毕业设计（论文）-基于物联网技术噪声及扬尘远程监测系统的传感器节点硬件设计.doc

淮 阴 工 学 院毕业设计说明书（论文）作 者:学 号：系 (院):电子与电气工程学院专 业:测控技术与仪器题 目:基于物联网技术噪声及扬尘远程监测系 统的传感器节点硬件设计指导者： 评阅者： 2015年06月毕业设计说明书（论文）中文摘要本文主要介绍了无线传感器节点及网关的设计和实现，以CC2530芯片作为核心，采用扬尘传感器SLPD-D01及噪声分贝传感器Loudness测量建筑工地上的扬尘浓度及噪声分贝数等参数，并且通过无线收发模块与网关和上位机之间的通信以达到实时监控。该传感器节点主要应用于建筑工地环境参数监测，对监测的数据进行相应处理并建立噪声与扬尘的数据库信息。同时设定扬尘浓度、噪声分贝的参数阈值，当采集到的参数变化超过其设定的阈值范围时，传感器节点便会自动启动对应控制装置，用于调节参数在正常范围的变化。本设计中节点采用太阳能电池供电（晴天）及稳压电源供电（阴天），以确保整个网络在长时间内无故障地工作，系统有极高的实用性及可靠性，成本低，功耗低，具有非常良好的应用前景。关键词 传感器节点，无线传感器网络，实时监控，噪声及扬尘全套设计加扣 3012250582毕业设计说明书（论文）外文摘要Title The Hardware Design of Node for Noise and Dust Remote M- onitoring System Based on the Internet of Things Technology AbstractThis paper describes the design and implementation of wireless sensor nodes and gateway to CC2530 chip as the core, the dust concentration and noise decibel parameters such as dust sensor SLPD-D01 and noise decibel Loudness measurement sensor on the construction site, and through the wireless transceiver module Communication between the gateway and the host computer and in order to achieve real-time monitoring. The sensor node is mainly used in construction sites to monitor environmental parameters, appropriate monitoring of data processing and information to establish a database of dust and noise. While setting the dust concentration, noise decibel parameter threshold, when the collected change parameter exceeds its set threshold range, the sensor nodes will automatically start the corresponding control means for adjusting the parameters in the normal range of variation. The design of the solar battery powered nodes (sunny) and a regulated power supply (cloudy) to ensure trouble-free work of the entire network in a long time, the system has very high availability and reliability, low cost, power consumption low, with a very good prospect.Keywords sensor node, wireless sensor network, real time monitoring, noise and dust第页 共页 淮阴工学院毕业设计说明书（论文） 目 录1 绪论11.1 课题研究的背景及意义11.2 无线数据传输技术现状及其发展趋势11.3 本课题的主要工作及要求22 总体方案设计32.1 监控原理32.2 系统网络结构图43 无线传感器节43.1 节点电源模块53.2 CC2530模块83.3 复位电路模块113.4 传感器模块113.5 LED传输显示及报警模块163.6 控制模块163.7 无线传感器节点总体电路图与实物图174 系统硬件电路调试184.1 PCB电路板设计及制作194.2 电路调试194.3 传感器参数确定214.4 软件调试245 误差分析285.1 SLPD-D01扬尘传感器误差分析285.2 Loudness噪声传感器误差分析29经验与体会31结论34致谢35参考文献36附录1 CC2530模块电路图37附录2 无线传感器节点原理图38附录3 无线传感器节点实物图38 第40 页 共38 页 淮阴工学院毕业设计说明书（论文）1 绪论在工地上，噪声及扬尘对人的健康危害巨大，因此需要严加监控。工地上存在很多种噪声，噪声的危害非常巨大，其中有三种致命性危害。第一种表现形式为听力逐渐衰减，然后听力逐渐失灵，直至失聪。学名为职业性耳聋。第二种叫作爆炸性耳聋。它是指一次强度很高强度的噪音，使得人们脑震荡。第三种是噪声对人除上述危害以外的对人免疫系统的伤害，会使得人的免疫系统减弱，更容易头晕，眼花，更容易产生疾病1。工地上的扬尘也会对人产生很多危害。第一，人们经常在扬尘密布的环境下工作，非常容易得工地职业病尘肺，自从张海超开胸验肺以来，扬尘的检测变得格外重要。第二，扬尘中有大量的对人体非常有害的化学物质，如二噁英，会对人体的生殖系统造成严重危害，增加了工地工人不孕不育的概率。第三，扬尘中还有许多重金属物质，如果接触过多，很有可能产生重金属感染2。由此可知，工地上的噪声和扬尘对人体有非常大的危害，因此，对噪声和扬尘的实时监控迫在眉睫。11 课题研究的背景及意义传统的工地噪声及扬尘监测系统一般采取有线通讯技术进行通讯3。此类系统尽管拥有操作方便、抗干扰能力强等优势，但却有稳定性能差、部署难、扩展难、费用高等缺点，从而极大地限制了其在工地检测的推广应用。基于物联网技术的工地噪声及扬尘监测系统具有稳定性能好、能耗小、便宜、扩展方便等优势，可以有效克服传统工地噪声及扬尘监测系统的各种缺陷，实现噪声及扬尘内的实时、精确、远程和自动监控，满足工地检测的不间断性的需求。12 无线数据传输技术现状及其发展趋势近几年，中国的经济水平日益升高，人们越来越重视无线通讯技术的发展运用。无线通讯技术，它既促进了通讯方式的全面更新，也拉近了人和人互相间的距离。但随着时间的推移，现代化的无线技术面对着越来越多的挑战，必须正确了解其现状，从而在此基础上创新，改进其应用方式，突破其技术瓶颈。1.2.1 无线通信技术的现状分析 （1） 二十年代初至五十年代初是无线通讯技术的首个阶段，这时，该技术完全为军事所用，肯定具有一些局限，所以传输受到各方面的限制，传输速度很慢4。（2） 五十年代中期至六十年末是通讯技术的第二个阶段，这时，在通讯技术中增加了半导体技术，使通讯技术运用在专用系统，从而解决了移动电话和公用电话传输平衡的问题。（3） 七十年代开始至八十年代开始是通讯技术的第三个阶段，这时，频率段被拓宽，首代通讯技术系统正式完成，采用移动理论，新系统被研制出。（4） 八十年代末至九十年代初是通讯技术的第四个阶段，这时，数字第二代移动通讯产生，促进了大部分电信系统按序工作。（5）九十年代后至今是通讯技术的第五个阶段，这时，第三代通讯技术正式产生，这也加快了其发展的速度，促进多媒体和移动通讯的融合。随着通讯协议，通讯标准的日益完善，无线通讯仍然可以不断发展创新。1.2.2 现代通信技术的发展前景未来无线通讯技术的主导为LTE，这种技术有利于促进电脑和通讯的结合，有利于检查网络环境，并可以减少人们之间的通讯干扰。由于不一样的技术接入的模式也不相同，所以，不一样的技术在接入速度，运用范围方面也肯定都有不同之处。为了提高不同通讯技术的结合度，绝对不能让无线通讯技术单独发展，必须与其他科学技术相结合，来满足人们对该技术的需要，从而跨越发展了该技术。最后，在任何情况下都不能满足于现状，要对无线通讯技术不断创新，从而方便实现无线通讯技术的发展与改善。13 本课题的主要工作及要求本文是基于物联网技术的无线数据采集传输终端，使数据能够通过无线传感网络发送到远程监控终端进行监控，反之远程终端也可以将数据发送到无线传感网络终端。本文可以分成五个主要的部分：第一部分根据本设计所需要实现的功能，分析系统的设计要求，提出系统设计方案，熟练掌握系统设计所需的各种技术。（1）如何实现对城市工地上扬尘浓度以及噪声分贝数等信息的及时监控。（2）传感器型号的选择，并判断各传感器的监测值是否超出设定阈值上限，如果超出警戒值则启动相应的报警电路及部分控制装置。（3）采集的数据既可通过Zigbee网关直接上传到上位机，也可在此基础上加上GPRS DTU设备构成Zigbee-GPRS网关，通过中国手机GPRS基站传输到Internet网络，再从Internet网络将数据下载到上位机。（4）上位机监测上传的数据，如果数据超出阈值范围，就会发出报警声并显示相应报警的传感器节点，提醒监测人员。第二部分是硬件设计，基于上述系统的设计要求完成对所需芯片的选择，画出硬件原理图、PCB图，制作PCB板，并焊接相关的元器件。第三部分是软件设计，根据本次设计所要实现的功能和所选芯片的需要，画出整体结构流程图和节点流程图，然后编写修改调试程序。第四部分是系统调试，针对软硬件设计进行系统调试，判断是否满足系统设计的要求。第五部分是调试报告，针对在本课题做的过程出现的各种各样的问题及解决方案作出详细的解答。第六部分是结论，基于上述部分对本次设计进行总结，提出设计过程中存在的不足和需要改进的方面。2 总体方案设计21 监控原理对城市工地扬尘浓度及噪声分贝数进行实时监测，通过传感器采集信号，然 后经单片机处理数据后，通过Zigbee网关，将采集来的数据信息发送到上位机。也可在此基础上加上GPRS DTU设备构成Zigbee-GPRS网关，再通过中国手机GPRS基站传输到Internet网络，再从Internet网络将数据下载到上位机，并在上位机监测界面上显示实时数据。同时根据所接收到的数据变化，来分析辨别工地环境参数的变化情况，能够实时的根据各参数的变化来打开或者关闭相应的控制装置，比如扬尘浓度在30分钟内大部分时间超过阈值，则启动控制装置风扇，将传感器通风口及内部的积尘吹掉一点（5分钟），防止扬尘堵塞通风口影响检测；分贝值过高则打开报警灯等等。22 系统网络结构图此监测系统由无线传感器节点（用于收集工地无线传感器周围的噪声扬尘等数据，当数据超出阈值可启动相应报警及控制）、Zigbee网关（实现近程数据传输）、Zigbee-GPRS网关 （实现远距离数据传输）和上位机监测中心（对下载的噪声、扬尘值做相应的整合与处理）几部分构成6。基于物联网技术噪声扬尘远程监测系统完全能够满足工地上噪声与扬尘参数的实时监控要求。因为在工地上放置的无线传感器节点位置是由监控人员根据相关规定自由设置的。天晴时，能够利用太阳能电板，对节点进行充电7，当电池电量低，能够对其进行更换电池。天暗时，能够直接利用电池或稳压电源，从而可以保证整个网络系统长时间无障碍工作。该系统的网络结构图如图2.1所示。 图2.1 噪声及扬尘远程监测系统网络结构图3 无线传感器节在各节点上，本设计可采用9V干电池、太阳能电板或9V稳压电源供电，在天晴时，使用锂电池储存电能，通过电源转换电路，为各模块提供所需电源；在天气阴暗时，采用稳压模块供电，维持整个监测系统电路的正常运行。节点的设计以CC2530模块为核心，既负责将数据无线发送给网关，又负责比较采集来的数据与设定扬尘浓度及噪声分贝数阈值的大小，启动相应的报警模块开关。使用L7805芯片将电源转换为5V电压输出给分贝传感器Loudness、扬尘传感器SLPD-D01供电，再通过AMS1117降压，降为3.3V给CC2530模块、报警电路电路、继电器控制电路和传输LED灯电路供电。无线传感器节点内部网络如图3.1所示。图3.1 无线传感器节点内部网络31 节点电源模块电源管理是无线通信应用中的一个关键问题，对整个系统的工作和使用有直接影响。为了解决这个问题，硬件将从芯片的低功耗和电池两方面来综合考虑5。整个系统的电源管理电路框图如图3.2所示，电源电路图如图3.3所示。CC2530等+3.3V稳压电路太阳能电板（晴）、9V电池或稳压模块（阴）传感器等+5.0V稳压电路图3.2 电源管理电路框图图3.3 电源电路图在图3.3中，IN5819肖特基二极管防接反，稳定电流，并与XB5351一起对太阳能起过冲保护作用。TYN接太阳能电板，天晴时可对节点供电并对电池充电。天暗时，采用电池或者由9V稳压电源直接供电。L7805为5V稳压器，3脚输出即为5V。D2，为电源指示灯，在电路工作时，LED亮。AMS1117为3.3V稳压器，2引脚输出为3.3V给报警电路、继电器模块、传输指示灯电路、复位电路供电。电路中电容的作用是隔离直流中的交流成分。0.1f电容起到去耦及去除高频干扰的作用，也可再并联个10f电容去除部分低频干扰。3.1.1 太阳能电池板太阳能电池是一种新型电源，实物图如图3.4所示。本设计中采用的太阳能电池是一种将太阳能转换成电能的装置，内部是一个光电二极管，光电二极管在接收到光照时，可以把太阳能转化为电能，产生电流。 图3.4 太阳能电池板实物图 图3.5 XB5351A引脚图3.1.2 可充电锂电池保护芯片XB5351XB5351主要用于对锂电池的保护。XB5351的封装为SOT235L，要求的外围元器件只要1个，可以节省安装空间。XB5351能够避免短路，能够使用防接反装置，对锂电池具有很强的保护。而且其工作电流极小，完全可以增加电池的使用年限8。主要的技术参数如下：防接反装置；拥有54mRDS最先进的功率管； 电压检测精度50mV；电流过度充防护作用；二段电流多重防护作用；防止短路及过流；充电的检出作用；零伏特电池的充电；通过其内部设置延时；使用年限长，4.1mA的正常电流；1.2A的关机耗电电流。XB5351A引脚图如图3.5所示。3.1.3 肖特基二极管IN5819图3.6 IN5819实物与封装肖特基二极管是一种高速、功率低的半导体元件，普遍应用于频率变换器、电源的开关等相关电路，对电压小，频率大及高毫安电流具有续流、整形、保护的作用，实物与封装如图3.6所示。3.1.4 L7805介绍本设计的降压模块首先选择的是贴片芯片AMS1117-3.3V及AMS1117-5V设计电路，实验后发现二者输出不稳定，且对输入电压要求较高，后改用L7805设计电路，L7805为5V稳压器，价格低廉且输出稳定。采用TO-220的标准封装形式的L7805如图3.7所示，是三条引脚输出的稳压集成电路，将L7805光滑平面对着自己，管脚朝下，从左到右三条引脚分别是1、2、3脚，它的1、2脚是电压输入端，分别接电源的正极和地端；它的2号及3脚为电压的输出端，2脚为GND端，3脚为输出端。L7805引脚如图3.7所示，在电路应用中，它的输入和输出两端都会接一个带滤波功能的电容，输出5V直流电压的， 从而构成稳压电源电路。 图3.7 L7805引脚图图 图3.8 AMS1117常用电路3.1.5 AMS1117介绍AMS1117是一种正向低压降稳压器，输出电压有多种样式，本设计中我们采用其电压输出为3.3V。其采用SOT-223封装形式，常用电路如图3.8所示。32 CC2530模块3.2.1 CC2530模块简介CC2530节点作为ZigBee技术和RF4CE在无线通信应用上解决系统应用的一种方案。以特别低的成本建立起功能强大的网络节点。CC2530与RF收发器的优良特性相联系，采用标准的增强型8051 CPU，无线传输距离可达100米左右。由于CC2530存在四种相异的闪存版本和多种运行的方式，让其特别适合小功率所要求的系统9。其引脚如图3.9所示。 图3.9 CC2530引脚顶视图3.2.2 CC2530引脚介绍引脚名称引脚引脚类型描述DVDD39电源（数字）2V3.6V 数字电源连接AVDD10电源（数字）2V3.6V 数字电源连接GND41接地接地衬垫必须连接到一个坚固的接地面。P0_019数字I/O端口0.0P0_118数字I/O端口0.1P0_217数字I/O端口0.2P0_316数字I/O端口0.3P0_415数字I/O端口0.4P0_514数字I/O端口0.5P0_613数字I/O端口0.6P0_712数字I/O端口0.7P1_011数字I/O端口1.0具有20mA 驱动能力P1_19数字I/O端口1.1具有20mA 驱动能力P1_28数字I/O端口1.2P1_37数字I/O端口1.3P1_46数字I/O端口1.4P1_55数字I/O端口1.5P1_638数字I/O端口1.6P1_737数字I/O端口1.7P2_036数字I/O端口2.0P2_135数字I/O端口2.1P2_234数字I/O端口2.2RESET_N20数字输入复位，活动到低电平RF_N26RF I/ORX 期间负RF 输入信号到LNARF_P25RF I/ORX 期间正RF 输入信号到LNA图3.10 CC2530引脚图3.2.3 CC2530模块主要功能介绍传感器将检测到的信息传递给节点模块的CC2530，在CC2530内部通过单片机A/D口接收传感器模块采集的数据；RF无线收发模块完成数据收发；通过I/O口控制相应操作装置等三个主要部分实现所需要的功能20。ADC转换模块：支持7到12位的分辨率，DC与音频转换最多有八个输入通道（端口0）。其输入端可以选择单端输入或差分输入。参考电压选用其内部电压或是一个分外部信号。本设计采用12位分辨率。RF无线设备：无线收发器RF的内核负责控制模拟无线模块。此外，它还提供了一个无线设备与单片机的接口，让它能够发出指令与读取状态，并自动操作与确定无线设备事件开始的顺序。I/O控制器：I/O控制器掌管全部的通用I/O端口。处理器CPU能够配置外设模块是否与某一个引脚联系。CPU 中断可以使能各个引脚。连接在I/O 引脚的外设都能在两个不相同的I/O 引脚位置之间选取，来保证在各种应用程序中的灵活性。3.2.4 CC2530模块典型接法电路图，底板电路图与典型接法实物图图3.11 CC2530的模块电路图CC2530在使用中只需非常少的外接元件，典型接法电路图、底板插口图及实物图分别如图3.11、图3.12、图3.13所示。 图3.12 CC2530底板插口图 图3.13 CC253O的节点实物图上图中间2个接插口，插入CC2530模块，最左最右边可以接双排插针，用于扩展底板功能。33 复位电路模块CC2530为低电平复位。复位电路如图3.14所示。此复位电路具备按键有按、上电复位2种功能。当上电的一瞬间，RESET引脚为低电平，大约经过1.414（根号2）倍的R7*C1，也就是1.414*10*1000*0.1*0.000001=141.400 s时，RESET变为高电平。而RESET的最小复位时间为2个机械周期，也就是2/32MHZ=61.035s，141.400大于61.035s，所以可以上电复位。之后RESET为高电平，CC2530正常工作。当按下S2时，按键时间一定大于61.035s，所以可以实现按键复位16。 图3.14 复位电路（低电平复位）34 传感器模块3.4.1 传感器的选择要求本设计关键在于传感器的选择，而传感器的选择应遵循以下四个技术要求。（1）为后续电路功能测量提供电力供应，转换范围和测量的实际范围一致。 （2）精度转换功能的实现，需要按照整个应用系统根据总精度要求而分配给传感器的精度指标来完成，转换速度应符合整体要求。（3）能满足使用环境耐高温、耐腐蚀、防水等的特殊要求。（4）切实满足用户对可靠性和可维护性的要求。3.4.2 扬尘传感器的选择3.4.2.1 扬尘传感器SLPD-D01一、产品特点（1）数字输出粉尘浓度信号，单位 g/m，内置微处理器 MCU 优化了精准的算法。（2）RS232-TTL 数字量输出。（3）自有软件校准功能，调试简单、高效。（4）粒子计数原理、数字量输出、应用简单。（5）可灵敏检测直径 1m 以上的粒子。（6）内置加热器形成恒定气流，可实现自动吸入空气。（7）外形分布均匀，质量极轻。（8）LED 的寿命：连续工作7年。二、产品概述SLPD-D01是一款利用光学检测空气中粉尘浓度并内置MCU运算系统直接输出当前环境粉尘浓度数值信号的数字粉尘传感器，单位g/m。在Irled和1个图像传感器感光模块交叉，在具有粉尘的气流经过相交的范围形成反射光。图像传感器检验到扬尘反过来的光线，依据产生的强弱信号经过内调制电路及MCU运算系统直接输出判断粉尘浓度的数字信号，这款传感器能灵敏检验出直径1.0m以上的颗粒，扬尘等大颗粒，通过内置微处理器单片机 反复优化了及精准的数据处理，精度得到大幅度提升，直接输出当前环境中的颗粒物 PM2.5浓度数值信号，单位g/m。3、 电气参数表3.1 SLPD-D01电气参数编号参数技术条件1电源电压DC5V5%2功耗90mA 10%3工作湿、温度-1044.6、94.8%RH之下4储存温度-30605检测粒子直径1m以上6检测粉尘颗粒浓度范围0500g/m7信号输出RS232-TTL输出8尺寸W59*H45*D17.2mm9重量约26g10传感器测量开始内部电阻的温度稳定后4、 检测原理（1）光散射方法；（2）LED 发射出光线遇粉尘产生发射光12；（3）接收传感器检测到反射光的光强输出信号（4）接收传感器输出信号经过调制电路及内置MCU 微处理器数据处理输出 PM2.5浓度数值，单位g/m。5、 SLPD-D01 粉尘传感器输引脚定义 表3.2 SLPD-D01引脚定义引脚号名称引脚描述1GND电源输入（接地端）2TX串口（电路板串口发送端）3+5V电源输入（+5V 端）4PWMPWM 通信接口5RX串口（电路板串口接收端）六、数据读取方法（通讯协议）本设计采用的是SLPD-D01串口通信传输扬尘浓度。（1）串口通信时的配置：波特率：9600bps数据类型：八位的数据位，一位停止位，没有奇偶校验。（2）串口通信的数据包格式模块每隔 23 秒自动发送数据包，格式定义如表3.3所示。表3.3 数据包格式相关标识符数据长度控制字节浓度高字节浓度低字节校验字节0x160x030x020xXX0xXX0xXX说明：1）数据长度为命令字节+浓度数据高、低字节的长度；2）扬尘浓度值（g/m）=浓度的高字节*28+浓度的低字节；3）校验字节：前面所有数据字节的和+校验字节后低字节为0x00。SLPD-D01还有一种传输扬尘浓度的通信方式为PWM方式。（3）PWM通信接口：PWM 接口输出周期为1s的周期性脉冲信号，每个周期的低电平持续时间与当前模块检测到的PM2.5浓度数值成正比，波形如图3.15所示。图3.15 PWM输出波形7、 安装说明（1）应该把此款传感器放置在内部，并遮住清洁孔，来减小外光干扰。（2）安装后保证“进气口”与“出气口”通畅。（3）垂直放置此传感器。（4）放置地点进制有非常强的气流以产生干扰。（5）振动可能会影响传感器的特性，安装结构应避免传感器工作时振动。八、电路框图与实物图扬尘传感器SLPD-D01的电路框图及实物图如图3.16、图3.17所示。 图3.16 SLPD-D01电路框图 图3.17 SLPD-D01实物图3.4.2.2 SK二代SLPD-D01数字输出PM2.5灰尘传感器与行业产品对比目前，市场上的PM2.5传感器主要有日本神荣的PPD42、夏普一代GP2Y1010AUOF、夏普二代GP2Y1051AUOF、GE和SK二代SLPD-D01等。在输出信号方面，GP2Y1010AUOF、GE为模拟输出，且需要先输入一个20毫秒高电平，0.5毫秒低电平的方波才能出发，得到输出后还需要用户自己做算法，相当麻烦。PPD42、GP2Y1051AUOF、SLPD-D01均为PWM和串口输出双输出方式。但PPD42、GP2Y1051AUOF的PWM输出方式经过测试后发现误差相当大，得出的数据根本无法正常使用；它们的串口输出方式经过测试后发现，可以进入51单片机的串口读中断，并读出内部串口发送的数据，但由于CC2530的电源是3.3V，它们的串口输出无法进入CC2530的读中断。所以CC2530无法正确地读出它们发送的数据。而SLPD-D01的串口输出可以进入CC2530的读中断，且与PWM输出得到的值及真实值非常接近。在内部发射传感器方面，除了GP2Y1051AUOF、GP2Y1010AUOF是脉冲调制IR-LED光源外，其余均是连续发射IR-LED光源。很显然，连续发射IR-LED光源得出的数据又快又精确。在内部接收传感器方面，除了SLPD-D01，其余几种均是光电二极管，没有光谱滤波，而SLPD-D01则是光电三极管并采用光谱滤波，这样可以减少杂散光干扰。在电源方面，SLPD-D01采用3.3V5.0V的电源控制，很适合与CC2530协同工作，且不易受干扰。而其余几种均是5.0V直接输入，极其容易受到干扰。在空气气流方面，GP2Y1051AUOF、GP2Y1010AUOF无加热电阻，需要外加风扇形成气流，其余几种都有加热电阻，气流自动流动。在输出浓度范围方面，PPD42、GP2Y1051AUOF的输出范围分别为10350g/m、10400g/m，SLPD-D01的输出范围为0500g/m，而GP2Y1010AUOF、GE为低脉冲占空比/30秒。通过上述分析与比较，很显然最适合选择SK二代SLPD-D01传感器作为本次设计的扬尘传感器。3.4.3 噪声传感器Loudness该传感器是模拟传感器，电压线性输出。拥有可靠性高，带有温度抵偿，高精度，连续性好，成本低等特点，普遍的应用领域。其电路框图和实物图分别如图3.18、图3.19所示。 图3.18 Loudness电路框图 图3.19 Loudness实物图3.4.3.2 Loudness特点 （1）可以不处理输出线性的模拟电压量。 （2）高灵敏度，能检测出大约十米范围。 （3）电压范围宽，本次设计的模块，电源范围可从4.5V5.5V。 （4）有声音时输出低电平，没有声音时输出高电平，增益能够采用电位器调节。3.4.3.3 Loudness主芯片Loudness的主芯片是LM358放大器。LM358内部包括高精度运算放大器。其作用范围包括放大传感信号等10。3.4.3.4 Loudness引脚定义 表3.4 Loudness引脚定义引脚号名称引脚描述1GND地2VCC电源输入，范围：4.5V5.5V3DO数字量输出，0或者14AO模拟输出（0.05V （VCC-1.7）35 LED传输显示及报警模块在CC2530底板的P23、P21口分别通过一个上拉电阻接1个绿色的LED，用来显示无线传感器节点的传输状态，正常工作时，两个LED交替闪烁。在P15通过一个上拉电阻接1个红色的LED，用于提示噪声是否超出范围。电路图如图3.20所示。图3.20 LED传输显示及报警模块电路图36 控制模块本设计采用下位机（单片机）控制，通过编写代码，改变CC2530的P11口电平高低，采用驱动继电器模块。为便于观察，节点板上设计1个黄灯用以指示P11口电平高低，指示灯亮为P11口输出低电平，指示灯灭则P11口输出高电平。通过实际操作本课题的继电器模块采用3.3V低电平驱动。并由于继电器模块容易烧坏，所以采取外接，而非内部集成，便于继电器烧坏后修理。在30分钟内如果扬尘浓度大部分时间超过设定的阈值，继电器将吸合，风扇被打开，用于吹去传感器通风口上及内部的积尘（5分钟），避免扬尘堵塞通风口影响测量。本设计采用SONGLE（松乐继电器）与12V直流LYF的3线风扇。节点上的控制部分，外部控制电路如图3.21、图3.22所示，控制模块实物图如图3.23所示。图3.21 节点上的控制部分 图3.22 外部控制电路图3.23 控制模块实物图3.6.1 SONGLE（松乐继电器）此继电器为带指示灯的集成继电器，继电器输出有3个脚，输入为高电平时各脚不吸合，不导通；输入为低电平时，各脚吸合，相互导通。3.6.2 LYF风扇12V 的LYF风扇，输入电压范围可为912V，输入电压不同，风扇转速不同。这种风扇使用年限长，转动噪声小，没有相应的干扰，被应用于设备内部。37 无线传感器节点总体电路图与实物图无线传感器节点总体电路图与实物图如图3.24、图3.25所示。图3.24 无线传感器节点总体电路图图3.25 无线传感器节点总体实物图4 系统硬件电路调试41 PCB电路板设计及制作噪声及扬尘远程监测系统节点的PCB图如图4.1所示，焊接实物图如图4.2所示。 图4.1 节点PCB电路板 图4.2 节点实物图42 电路调试4.2.1 电源电路的调试在功能调试之前，必须保证电源电路模块供电正常。在节点部分，若用锂电池供电，首先用万用表检测锂电池两端电压是否大于等于9V，若不是则需要更换新的电池，若是则电源正常，必须保证供电电压足够；然后检验L7805的脚3输出电压值，应该确保其输出的电压是5V，若是5V就表示正常工作；再监测AMS1117-3.3V的2引脚是否输出为3.3V，若不是则可能已损坏，若是则电源电路正常，可以使用。若用稳压模块供电，先测试稳压模块输出两端的电源是否等于9V，若不是，则调节稳压模块上的电位器，直至输出电压为9V为止。以后的调试步骤与锂电池供电相同。若用太阳能电板供电，中午到室外测试太阳光照射强度最高时，太阳能电板的输出值大约6V。将2块太阳能电板串联后在普通时间测试太阳能电板的输出值，大约在9V左右。之后的调试步骤与锂电池供电相同。4.2.2 传感器电路的调试按照之前设计的电路原理图用万用表检查所有传感器各引脚是否与CC2530相对应的引脚相连，电源线是否有接错情况，确认无误后打开电源开关，再次确认，防止传感器接错，造成不必要的损失。（1） 扬尘传感器SLPD-D01，用万用表测量电压引脚电压是否为5V，地引脚电压是否为0V。电压表调到二极管通路检测档，确认信号引脚TX和PWM是否分别与CC2530的P02，P00引脚相连。将扬尘传感器垂直放置，用万用表的测电压挡测量TX与PWM口，待万用表上的值稳定，然后吸口烟对着传感器的通风口吹一下，查看TX口与PWM口的输出值是否变化，若变化，则传感器完好。（2） 噪声分贝传感器Loudness，用万用表测量电压引脚电压是否为5V，地引脚电压是否为0V。电压表调到二极管通路检测档，确认信号引脚A0是否与CC2530的P04引脚相连。4.2.3 节点其他部分电路的调试（1） CC2530插口，接上节点电源，测试CC2530L的1脚，CC2530R的1脚电压是否为0V。CC2530R的2，4，12脚是否为+3.3V；接着用万用表的测通路功能测试2边外加排针是否与CC2530L，CC2530R的引脚通路。（2） 复位电路，未按键时，测试CC2530R的3脚（RESET）是否为3.3V左右的高电平；按下按键，测试其是否为低电平，电路是否复位。（3）其他的LED电路，通过编写软件并下载使P23，P21，P15，P11变为低电平，测试各LED是否亮；再让P23，P21，P15，P11变为高电平，测试其是否不亮。4.2.4 控制阈值设定由于不同地区，不同环境，不同时间的扬尘浓度噪声分贝影响及标准不同，这里假设某地区某时间段噪声及扬尘标准如下：扬尘浓度：0112g/m，噪声分贝数070DB，表4.1给出噪声超出阈值时及扬尘30分钟内阈值的原始值和对应引脚状态变化，0表示启动，1表示关闭。表4.1 控制阈值设定表测量量状态装置对应引脚上限值测量值原始值状态扬尘浓度高（除尘）风扇P11112g/m0x00700（30分钟）噪声分贝高（报警）报警灯P1570dB0x050004.2.5 上位机收到的噪声及扬尘数据节点传至网关，再由上位机从因特网上下载的数据如图4.3所示。其分别代表的含义如表4.2所示15。串口数据代表含义0x01Modbus Rtu的起始地址0x03Modbus功能码3，表示上位机读0x08数据长度：8字节0x01 0x18节点1的扬尘数据0x01 0xAD节点1的噪声数据0x01 0x2f节点2的扬尘数据0x4A 0xFF节点2的噪声参数0x27校验帧高位0x06校验帧低位0x00停止位 图4.3 接收数据界面 表4.2 串口数据含义表43 传感器参数确定4.3.1 扬尘浓度参数确定扬尘传感器SLPD-D01有串口输出及PWM输出两种输出方式，本设计采用的是串口输出方式。传感器的串口输出接入CC2530的P02，由于P02工作在U0DBUF，且工作在备用组0，所以可以正常工作。由于扬尘浓度传感器SLPD-D01为已校准数字量输出的传感器，且可以直接输出扬尘浓度的16进制数，非常方便。故输入无须转换，可以直接输出，方便快捷。待电源接通，等23分钟，传感器内部的电阻丝加热后，可以正常在上位机上读出扬尘浓度，对着传感器通风口吸口烟，浓度值升高，说明工作正常。4.3.2 噪声分贝参数确定Loudness是一个模拟输出的噪声传感器，输出电压与分贝值为线性关系。在调试噪声检测时，找一个安静的地方，等待数值平静后，用检测仪测出分贝值，再通过网关的接收得出噪声传递的值得出一组数据，同时用万用表测出噪声传感器输出电压。再通过给定1个蜂鸣器固定发出的声音，等待数值平静后测出其分贝值，网关接收的节点上AD转换值及传感器输出电压；再将蜂鸣器放远一点再得出几组数据，然后通过MATLAB软件拟合成一条直线，就得到AD转换值与分贝值及噪声传感器输出电压与分贝值的大约关系。如表4.3所示。表4.3 噪声分贝测量数据表测量数据（AD转化值）1113174205126809551130120213991588185919672023输出电压/V0.190.490.630.861.071.541.791.942.232.562.953.133.25分贝数/dB28.836.439.845.750.762.768.872.679.988.097.9102.4105.3在MATLAB上编写的拟合代码如下：分贝与测量数据（AD转化值）拟合的程序：x=111,317,420,512,680,955,1130,1202,1399,1588,1859,1967,2023;y=28.8,36.4,39.8,45.7,50.7,62.7,68.8,72.6,79.9,88.0,97.9,102.4,105.3;p=polyfit(x,y,1)x1=linspace(min(x),max(x),10000);y1=polyval(p,x1);plot(x,y,*,x1,y1)%绘制出拟合直线title(分贝与测量数据拟合,FontName,黑体,FontSize,16) xlabel(测量数据(AD转换值),FontName,黑体,FontSize,16)%为x轴添加标注 %添加图题标注ylabel(分贝数/dB,FontName,黑体,FontSize,16) %为y轴添加标注text(840,75, y=0.04*x+24.04,FontName,Times New Roman,FontSize,16)得到的结果为 p = 0.03999698437806 24.04020848103961即，y（噪声分贝）=0.04*x（测量数据（AD转化值）+24.04； 得到的拟合直线如图4.4所示。图4.4 噪声分贝与测量数据（AD转化值）的拟合图分贝与噪声传感器输出电压拟合的程序：x=0.20,0.46,0.62,0.89,1.04,1.59,1.74,1.98,2.23,2.56,2.96,3.11,3.25;y=28.8,36.4,39.8,45.7,50.7,62.7,68.8,72.6,79.9,88.0,97.9,102.4,105.3;p=polyfit(x,y,1)x1=linspace(min(x),max(x),10000);y1=polyval(p,x1);plot(x,y,*,x1,y1)%绘制出拟合直线title(分贝与输出电压拟合,FontName,黑体,FontSize,16) xlabel(输出电压/V,FontName,黑体,FontSize,16)%为x轴添加标注 %添加图题标注ylabel(分贝数/dB,FontName,黑体,FontSize,16) %为y轴添加标注text(1.75,65 y=24.97*x+24.14,FontName,Times New Roman,FontSize,16)得到的结果为p = 24.97373508448411 24.14187500293264即，y（噪声分贝）=24.97*x（噪声传感器输出电压/V）+24.14；得到的拟合直线如图4.5所示。 图4.5 噪声分贝与噪声传感器输出电压的拟合图44 软件调试监测软件的设计预期：（1）上位机实时显示传感器的数据；（2）上位机能够绘制传感器与时间的实时曲线；（3）软件拥有报表系统，能够实时打印传感器的数据报表；（4）能够查询数据库的历史数据。功能验证如下：如图4.6所示，该图为软件工程的进入界面，该图中要输入指定的工程管理密码方可进入。图4.6 监测软件工程界面在输入工程管理密码后，获取工程使用权限，点击VIEW运行工程，进入监测系统的登录界面，如图4.7所示。打开工程时需要输入用户使用登录密码。该工程的用户登录界面的