传输;采集层顾名思义是对监测数据的采集和管理， 在监测系统中属于比较重要的一层，也就是我们经常说的上 位机层，在采集层_般使用的是C S 技术架构，因为C S 架 构的性能能够很大程度上保证系统的稳定性和实时性；最上 面的是服务层，服务层在监测系统中起着不可忽视的作用， 它的存在是在保证自己层次稳定运行的前提下，为其他的系 统提供各种服务，可以保证整个监测系统的正常工作。

三个 不同的层级选择的开放环境和开放系统是不一样的，是针对 自己层次的功能和任务选择适合自己的系统，其中服务层选 择的是java 开发工具和Apache HTTP Server 架构，而网 络层选择的是C /C ++编译器和IAR Systems ，这样选择的 依据是网络层的设计目标，即在Zigbee 协议栈上建立一个 供整体系统的使用的网络系统；采集层这个上位层选择的是 效率很高的开发程序一C #，来保证采集系统的正常高效的 工作；最后介绍下数据库，整个监测系统的设计少不了数据 库，数据库是对系统中产生数据的收集和管理，起着不可或 缺的作用，在微环境监测系统的设计中，数据库采用的是
SQLServer 系统，来保证数据库的安全稳定运行[4]。

■ 2.2Arduino 硬件平台下微环境监测系统的硬件设计
2.2.1Zigbee 节点和协调器的设计
微环境的监测系统的设计分为两个部分，一个是硬件 的设计，一个是软件的设计，我们首先先来介绍系统的硬 件设计，也是分为了两大部分，一个是协调器和Zigbee 节
点；另一个则是微环境传感器。

监测系统的硬件设计主要 要考虑的是下机位的效能和性能，这是硬件设计的重中之 重，所以Zigbee 的节点和协调器的设计要根据实际的具 体要求，来组成各种不同的形状，比如网状、星形以及树
形等，这些都是比较常见的形状，可以根据具体的要求来 进行选择。

Zigbee 的节点和协调器的设计主要需要克服 的问题是系统中的电磁干扰，所以节点和协调器选用的是
CC 2530F 256+CC 2591的硬件方案，这样可以缩小无线网络
服
务层一采集层
的距离以及提高系统的抗干扰能力，使得搜集到的数据有更 大的准确性。

2.2.2微环境传感器的设计
为了方便介绍，本文首先列出了集体的表格，这样可以 方便读者的理解，传感器的具体设计如表1所示。

表1传感器设计的列表
型号类型数量方式采集精度
D S18B20温度传感器4X4数字9位(芯片自身）
S T H10温湿度传感器2X1数字8位(芯片自身）
M S5100烟雾传感器2X1模拟7位(C C2530A D C)
A C S712E L C T R-30电流传感器1X1模拟7位(C C2530A D C)
霍尔式风杯风速传感器1X1脉冲16位(C C2530计数)
微环境的监测系统中，传感器有着很大的作用，不管是 数量上还是质量上的变化，对监测系统都能够造成重大的影 响，所以对传感器的选择需要进行均衡的实验。

根据以往的 经验，并不是说精度越高的传感器对系统就会有更大的好处，精度过高不仅会提升系统的投资成本，也会造成系统运行的 负担，所以，在能保证系统正常运行的情况下，传感器要尽 量选择那些精度比较低的，但是也不能过低，从而为系统带 来运行的障碍，应该把握好一个度，表1列取了几个传感器，
图3软件设计中数据的流程图可以根据具体的实际要求来选择，低功率的数字传感器模块 可以将环境的模拟量直接转化为数值，从而减少系统的开销。

■2.3Arduino硬件平台下微环境监测系统的软件设计
2.3.1系统软件设计的主要流程
软件部分是微环境监测系统的核心部分，对于系统软件 部分的设计需要考虑很多的因素，为了设计出性能和效能都 比较高的系统软件，我们首先来了解软件系统中上位机的程 序的主要功能，对于本地用户来说，上位机程序实现了环境 监控的交互操作，非常的简单方便，其次，上位机和下位机 构成了一个完整的C S构架系统，这样就能够进行独立得运 行，实现各种工作，比如对系统节点的管理、系统用户的管 理，还有其他很多动能上位机都可以进行独立的实现，相应 的也减少了下位机的压力，提高了整个监测系统的工作效率。

监测系统软件部分设计的主要流程就是由终端用户通过中心 监控平台发出数据的请求开始，直到下位机将数据运行的结 构返回远程管理接口终止，这才是一个完整的软件系统的流 程，下面我们作图表示，如图3。

2.3.2通信协议
软件系统中，上位机和下位机之间的通讯是一个非常重 要的方面，需要投入很大的资源和精力来投入设计，这是因 为协议的格式直接决定了数据之间交换的效率，所以在设计 的时候可以考虑使用固定的长度指令的格式，来保证系统的 中通信的安全性和效率性。

固定长度的指令编码具有非常卓 越的价值，比如解码非常简单并且很少出错，同时占用的内 存也比较小，所以在系统软件的设计中可以优先考虑这种指 令。

指令的选择还要受到传感器数量和种类的影响，这是因 为系统硬件的设计不仅要考虑系统的稳定性还需要考虑系统 的扩展性，这样就会造成指令长短的变化，如果指令过长，就会降低指令的传输效率和解析效率，从而造成系统运行效 率降低。

一般情况下，上位机和下位机之间的通讯数据格式 被固定为80个字节，为了表达的清晰，我们将指令格式的 结构以表格的形式展现出来。

表2指令格式表
项目内存字节数顺序备注
指令头“&H E D”40开始标志
指令类型指令集34指令集目标物理地址节点长地址87如果无责置0目标网络地址节点短地址215
数据包传感器返回数据5317如果无责置0连接质量节点信号强度170
备用待扩展471
校验位奇偶校验175
结束位“&E N D”476结束标志
I1
9
3. 微环境系统检测的调试
在完成监测系统的硬件软件的设计之后，接下来需要做 的事情就是对微环境监测系统的调试，调试工作对系统的正 常运行起着重要的监测作用，一般来说，对于整个系统的测 试采用的是仿真的形式，这样做可以准确明显得观察出系统 设计存在的问题，以便得以及时的改正。

调试工作具体指的 是对已经设计好的硬件和软件进行运行的监测，观察设计出 的系统能够达到预期的功能，对此使用比较广泛的工具是 AVRStudio,这是一个功能比较综合的开发环境，具体的功 能有项目的管理、程序的调试、程序的编译和下载等，功能 比较齐全。

具体的使用程序是首先启动ICCAVR，接着建设 一个新的工程项目，再经过选择，翻译和总结等具体的程序 最后将烧录器和节点上的JTAG进行连接，来完成对监测系 统的调试，如果出现问题需要及时的改进，调试工作的结束 才是微环境监测系统设计的最后一步。

4. 结束语
微环境的监测系统在如今的社会上已经具有很大的实用(上接第16页）
工作模式，会造成与最终实际运行的工作模式相悖，而且系 统的运作也不能够顺利进行，具体的系统存储过程需要在 ROM_BOOT中加载boot loader启动才能够完成，所以要 强调改变原来的空间设备大小，将一些优化过的系统进行科 学化的安装，从而完成系统存储器设计。

该项研究问题的解 决对于我国的北斗基带芯片中的ARM控制单元设计来讲是 一次重要的实践性探索。

■ 1.5片上其它资源设计
片上资源主要有通用异步收发器（UART)、看门狗定 时器（WDT)、实时时钟模块（RTC)、串行外设接口（SPI)、通用输入输出控制器（GPIO)等。

UART是调试接口，在 软件设计和数据处理的过程中使用UART进行调试，同时在 芯片设计后期PVT解算等一系列的基带处理结果也需要通 过UART输出到PC终端显示出来。

RTC主要用于时间同步，每隔_定时间会从卫星上加载最新的时间数据。

WDT用于 监测总线活动，防止软件跑死等突发情况。

S P I主要是用于 ARM7系统与各种外围设备以串行方式进行通信来交换信 息。

GPIO是APB总线和10端口的桥梁，通过编程，GPIO 可以控制16个10引出端为输入或输出。

2.北斗基带芯片中的ARM控制单元设计系统 集成与验证
北斗基带芯片中的ARM控制单元设计验证工作贯穿整价值，并且随着科技的进步和知识的发展，系统的设计也有 了新的支撑和坚实的保障，需要集中各方面的资源和力量，来设计出一个高性能、高效率的监测系统，提高国家经济效 益和社会效益。

参考文献
氺[1]时野坪.基于Wi-F i的农业微环境监测系统的设计[J].电子科 学技术，2013,09(3):11.
氺[2]施云波，王萌萌，南慧杰，时野坪.基于无线传感器网络 的农业微环境监测系统的设计[J].黑龙江大学自然科学学报，2013,02:254-258.
*[3]田辉，张潇潇，李悦明.基于Zigbee的数据中心微环境监测 系统的设计与研究[J].电子科学技术，2016,03:338-342.
氺[4]刘仲玺.基于Arduino硬件平台的微环境监测系统设计[J].
安徽冶金科技职业学院学报，2016,01:23-26.
个设计流程。

据统计数据，北斗基带芯片中的ARM控制单 元设计中功能缺陷超过60%，可见北斗基带芯片中的ARM 控制单元设计验证工作重点应在功能验证上。

本北斗基带芯 片中的ARM控制单元设计系统的设计阶段主要采用软硬件 协同验证，主要分为如下几个步骤：
第_步，系统集成前IP级验证。

第二步，系统集成后IP级验证。

第三步，系统集成后的系统级验证，这一阶段验证系统 需要其他IP核协同验证，才能最接近最真实的情况。

3.结束语
北斗基带芯片中的ARM控制单元设计，对于当前科 技发展来讲是一次重要的探索。

为了有效的控制单元在Vitex5LX110 FPGA原型平台上验证并实现，我们主要结合 -定的实践操作来优化系统，从而使之快速的发展，同时可 以为后续数据处理软件开发做进一步准备。

参考文献
氺[1]孙洪亮.基于FPGA的G P S芯片验证与实现研究[D].长春：长春理工大学,2008 (04)
氺[2]王彬，任艳颖.数字1C系统设计[M].西安：西安电子科技大 学出版社,2005 (01)
20 |电子制作2016年9月。