基于STC12C5A60S2单片机的环境监测传感器节点设计

西华师范大学 刘 刚 冯元元 易冲冲



基于STC12C5A60S2单片机的环境监测传感器节点设计

西华师范大学 刘 刚 冯元元 易冲冲

【摘要】为了克服传统的环境监测系统的效率低、时效性差、功能简单等问题，本文提出了一个基于无线传感器网络技术的环境监测方案，并设计了一款便携式、多功能的环境监测传感器节点。该节点硬件电路以STC12C5A60S2单片机为控制核心，采用DHT11、RL5516型LDR、FC -28、GP2Y1010AUOF芯片进行空气温湿度、光照强度、土壤湿度、PM2.5环境参数传感采集。采集数据通过SIM900A模块，以GPRS传输方式，借助公共移动通信网络，实现数据实时上传到远程数据服务器。这种传感器节点硬件电路具有结构简单、功耗小、成本低、运行可靠的优点。

【关键词】环境监测；无线传感节点；STC12C5A60S2；GPRS

1　引言

随着我国城镇化进程不断加快和人们物质生活水平的持续提高，环境安全问题日益突出。科学有效的环境质量监测对于促进世界的可持续发展和人类生存环境改善就成为极为重要的研究课题。传统的环境监测通常包括背景调查、确定方案、优化布点、现场采样、样品运送、实验分析、数据收集、分析综合等过程，这种方法虽然精确性高，但是时效性差、覆盖面有限。当前，我国对环境监测建设方案要求是全面设点、全国联网、自动预警等，因而必须充分利用新技术来设计环境监测系统。无线传感器网络技术是21世纪最具影响和创新性的技术之一，主要涉及现代计算机技术、电子科学技术、网络技术以及通信技术等。无线传感器网络的应用领域十分广泛，主要可应用于环境监测、医学保健、军事情报收集、工业生产自动化、建筑安全监测等方面[1]。目前基于无线传感器网络技术的环境监测系统主要采用ZigBee、GPRS、FDMA、CDMA以及常规射频进行传输[2-3]。传感器节点的控制核主要采用MSP430、51系列、ATmega单片机以及ARM系统[4-5]。本文面向农业、林场、养殖场等应用领域的环境监测需求，利用STC12C5A60S2单片机开发了基于STC12C5A60S2单片机的环境监测传感器终端节点，可实现对温湿度、光照强度、土壤水分、PM2.5空气质量指数等环境数据的及时采集、传输及分析处理等功能。

2　节点结构

基于无线传感器网络技术的环境监测系统的传感器节点结构如图1所示，主要包括传感器模块、MCU模块、GPRS模块、LCD显示单元以及电源模块。MCU模块是传感器节点的控制核心，选用STC12C5A60S2单片机[6]。这是因为它具有高速、低功耗、性价比高、便于调试和下载等优点。它是新一代增强型8051单片机，在同样晶振的情况下，速度是普通8051单片机的8～12倍；工作电压3.5-5.5V；自带ADC和PWM功能。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换(250K/S)。针对便携式环境监控系统的控制要求，选择STC12C5A60S2单片机既可保证快精准的运算，又可保证整个系统在户外运行时的安全可靠，丰富的引脚资源也便于对外设的控制及数据的读取。

图1　传感器节点结构Fig.1 The block of the sensor node

3　硬件电路

3.1传感器模块

环境监测传感节点具有五个传感子模块，能同时实现环境温湿度、光照强度、土壤温度、烟雾浓度、PM2.5空气质量指数的实时数据采集，如图2所示。温湿度采集采用含有已校准数字信号输出复合传感器DHT11。DHT11主要由一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件组成，具有响应快、抗干扰能力强、稳定性好的特点。温湿度测量精度分别为±20C和±5%RH；量程分别为0-500C和20-90%RH。DHT11只需一根传输线与STC12C5A60S2单片机相连接，此传输线既可传输数据信号又能传递时钟信号，为保证工作稳定性，配置了一个5KΩ的上拉电阻。光照强度探测是采用LDR感光器件5516，通过取样电路和ADC电路，最终输出光照强度数字信号至STC12C5A60S2单片机。LDR相当于一个可调电阻；在于R30-R33是一组阻值固定的取样电阻，实现光照强度电流信号变成电压信号；ADC电路用PCF8591芯片搭建。土壤湿度采集是利用FC -28土壤湿度传感器进行的。采用LM393芯片作为比较器，工作电压为3.3-5.0V，通过A0端口输出模拟信号至STC12C5A60S2单片机，再利用单片机的ADC获得土壤湿度数字信号。PM2.5参数监测采用GP2Y1010AUOF粉尘传感器实现[7]。可以测量0.8微米以上的微粒浓度，灵敏度达0.1mg/m3，具有非常低的电流消耗，典型值为11mA。

3.2GPRS通信模块

基于SIM900A模块，设计了通信单元硬件电路，如图3所示。SIM900A的TX和RX端口分别与单片机的RXD端口和TXD端口相连接，利用STC12C5A60S2单片机的串口对SIM900A的数据进行写入和读取的操作，实现数据发送。SIM900A是一个二工频的GSM/GPRS模块，支持GPRS multi-slot class 10/class 8和GPRS编码格式 CS-1，CS-2，CS-3 and CS-4[8]。SIM900A采用省电技术设计，在SLEEP模式下，最低耗电流只有1mA。该模块内嵌TCP/IP协议，扩展的TCP/IP命令让用户能够很容易使用TCP/IP协议，这非常适合用户数据传输。SIM900A的尺寸大小为24x24x3mm，尤其适用紧凑型产品设计。

图2　传感电路Fig.2 The schematic of the sensing unit

图3　GPRS电路Fig.3 The schematic of the GPRS unit

3.3供电单元

传感器节点采用4节5号电池串联进行供电。考虑到输出电压的稳定性和节电需求，我们基于UC3842设计了一个直流稳压开关电源，如图4所示。电流型脉宽调制芯片UC3842具有单端输出特性，可直接驱动双极型的功率管或场效应管。该芯片所需外围电路简单，电压电压调整率可达0.01%，工作频率最高达500KHz，启动电流小于1mA，正常工作电流为12mA，并集成欠压锁定，带滞后电路。

图4　供电电路Fig.4 The schematic of the power supp ly unit

图5　显示单元Fig.5 The schematic of the display unit

3.4显示单元

传感器节点系统采用带中文字库的128X64液晶显示模块，进行显示的实地本地显示，相应硬件电路如图5所示。128X64具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，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。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。而且128X64完全适合低电压低功耗设计要求。

4　结语

本文基于STC12C5A60S2单片机和GPRS传输设计了一款低功耗、高性能、多功能的便携式环境监测系统。此系统可及时准确地采集所需的环境数据，并可本地显示，也可借助现有的公共移动网络把数据传输至远程服务器，便于数据进一步处理、分析，服务于环境监测应用。该系统紧凑轻巧、携带方便，非常适合野外、多点位监测应用，而且能在管理软件支持下，结合GPS信息，完成组网，实现区域覆盖性环境监测。

参考文献

[1]ResulD,EbubekirE.TemperatureandHmidityControlofthe TunnelsintheDamUsingW irelessSensorNetworks[C].19th InternationalConferenceonIntelligentEngineeringSystems,2015,379-383.

[2]ChanghaiP,KunQ,ChenyangW.DesignandApplicationofa VOC-monitoringSystemBasedonaZigBeeW irelessSensorNetwork[J].IEEESensorsJournal,2015,15(4):2255-2268.

[3]戴建,史志才,吴飞,等.基于GSM与ZigBee的环境监测与采集系统[J].自动化与仪表,2015,9:38-42.

[4]钱春阳,陆文龙,王建春,等.基于物联网的设施温室监控系统中无线传感器节点设计[J].计算机测量与控制,2015,23(2):673-676.

[5]王宏伟.32位和8位单片机的无线传感器网络系统[J].单片机与嵌入式系统应用,2014,7:32-34.

[6]袁绪,宋康,查长海,等.基于STC12C5A60S2的空气质量检测系统设计[J].电子设计工程，2015,23(6):133-135.

[7]徐连成.基于单片机空气质量检测系统[J].电子技术,2015,44(7):23-25.

[8]李兴山,王晓超.基于SI4432和SIM 900A的温室环境监测系统设计[J].江苏农业科学,2015,43(7):426-429.