面向环保检测的智能硬件技术及系统研究与设计

面向环保检测的智能硬件技术及系统研究与设计

近几年来经济全球化的发展和我国经济建设的粗狂式发展使得环境问题日益加重，环境污染的监控与防治成为各方面关注的焦点，各个地区提出了“数字化”环保的决策来进行环境的管理。随着物联网、传感器、地理信息系统、云计算、大数据等等信息技術的发展和环境信息采集量的加大，环保的体系建设正在逐渐从“数字环保”向“智慧环保”演进，并且逐渐解决“数字环保”系统提出的环保数据采集系统智能化和集成度不高、环保数据实时通信能力弱、由环保数据不共享产生信息孤岛、海量环保检测数据存储、分析等一系列智慧化、信息化问题、本文采用智能硬件技术解决环保监测、检测中的系统集成度、智能化和信息化的问题，设计一种基于ARM+FPGA处理器的智慧环保数据采集系统来支持智慧环保体系的建设。

标签：智慧环保；智能硬件；数据采集系统；系统设计

1 系统的整体设计方案

1.1 设计的技术参数要求

测量范围：温度，0-50℃，湿度20-90%RH，PM2.5值10-250ug/m，紫外线强度1-500MW/m。

分辨力：PM2.5值1ug/m，温度0.1℃，湿度1%RH，紫外线强度1MW/m。

测量准确度：PM2.5值8%，温度±0.5℃，湿度5%，紫外线强度10%。

1.2 系统结构以及原理

系统整体，由数据采集从机，系统主机和网络平台与用户等三大部分组成。

各个数据从机采集当前PM2.5、紫外线强度以及湿度温度等相关环境参数，通过GPRS方式将环境参数按照一定的数据格式发送到系统主机。追接收到从机发送过来的数据，进行保存。最后主机把接收到的数据统一上传到当前国内免费的物联网平台上面，从而让人们随时都能够通过公众平台进行浏览查阅。

2 系统的整体硬件设计

2.1 主机的硬件设计

系统主机的硬件电路：由电源模块、控制模块、SIM900A模块和Flash存储模块组成。

电源模块产生3.3V电压和5V电压，3.3V主要为STM32控制模块和FLASH

模块供电；5V负责为SIM900A模块供电。

STM32负责系统的控制。这个芯片具有64k的Flash、20k是RAM和高达1.25DMips/MHz的处理性能，外界16MHz的晶振，内部4倍频达64MHz的处理频率能满足环境参数收集和网络控制的处理速度需求。该芯片的串口1负责与SIM900A通信，串口2用于开发的调试接口。同时将PA口通过模拟时序的方式完成与Flash存储器接口访问，实现数据存储功能。

SIM900A模块负责GPRS通信，主要是收集各从机的环境数据，在STM32控制模块汇总后统一发送到相关的平台。

2.2 从机硬件设计

数据采集从机由电源模块，STM32控制模块，SIM900A模块，DHT11温湿度模块，UV10SF紫外线强度模块和PM2.5检测模块组成。

电源模块负责为整个从机系统提供3.3V和正负5V的电压。STM32控制模块负责从机系统的控制。该芯片的串口1负责与SIM900A通信；将PA0模拟单总线时序实现，DHT11的温湿度采集。UV10SF负责强度采集，他能很好的探测200-400纳米光谱范围的紫外线辐射，并且产生光电流，最终输出0-0.1V的电压信号。从而满足主控制器AD采样的量程需求。

3 系统的整体软件设计

3.1 主机的软件设计

首先，主控芯片进行自身的初始化，然后初始化SIM900A模块之后，再把SIM900A模块介入到GPRS网络，主控芯片发送AT指令“AT+CSTT”启动GPRS 任务并且设置接入点，再发送“AT+CIICR”激活移动场景，发起GPRS连接。

网络接入成功之后，发起AT指令获取当前节点在GPRS网络中的节点IP 地质。在获取之后，编辑以一定格式的数据包不能够等待从机发起连接的请求。当从机成功接收到短信并相主机发起连接，主机终端就会进入接收数据的线程。接下来，主机终端每次成功接收一帧数据之后，就会马上进行解析，主控芯片就会把数据包的数据按照一定的格式通过SIM900A上传到物联网的发布平台上。

3.2 从机的软件设计

首先，主控芯片进行自身的初始化，然后就是初始化SIM900A模块，初始化成功之后，从机就一直处在等待主机发送采样命令的短息，如果从机接收到一条短信，那么就会对短信的内容进行解析，如果这条短信是一条主机发送过来的采集命令的短信，那么从机解析正确之后就会得到主机当前的IP地址。

从机在根据IP地址向主机发起GPRS连接请求。在发起的连接成功之后，

从机就会启动采样线程，把温湿度与空气颗粒浓度按照一定的字符串格式连接在一起，并且作为一个数据包发送到主机的终端。每次成功发送一个数据包之后，主句就会返回一个应答包。从机将超时等待一段时间并且接收这个应答包。

4 结束语

这个徐彤建设了一种环保监测的智能系统的软件和硬件的设计方法。并且详细的论述了其关键模块的实现原理。并且该系统设定的技术参数指标同时数据传输的可靠稳定，通讯方式非常的灵活，可以加以推广。当然，现阶段的系统的入机截面还不够完善，在可操作方面还需要跟多的更新和研究。

参考文献：

[1]许晨，张勇.基于CC2530与ZigBee技术智能家居硬件系统的设计[J].信阳农林学院学报，2018，28（01）：115-118.