环境状态监测终端硬件设计

李苏炫　柴梦情　张金亮

摘 要：针对当下物联网技术快速发展，对物流运输可靠、安全、智能监测的需求愈加强烈的现象，设计了一种基于无线传感网络的微环境监测终端系统。系统主要由主控数据处理模块、电源供电模块、外围接口模块、GPRS模块、GPS模块与液晶显示模块等组成，文中对主要模块的硬件进行了详细设计和分析。测试结果表明，该系统各硬件模块设计合理，能够较好地满足功能需求。

关键词：环境监测;液晶显示;GPRS;传感器;GPS;物联网

中图分类号：TP11文献标识码：A文章编号：2095-1302（2020）04-00-04

0 引 言

社会和经济的快速发展及国内汽车产业的发展壮大，为货物流通和交通运输带来了巨大的变化，也逐步改变了长期以来“重生产、轻流通”的思想。运输过程中如何对货物和产品状态进行有效、全面的检测逐步受到广泛关注，对其相关技术展开深入研究也是实现安全、可靠、智能、绿色物流的关键所在[1]。

传统有线传输监测技术往往存在成本较高、线束多、故障排查困难等缺点，而新兴的物联网技术可以很好地解决上述问题[2-3]，该技术在众多环境监测领域也得到了广泛应用，如室内家庭环境监测[4]、煤矿作业环境监测[5]、车载移动环境监测[6-7]等。

本文基于智能传感、车载定位、物联网等技术，设计了一种基于无线传感网络的环境监测终端系统，由各类传感器实时、准确地采集环境数据，并对相应数据进行本地存储，按照设定的通信协议上传至服务中心。

1 系统总体设计

根据实际应用需求，系统实际应用场景及模块构成如图1所示。

系统旨在实现对车载微环境信息及数据的采集，用户可在智能网关模块实时查看环境的温湿度、光照度、空气质量、车载设备经纬度等信息，并根据预设的阈值实时判断环境质量，对于异常及时发送提示信息，方便用户做出决策。此外网关模块可定时将采集的数据上传至远程服务器，便于后期进行数据分析与追踪。

系统采用模块化设计，硬件总体结构如图2所示。系统主要包括主控数据处理模块、电源供电模块、外围接口模块、GPRS模块、GPS模块、传感器网关模块、存储模块、蓝牙模块与液晶显示模块。

2 详细设计

2.1 电源模块设计

系统主电源与输入接口电路如图3所示。电源输入通过一个50 V/2 A的自恢复保险丝F1与一个48 V瞬态电压抑制二极管D6进行电源反接保护和过压保护。电源模块U7的输入和输出都接入了电解电容和无极性电容进行电源去耦滤波，该电源模块在输入9～36 V电压时均可输出稳定的+5 V电压。

系统运行的3.3 V电源电路如图4所示，输入和输出同样接入特定电容进行滤波。

2.2 LCD模块电源驱动与接口电路

（1）LCD驱动电源与背光电路

LCD驱动电源的作用是产生驱动LCD工作的电压。LCD需要电源驱动的三个管脚分别为AVDD，VGH，VGL。其中，AVDD需要的典型供电电压为+10.4 V;VGH需要的典型供电电压为+16 V;VGL需要的典型供电电压为-7 V。根据电源的需求特性，采用MP1541DJ即U2升压，然后利用倍压整流和反向串联电路产生各一路正负电源，通过16 V和6.8 V的稳压二极管得到所需电压。

（2）背光二极管的电压是否可调

LCD背光二极管的电源驱动主要通过改变电压达到改变电流的目的，这里选用EUP2584，即U3。该芯片在输入+5 V

电压的情况下，端口+VLED+与+VLED-之间连接背光二极管，电压在0～27 V范围内可调。

背光驱动电路的XEINT10端口可用来控制背光芯片是否使能，也可通过输入0电平关闭背光电源芯片。背光驱动电路通过XPWMTOUT1端口实现核心板对背光亮度的连续调节。

LCD驱动电源与背光电路如图5所示。

2.3 GPRS模块电路

GPRS模块电路主要由GPRS电源电路和GPRS模块接口电路组成。

（1）GPRS电源电路

GPRS电源电路使用降压型DC/DC开关电源芯片MP2359，通过设置该芯片的输出反馈分压电阻的分压值使输出电压变为+3.8 V。芯片的使能端通过GPRS_PWR端口控制。GPRS电源电路如图6所示。

（2）GPRS模块接口与外围电路

GPRS模块选用SIM900A，其外围接口电路主要由模块电源滤波电路、启动电路、SIM卡接口电路、复位电路、LED信号指示电路和串口通信电路等组成。其中，电源滤波电路由于GPRS启动电流较大，尤其在初始化时，系统中加入的220 μF+100 μF的电容无法提供启动电流，因此需要加入一个330 μF的电容，总容量超过500 μF为宜。

模块启动电路中，通过拉低PWRKEY并保持至少1 s后释放便可以开启模块。同理，通过拉低PWRKEY并保持至少1 s后释放便可以关闭模块。PWRKEY端口在模块内部已上拉至3 V，所以集电极开路连接到该端口即可。系统启动后，待核心板正常工作，并给GPRS_ON端口输入一个高电平，系统才能有效工作。

GPRS模块接口與外围电路如图7所示。

2.4 GPS模块电路

定位模块采用U-BLOX公司设计生产的NEO-6M模块，其外围接口电路如图8所示。该模块采用3.3 V电压供电，电源输入端经过3个滤波电容后可提供平稳的电压以保证模块正常、持久工作。此外，该模块自带高增益有源天线，采用串口通信输出数据，其TTL电平兼容3.3 V/5 V系统。

3 系统测试

根据硬件设计绘制系统PCB板，焊接完毕后对各模块逐步调试，以确保硬件电路的正确性。

系统硬件测试项目主要包括电源与各模块接口及驱动电路的测试，焊接和测试顺序按照如下测试步骤进行：

（1）测试主电源电路;

（2）测试3.3 V电源;

（3）测试核心板相关电路;

（4）测试核心板外围其他接口电路;

（5）测试LCD电源和接口电路;

（6）测试GPRS电源和接口电路;

（7）测试GPS接口电路。

测试的主要工具包括可调稳压电源、数字万用表、示波器、串口调试工具等。依照上述顺序对主要模块进场测试，结果统计见表1所列。

4 結 语

本文基于智能传感、车载定位、物联网等技术，设计了一种基于无线传感网络的微环境监测终端系统，并对系统的主要硬件模块进行了详细设计和分析，通过焊接和调试，发现系统各模块均正常工作，满足了预期的功能要求和设计指标。

参考文献

[1]白二龙.基于物联网的食品冷链信息监测系统研究[D].杭州：浙江大学，2017.

[2]童世华.基于ZigBee技术的数字化车间环境监测无线控制终端系统的设计[J].机床与液压，2017，45（22）：176-178.

[3]严晓华，郑国莘.基于物联网技术报警及环境监测智能终端的设计[J].物联网技术，2017，7（11）：21-23.

[4]郑龙，金光，钮俊，等.基于无线传感网络与智能终端的环境监测系统[J].数据通信，2015（2）：6-10.

[5]张新.基于LoRa技术的煤矿作业环境实时监测系统设计[J].自动化仪表，2019，40（3）：69-73.

[6]王沁，田军委，张鑫，等.车载式环境监测系统的设计[J].机械与电子，2018，36（5）：42-44.

[7]魏阿勇，凌志浩，叶西宁.基于STM32的移动多终端环境监测系统[J].自动化仪表，2015，36（3）：40-44.

[8]姚有峰，赵江东，郝诗平.基于单片机技术的环境状态监测系统的设计[J].测控技术，2012（1）：105-108.

[9]任玲芝，汤俊，李岩岩.基于ZigBee的实验室环境状态实时监测系统设计[J].滨州学院学报，2018（4）：73-77.

[10]刘坚.无线环境监测网络网关节点和数据终端的设计[D].上海：上海交通大学，2009.