基于nRF2401A的无线环境监控系统设计

倪杰等

【摘 要】基于STC15F2K61S2单片机，实现对环境监控；该系统主要由nRF2401无线模块、SHT10温湿度传感器模块、烟雾传感器模块等组成；SHT10温湿度传感器模块和烟雾传感器时时监控环境的变化，再经过将nRF2401无线模块将检测的数据传回给单片机处理并在监控主机显示出相应的信息，若超过设定的温湿度值或气体浓度，就会发出声光报警，从而实现对环境的监控。

【关键词】STC15F2K60S2 nRF2401 SHT10 烟雾传感器

【中图分类号】 G 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2014）07C-0190-03

随着人们生活水平的不断提高，人们对环境的关注越来越高，尤其是一些温室大棚、养殖场、冷藏室等地方，能够时时了解这些地方的环境变化尤其重要。为了解决这个问题，本系统利用无线技术、传感器技术、单片机技术实现了环境参数（例如温度、湿度、烟雾浓度等）的远程实时监控，用户可以随时在监控主机上查询这些地方的环境情况，不用到现场去监控，并能在监控主机上对这些地方的环境需要的参数进行设置，从而达到智能化目的。

一、系统整体设计

本系统由主机、从机和计算机终端构成，系统整体框图如图1所示。从机主要包括单片机模块、无线数据接收/发送模块、温湿度采集、烟雾浓度采集模块等，主要完成环境参数的采集以及控制参数（传感数据）的接收（发送）；主机包括单片机模块、无线数据接收/发送模块、显示模块，主要完成环境参数的无线接收、控制参数的发送、显示以及检测异常报警等功能；计算机终端主要通过可视化软件界面来显示各种环境参数的变化情况、参数阀值的设置以及向主机（从机）发送控制参数等功能。

系统处于工作状态时，从机的相关采集模块采集现场温度、湿度、烟雾浓度等参数，通过单片机的I/O接口将数据传输给单片机，单片机通过显示模块将参数以一定格式显示以便用户观察，另外通过无线模块将参数通过无线网络发送到主机上。主机的无线模块接收由从机发送过来的环境参数，并通过串口传输给计算机终端，在计算机终端上通过用高级程序设计语言编写的监测软件及时显示出各种环境参数的变化曲线。另外还可以在监测软件设置各种参数的阀值，系统会自动判断参数是否超过相应的阀值以便做出相应的处理动作（如：发出报警声音）；可以通过监测软件向从机发出控制参数（如：启动/停止，参数调整等）。

二、系统硬件设计

本系统采用新一代单时钟/机器周期（1T）8051单片机作为主控制器，无线接收/发送模块采用nRF2401A，数据采集模块分别采用SHT10温湿度模块和MQ-2烟雾模块组，显示模块采用带中文字库的液晶LCD12864。下面介绍一些主要的模块。

（一）微处理器模块

微处理器选择STC15F2K60S2单片机，该单片机是新一代单时钟/机器周期（1T）8051单片机，具有高速、低功耗及超强抗干扰等特点，指令代码完全兼容传统的8051单片机，但速度快8-12倍，内部集成专用复位电路，3路PWM，8路高速10位A/D转换器，超低功耗，宽电压，该单片机几乎包含了设计典型测控系统所必须的全部部件，可以称为片上系统（SOC）。

（二）无线接收/发送模块

（三）温湿度模块

温湿度的采集直接关系我们检测环境信息的准确性，考虑到我们监控环境有可能比较恶劣，若采用传统的首先将温湿度信号转换电信号，再经A/D转换的温度测量方法，不但硬件电路设计较为复杂，维护较为困难，且系统的可靠性不高。在本系统中采用SHT10温湿度模块，其主要特点为：

全量程标定，两线数字输出；湿度测量范围：0～100%RH；

温度测量范围：-40℃～+123.8℃； 湿度测量精度：±4.5%RH；温度测量精度：±0.5%℃；

响应时间：<8s；低功耗，可以完全放入水中。

（四）烟雾传感器模块

（五）电源模块

（六）显示模块

该系统在主机和从机部分都有环境参数的显示，考虑到方便和单片机连接，易于编程等方面，而且为了可以提供更加丰富的显示信息，选择了带中文字库的LCD12864液晶显示模块。LCD12864是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64，内置8192个16×16点汉字，和128个16×8点ASCII字符集。利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示8×4行16×16点阵的汉字，也可完成图形显示，低电压低功耗是其又一显著特点。

三、系统软件设计

（一）主机和从机测控软件设计

主机、从机系统启动后，相关模块进行初始化，然后主机单片机发出数据采集指令给从机，从机单片机接收到指令后，启动相应的采集模块进行环境参数采集。数据采集到后经过转换送给LCD12864显示，并同时通过nRF2401A无线模块发送给主机部分。然后，主机也显示出来并通过串口转发给计算机终端。主机和从机单片机程序流程图如图6所示。

（二）计算机终端软件设计

为了便于主控室观察，计算机终端部分利用C#编制可视化的监测管理软件，实现所测环境参数的图形化，如图7所示。在监测界面上，通过不同颜色的曲线实时显示温湿度的变化，还可以将数据保存下来，以备通过菜单中的历史数据选项调出。另外，还可设置烟雾报警的限值。

本系统是利用无线技术设计的环境监控系统，可以用于家庭、工厂等环境参数的检测，并通过无线模块将参数数据传输到主控室的主机，以便于及时了解实际环的状况。另外，系统搭建简单方便、性能稳定、可靠性高，具有很强的实用性。同时可以扩展传感器对其他环境参数进行监测。

【参考文献】

[1]李晓林. 单片机原理与接口技术[M].北京： 电子工业出版社，2011

[2]连承飞，张荣标，谷国栋. 基于nRF2401A的无线温室测控系统通信实现[J]. 农机化研究，2008 （8）

[3]周熊. 基于AT89C52单片机的烟雾报警器设计[J]. 电子设计工程，2013（1）

[4]田开坤. 基于LCD12864显示器的数字示波器设计[J]. 电子制作，2011（5）

【作者简介】幸 敏（1979- ），广西水利电力职业技术学院讲师，工程硕士，研究方向：电子技术。