融合多传感器数据的社区环境智慧监测系统设计

胡嘉伟 冯正慧 陈国俊 马保祯

摘要：物联网技术已应用到了社会生产各领域。文章设计开发了一个融合多个传感器的社区环境智慧监测系统，并将数据融合分析，进行智能监测。该系统开发核心为STC89C52单片机，由温湿度感应器、红外感应器、烟雾感应器、紫外线感应器、PM2.5感应器等组成；借助无线收发模块进行数据传输，将监测到的实时数据经过分析后，通过以SIM800L芯片为核心的GSM通信模块发送到社区管理员通信接收端，便于监测社区环境数据。该系统在社区环境监测管理中将具有一定实用价值。

关键词：数据融合；环境智慧检测；GSM；STC89C52；单片机

中图分类号：TN92  文献标志码：A

0 引言

物联网已经广泛应用于智能交通、智能家居、公共安全、环境保护等社会领域，并且发挥了巨大的作用，而环境监测领域也是物联网的研究领域。我国的环境监测行业处于发展阶段。物联网技术的研究方向在社区环境监测方面的投入较少。本文目的是能够让社区更智能化、便捷化、人性化，让居民生活更加便利，生活环境更加舒适。本文借助物联网技术，结合不同类型的多种傳感器，设计了一种社区环境监测系统，来实现现代社区中环境监测的智能化、信息的资源化和服务的规范化，为以后更多的监测信息数据的融合提供基础平台。本系统能够更全面、直观地了解社区环境信息，具有一定现实意义和研究价值。

1 总体方案设计

基于STC89C52单片机设计的社区环境智能监测系统集多传感器于一体。整个系统主要分为控制模块、数据信息采集模块、信息传递模块和报警模块。系统可实现社区内烟雾浓度、粉尘浓度、紫外线强度、温湿度以及人体红外等环境参数的监测，并将传感器检测到的数据通过信息传输模块发送到用户的手机端。社区环境智慧监测系统总体设计如图 1所示。

2 系统硬件设计

2.1 控制模块

本文采用STC89C52单片机，它是一款采用CMOS八位微处理器的单片机，具有低损耗、高性能的特点。字节的系统可编写闪存，执行指令的速度很快，256×8位内部RAM，双向I/O端口中断32个，串行中断2个，可编程UART串行通道，2条断口线读写。使用USB转串口即可下载。5.5 V～3.3 V的工作电压，对工作环境的要求相对较低，在电压低于5 V的情况下仍能正常工作，甚至在3～4 V也能发挥作用。

另外，STC89C52芯片组成的最小系统相对可靠，只需在单片机上连接时钟电路和复位电路。它不仅可以完全代替51系列的单片机，还拥有51单片机本身没有的许多功能。

2.2 数据信息采集模块

数据信息采集模块主要由DHT11温湿度传感器、PM2.5粉尘传感器、MQ-2烟雾传感器、红外传感器和紫外传感器组成。

2.2.1 DHT11温湿度传感器

DHT11温湿度传感器是一种可同时测量温度和湿度的复合传感器，采用独特的数字模块技术和温湿度传感技术，具有校准的数字信号输出，能够以程序的方式保存在存储器中，以便于在传感器处理检测信号时进行调用，使产品具有高稳定性和可靠性。传感器的串行接口是单线型，能够使系统集成变得简单迅速。其有效测量范围如表 1所示。

2.2.2 PM2.5粉尘传感器

本文使用的粉尘传感器型号为GP2Y1010AU0F，灵敏度达到0.5 V/0.1 mg/m3，工作温度处于-10～65℃，存储温度处于-20～80℃，具有极低的消耗电流，性能十分稳定，能够检测到十分微小的颗粒。

当空气洁净时，Vo的范围是0～1.5 V，典型值是0.9 V；当空气灰尘浓度高时，Vo的数值大于3.6 V。但是该传感器输出的最大电压为3.6 V，无法精准测出浓度值。0.9 V表示空气洁净，3.6 V表示空气灰尘多。取正常值0.9 V，灰尘浓度0.053 mg/m3。当达到最大电压值3.6 V时，灰尘浓度为0.512 mg/m3。传感器的范围是0～512 μg/m3。

2.2.3 MQ-2烟雾传感器

本文采用的烟雾传感器型号是MQ-2。MQ-2烟雾传感器使用二氧化锡半导体气敏材料，是表面离子N型半导体。它的烟感比较高，检测可燃气体和烟雾的范围为100～10 000 ppm，加热电压为5～0.2 V，抗干扰能力较强，对于一些具有刺激性气味，但并不属于可燃气体的烟雾，能够准确地将它们排除。这种传感器用于检测其他多种可燃性气体也比较理想，如天然气、酒精等。MQ-2烟雾传感器是一款能够检测多种气体的、低成本的多气体传感器。

使用打火机释放丁烷气体，使传感器在环境中与烟雾进行接触，传感器的电导率就会因为烟雾的作用发生变化。空气中烟雾的浓度升高，就会使传感器表面的电导率升高，从而导致输出电阻的阻值降低，输出更大的模拟信号。输出的数据超过预设的烟雾浓度时，就会进入声光报警模块，通过短信发送报警信息到用户手机。

2.2.4 红外传感器

本文所使用的红外传感器可以依靠红外技术实现自动控制，用于人体的红外检测。它的默认工作电压一般为4.5～20 V，在电压超低的情况下也能够正常工作。此外，该红外传感器具有可重复触发方式，即感应输出高电平后，在延时的时间段内，如果有人在传感器感应范围内活动，它的输出端将持续输出高电平，反之当人离开感应范围时，它会自动延迟并输出低电平。

红外线传感器是利用远红外线范围的感度作为人体检测用，红外线的波长比可见光长而比电波短。人体的体温约为36～37 ℃，所放射出峰值为9～10μm的远红外线，另外加热至400～700 ℃的物体，可放射出峰值为3～5μm的中间红外线。

2.2.5 紫外传感器

本文使用的UV传感器型号为GUVA-S12SD。这是一款可以检测紫外线辐射强度的传感器。工作电压：3.3～5 V（DC），光谱检测范围：240～370 nm，响应度：0.14 a/w。感应器自带4个定位孔，便于装置固定。

这款UV传感器可与多种单片机控制板兼容。使用间距为2.54 mm的排针接口，使用公对母杜邦线，可以直接连接在要使用的单片机上［1］。

2.3 信息传输模块

本文采用的GSM通信模块型号为SIM800A，主要通过串口连接STC89C52单片机，包括数据信号线、状态信号线和控制信号线，从而实现由单片机控制SIM800A模块。

通过使用软件来达到对SIM800A通信模块的控制，并且能够规避硬件不必要的信号检测。SIM800A作为一个模块，SIM800A模块的电源引脚是连接在一起的，各方面的功能都较完善，所以无需做任何的信号处理和射频处理。另外SIM800A模块需要和SIM卡底座进行连接，才能实现完整的GSM通信模块。

串口的设计中，单片机的高电平和低电平的逻辑判断电平可实现SIM800A引脚连接。因此，TC35模块的串口线与单片机的串口线直接连接。SIM800A模块的NETLIGHT管脚用来表示GSM模块工作状态，连接指示灯用来表示GSM模块工作状态。在用户的手机上可以通过GSM信息传输模块收到环境中各个传感器测量的数值［2］。

在SIM800A的GSM模块卡槽中插入移动手机卡，将模块插到万用板上。开机初始化后液晶屏显示初始化画面，GSM模块上指示灯3 s一闪代表有信号，即可正常发送短信。

2.4 报警模塊

报警模块主要由灯光报警电路和声音报警电路两部分组成。

2.4.1 灯光报警电路

灯光报警电路中，设计采用的LED发光二极管是一种固体半导体器件，具有使用寿命长，辐射低，可循环等优点，可以将电能直接转化为可见光。本报警电路中针对不同的报警可使用不同颜色的LED灯进行显示。

2.4.2 声音报警电路

声音报警电路采用5V有源蜂鸣器，是一体化结构的电子讯响器，采用直流供电的供电方式。当有传感器检测的数据超出预设值，蜂鸣器即会报警。

蜂鸣器主要分为压电式和电磁式两种。本文采用压电式蜂鸣器。它主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。接通1.5～15 V的直流电源后，多谐振荡器启动振动，输出1.5～2.5 kHz音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发出声响［3］。

3 系统软件设计

系统软件程序编写使用Keil4 软件C51语言。C51语言编写的程序在功能、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。系统编程采用模块化设计思想，包含主程序模块和一系列子程序模块。主程序完成系统的初始化和调用子程序操作，各子程序包含传感器采集数据、液晶显示、声光报警、GSM发送短信和串口初始化等模块。GSM通信模块通过AT命令来进行控制，采用短消息模式进行数据传输。

4 系统调试

调试过程中要检测硬件电路的设计原理是否正确、能否达到预期效果以及实现方法是否简便等；在焊接好有线电路之后，认真检查电路的焊接情况。本文采用的是分块调试的方法，MQ-2探测电路，报警电路以及单片机控制电路进行调试。在对每个模块的进行调试过程中采用由局部到整体，由简单到复杂的调试方法，最后再将各个模块合成一个整体［4］。

5 结语

本文系统地介绍了融合多传感器数据的社区环境智慧监测系统软硬件设计与实现方法，完成了该系统的开发。通过对系统的仿真测试，验证了系统在实际情况下的可行性。

由于笔者所涉知识领域范畴的局限性，系统仍存在不足之处。如检测内容可以再丰富；人机界面可以再优化；在未来，监控助手还可以根据实时检测数据为用户提供出行指导。相信随着智慧社区的普及，融合多传感器数据的社区环境智慧监测系统将更加完善。

参考文献

［1］陈国俊，唐学麒，吴余万.基于ARM和Linux平台的移动视频监控小车研制研究［J］.电脑知识与技术，2016（34）：81-83.

［2］陈国俊，羊洁明，葛洪伟.基于可逆网络的单一图像超分辨率［J］.信息与控制，2021（5）：602-608，615.

［3］罗盆琳，方艳红，王学渊，等.基于多传感器数据融合的障碍物判定系统［J］.制造业自动化，2022（11）：114-118.

［4］徐敏.基于STC89C52单片机的蜂鸣器的设计与实现［J］.无线互联科技，2022（16）：95-98.

（编辑 李春燕）

Design of intelligent monitoring system for community environment fused with multi-sensor data

Hu  Jiawei， Feng  Zhenghui， Chen  Guojun， Ma  Baozhen

（College of Computer Internet of Tings Engineering， Wuxi Taihu University， Wuxi 214064， China）

Abstract：  Internet of Things technology has been applied to all fields of social production. This design is to develop a community environment intelligent monitoring system that integrates multiple sensors， and integrates data analysis for intelligent monitoring. The core of the system development is STC89C52 single-chip microcomputer， which is composed of temperature and humidity sensor， infrared sensor， smoke sensor， ultraviolet sensor， PM2.5 sensor， etc.， with the help of wireless transceiver module for data transmission， the monitored real-time data is analyzed and sent to the community administrator communication receiver through the GSM communication module with the SIM800L chip as the core， which is convenient for monitoring community environmental data. The system will have certain practical value in community environmental monitoring and management.

Key words： data fusion; environmental intelligence detection; GSM; STC89C52; microcontroller