基于NRF24L01的室内环境质量监测警报系统设计与实现.doc

毕业设计、毕业论文题 目 基于NRF24L01的室内环境质量监测报警系统设计与实现 学 院 专业班级 指导教师 姓 名 2013年 05月 25日指导教师签字： 年 月 日评阅人签字： 年 月 日摘 要摘 要近年来随着科技的飞速发展，单片机应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月异。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用，但仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，加以完善。本设计是以单片机STC89C52为核心设计的各种模块，组合而成的室内环境质量监测报警系统。主要包括气体浓度检测模块、无线通讯模块、报警模块、显示模块、GSM短信模块、按键模块等。系统检测室内中的气体，当有害气体浓度高于设定值时，发出警报，并通过GSM短信把相应情况发送给管理者。管理者接收到相应信息，及时做出相应调整，并且如室内温度不高于设定值，烟雾浓度高于阀值时，控制系统会自行打开室内中的通风装置，降低室内中有害气体的浓度。该设备关键时刻还可以当电话使用。以能够营造一个良好的室内场所。关键字 单片机；传感器；无线；温湿度；烟雾IAbstractTitle Based NRF24L01 indoor environmental quality monitoring and alarm system design and implementationAbstractIn recent years,with the rapid development of technology,SCM applications are constantly deepening,while driving traditional control testing each passing day.In the real-time detection and automatic control of microcomputer application system,the microcontroller is often used as a core component,but only SCM knowledge is not enough,should be based on the specific hardware architecture,as well as application-specific software features object combined to be improved.This design is a microcontroller as the core design STC89C52 various modules,a combination of indoor environmental quality monitoring alarm system.Including gas concentration detection module,wireless communication module,alarm module,display module,GSM SMS module,keypad module.System detects the gas chamber,when the harmful gas concentrations higher than the set value,an alarm,and through the GSM SMS sent to the administrator of the corresponding case.Managers receive appropriate information in a timely manner and make the appropriate adjustments,and if the indoor temperature is not higher than the set value,the smoke concentration is higher than the threshold,the control system will not open the interior of ventilation to reduce indoor concentrations of harmful gases.The device can also be a critical moment when the phone is used.In order to be able to create a good indoor places.Keywords SCM; sensor; wireless; temperature and humidity; smogI目录目 录第一章 绪论- 1 -1.1、选题背景和意义- 1 -1.2、研究现状- 3 -1.3、主要介绍的内容- 4 -第二章 需求分析- 5 -2.1、系统需求分析- 5 -2.2、功能需求分析- 5 -2.3、系统结构框图- 6 -第三章 系统硬件方案- 7 -3.1、微控制器选择- 7 -3.2、显示器选择- 8 -3.3、无线传感器选择- 9 -3.4、温湿度传感器选择- 11 -3.5、烟雾传感器选择- 13 -3.6、GSM短信模块选择- 14 -3.7、3.3V电源电路选择- 16 -第四章 系统软件方案- 18 -4.1、编程语言选择- 18 -4.2、开发环境选择- 19 -第五章 系统硬件设计- 21 -5.1、单片机最小系统设计- 21 -5.2、温湿度检测模块设计- 22 -5.3、烟雾浓度检测模块设计- 22 -5.4、主控装置模块设计- 23 -第六章 系统软件设计- 25 -6.1、开发工具介绍及使用方法- 25 -6.1.1、Keil uVision4新建项目与编辑- 25 -6.1.2、Keil uVision4编译与调试运行- 27 -6.1.3、程序烧写- 28 -6.2、软件设计流程图- 28 -6.2.1、温湿度检测模块程序流程图- 29 -6.2.2、烟雾浓度检测模块程序流程图- 30 -6.2.3、主控装置模块程序流程图- 31 -第七章 系统调试与测试- 32 -7.1、系统调试- 32 -7.2、系统测试- 32 -总结- 34 -致谢- 35 -参考文献- 36 -附录A 系统原理图- 37 -1、主控装置模块原理图- 37 -2、温湿度检测模块原理图- 38 -3、烟雾浓度检测模块原理图- 39 -4、GSM短信模块原理图- 40 -附录B 实物图片- 41 -附录C 使用说明书- 46 -1、电源- 46 -2、组装- 46 -3、使用方法- 49 -4、注意事项- 50 -II第一章 绪论第一章 绪论本章主要对设计的选题背景、选题意义、国内外现状进行研究以及论文的内容结构进行介绍。1.1、选题背景和意义随着“信息时代”的到来，作为获取信息的手段单片机技术得到了显著的进步，其应用领域越来越广泛，对其要求越来越高，需求越来越迫切。单片机技术已成为衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志之一。因此，了解并掌握各类单片机的基本结构、工作原理及特性是非常重要的。为了提高对单片机的认识和了解，尤其是对气体传感器的深入研究以及其用法与用途，基于实用、广泛和典型的原则而设计了本系统。本文利用单片机结合传感器技术而设计开发此系统。目前高校实验室（室内）是学生动手创新的主要场所，保持实验室内环境的清洁度为学生学习、老师科研都具有重要的意义。由于实验过程中可能会产生一些有毒有害气体，例如甲烷，CO等气体，还可能存在易燃易爆气体。长期处在有毒气体环境中学习会大大损害学生的身心健康，易燃易爆气体会给实验室安全防火带来危险。为了减少或避免这类事故的发生，就必须对温湿度和烟雾进行现场实时检测，采用先进可靠的安全检测系统，严密监测环境烟雾的浓度，及早发现事故隐患，采取有效措施，避免事故发生，才能确保实验室安全、工业安全和家庭生活安全。因此，研究温湿度和烟雾的检测方法与研制温湿度和烟雾报警器就成为传感器技术发展领域的一个重要课题。我们知道烟雾气体是一种无色、无味、无刺激无法用五官感知的有毒气体，能抑制血液的携氧能力。烟雾的毒性主要是影响氧气的供给与利用，烟雾与血红细胞的亲和力比氧气与红细胞的亲和力大300倍以上，造成人体缺氧。当吸入烟雾气体后，烟雾进入肺部抢先与血红细胞结合，使红细胞丧失运输氧气的能力，造成人体多个器官缺氧，导致组织受损甚至死亡。一般人在意外中毒时无法自我察觉，往往被发现时已进入昏迷状态，酿成重大伤害甚至死亡。因此称之为家庭中的“隐形杀手”，一点也不过分。烟雾的产生：烟雾是由燃料（如汽油、柴油、煤、木炭、煤气、液化气、天然气等）燃烧不充分产生的。家中产生烟雾的主要原因：天然气、煤气、液化气、燃油、煤炭的不完全燃烧；热水器安装不当，废气回流；烟筒、排气管堵塞；密闭空间开着发动机、生火取暖，如在车库开着发动机、冬天紧闭门窗生炉子取暖、新装潢的楼房等等。有些国家对工作场所的烟雾允许体积分数都做了规定。化学实验室、炼钢厂工作人员、消防人员、高速公路收费员、矿坑工作从业人员较可能暴露在高体积分数烟雾环境中；在生活中，堵塞的交通、在密闭房间内抽烟、甚至煤气、瓦斯等不完全燃烧的室内、火灾现场等，均可能使空气中的烟雾体积分数超过允许标准。因此，对生活，工作环境中得温湿度，烟雾，体积分数实施准确而有效地检测与报警是一个与人类生态和工作环境相关的重要问题。烟雾的浓度与健康成年人中毒的可能症状与空气中烟雾的浓度大致的吸入时间：50ppm 健康成年人在八小时内可以承受的最大浓度200ppm 23小时后，轻微头痛、乏力400ppm 12小时内前额痛；3小时后威胁生命800ppm 45分钟内，眼花、恶心、痉挛；2小时内失去知觉；23小时内死亡1600ppm 20分钟内头痛、眼花、恶心；2530分钟内死亡6400ppm 12分钟内疼痛、眼花、恶心；1015分钟死亡12800ppm 13分钟内死亡应该注意的是：上述中得烟雾中毒症状，是对健康成年人而言，对于高危、脆弱人群，其反应不同。因此本设计再预设报警器的上限值时应以200ppm。据生理学家研究，室内温度过高时，会影响人的体温调节功能，由于散热不良而引起体温升高、血管舒张、脉搏加快、心率加速。冬季，如果室内温度经常保持在25以上，人就会神疲力乏、头晕脑涨、思维迟钝、记忆力差。同时，由于室内外温差悬殊，人体难以适应，容易患伤风感冒。如果室内温度过低，则会使人体代谢功能下降，脉搏、呼吸减慢，皮下血管收缩，皮肤过度紧张，呼吸道粘膜的抵抗力减弱，容易诱发呼吸道疾病。因此，科学家们把人对“冷耐受”的下限温度和“热耐受”的上限温度，分别定为11和32。在注意室内温度调节的同时，还应注意室内的湿度。夏天，室内湿度过大时，会抑制人体散热，使人感到十分闷热、烦躁。冬天，室内湿度大时，则会加速热传导，使人觉得阴冷、抑郁。室内湿度过低时，因上呼吸道粘膜的水分大量散失，人会感到口干、舌燥，甚至咽喉肿痛、声音嘶哑和鼻出血等，并易患感冒。所以，专家们研究认为，相对湿度上限值不应超过80，下限值不应低于30。然而，人的体感并不单纯受气温或气湿两种因素的影响，而是两者综合作用的结果。通过实验测定，最宜人的室内温湿度是：冬天温度为18至25，湿度为30至80；夏天温度为23至28，湿度为30至60。在此范围内感到舒适的人占95以上。在装有空调的室内，室温为19至24，湿度为40至50时，人会感到最舒适。如果考虑到温、湿度对人思维活动的影响，最适宜的室温度应是18，湿度应是40至60，此时，人的精神状态好，思维最敏捷，工作效率高。为了解决烟雾这种对人体有毒害又不易被人们所发现的问题，避免在更多事故的发生，一个高效实用的环境质量检测报警系统将是较好的解决方案。同时，伴随着各种天然气、煤制气、液化气的开发和使用各种可燃性气体散发在工作场所和人们生活中，因此连续、直接检测工作环境和生活环境中温湿度、有毒气体、可燃性气体有着极其重要的意义。1.2、研究现状目前，随着国内经济发展的需要，各大中城市都侧重于兴建大型豪华宾馆酒店、办公楼、购物商场等公共场所，在一定程度上，就加大了防火灭火的困难，迫切需要在智能建筑中设计一套火灾自动报警系统。火灾自动报警系统探测火灾的困难，迫切需要在智能建筑中设计一套火灾自动报警系统。火灾自动报警系统探测火灾隐患，肩负安全防范重任，是智能建筑中建筑设备自动化系统（CBS）的重要组成部分。智能建筑中的火灾自动报警系统设计首先必须符合GB50116-98火灾自动报警系统设计规范的要求，同时也要适应智能建筑的特点，合理选配产品，做到安全使用、技术先进、经济合理。火灾自动报警系统有区域报警系统，集中报警系统和控制中心报警系统三种基本方式，具体采用何种报警，可根据工程建筑规模，保护对象的性质，区域划分和消防管理机构等因素综合分析后确定。本设计采用集中报警系统，将所监视的若干区域内的传感器输入的电压信号，以声、光形式显现出来，将着火区域和该区域的具体着火部位显示在屏幕上。随着人们对火灾初期特征研究和火灾探测技术研究的不断深入，一些发达国家对早期火灾探测报警的研究与产品开发十分重视。早在20世纪80年代，日本、美国、英国、瑞士、德国、澳大利亚等国家就开始投入大量的科研经费、科技力量进行技术研究和产品开发。对于易燃、易爆场所，一旦爆炸起火，火势蔓延速度之快，难以控制等特点，人们开发研制了在火灾爆炸事故之前，从可燃气体浓度方面进行故障和火灾爆炸危险性等方面预测的线型可燃气体探测报警系统。它采用光学原理利用不同气体在光谱特性的差别进行气体浓度探测，从根本上解决了点型可燃气体传感元件中毒、稳定性差、寿命短等缺陷，用于大面积可燃气体探测报警时，性能价格比较高，其原理可扩展用于其他场所气体泄漏的监测，火灾探测报警系统可靠性的提高体现在用智能技术处理传感器提供的火灾信息。人们建立了多种火灾探测算法、模糊逻辑、神经网络模式，也有从事研究非火灾信息上判别火灾增加了难度。于是人们开始探索新型探测原理的传感器件（如气体气味传感器等）和复合探测器，取得显著成效的是对火灾过程的多参数进行监测的复合传感器。它对火灾产生的多种参数进行多种信息的分析，排除干扰，确定火灾，从而提高了判断火灾的准确性。而与之配套的硬件则采用复合多传感等传感方式，为判断火灾提供更加充分的火灾信息。成熟的产品有温、烟复合型智能火灾探测报警系统，并已用于实际工程。本毕业设计采用气敏传感器、单片机实现对空气中烟雾浓度进行实时测量，通过无线传输到主控端显示在LCD液晶显示屏上，并设计了人机对话环节，通过键盘来根据具体情况设定空气中气体浓度的上限值，当检测环境中的气体浓度超过阀值时，通过声音报警功能和发送短信功能，来提示室内主人可能存在的危险情况，如温度未高于阀值，并打开通风风扇来降低危险的发生。而且这一气敏传感器对其他危险气体也有效，可以用于检测煤气、甲烷等气体。目前烟雾报警器的普及率还很低，但它确是今后重要的安全仪器之一。本次设计的装置适用于居民家庭和企业单位对烟雾浓度的实时监控和报警，它可大大降低由烟雾所引起的中毒、火灾、爆炸等事故的发生率。本报警系统的研制，可为广大居民家庭和企业单位、实验室、提供一个准确、可靠的烟雾浓度监测手段，使人们能及时发现烟雾浓度的超标，从而保障了人们的生命和财产安全。1.3、主要介绍的内容本文主要介绍“基于NRF24L01的室内环境质量监测报警系统设计与实现”系统为什么选择该芯片、电路、软件等，及该系统的详细硬件设计、实现原理、各模块功能和主要方案论证。- 4 -第二章 需求分析第二章 需求分析本章将对基于NRF24L01的室内环境质量监测报警系统的需求分析、功能分析和系统的整体结构做个介绍。2.1、系统需求分析室内环境质量监测报警系统就是一个实时检测室内空气质量和温湿度情况是否属于适合人居住生活的报警系统，如不符合人生活的环境设定要求，则发生报警功能。本系统主要由硬件部分组成。根据设计要求，本系统应该主要包括气体浓度检测模块、无线通讯模块、报警模块、显示模块、GSM短信模块、按键模块等。系统检测室内中的气体，当有害气体浓度高于设定值时，发出警报，并通过GSM短信把相应情况发送给管理者。管理者接收到相应信息，做出相应调整，并且如室内温度不高于设定值，烟雾浓度高于阀值时，控制系统会自行打开室内中的通风装置，降低室内中有害气体的浓度。该设备关键时刻还可以当电话使用，能够营造一个良好的室内场所。2.2、功能需求分析根据上一节系统需求分析，本系统应该具有的主要功能模块如下： (1).气体密度检测模块：该模块主要实现检测实验室内空气中有害气体浓度。其中气体包括甲烷、烟雾等；当气体浓度达到设定值时，发出警报。本系统是采用的MQ-2的烟雾传感器测量室内烟雾浓度和DHT11温湿度传感器测量室内温湿度。 (2).无线通讯模块：无线传输模块实现各气体浓度检测模块与主控装置之间的通讯，气体浓度检测模块发送气体浓度指标和主控装置接收其浓度数据。本系统是采用的NRF24L01无线传感器实现的无线数据传输。 (3).报警模块：系统检测到有害气体浓度高于标准值时，发出报警信息，以提示室内人员进行相应室内空气的调整，并将相应情况通过GSM短信发送给管理者的手机上，以提醒管理员。本系统是采用的蜂鸣器实现的报警功能。(4).通风装置模块：系统具有根据烟雾浓度值高于一定标准设定值发送短信和报警的同时，如温度不高于标准设定值，系统会自动打开通风装置；实现自动化控制。本系统是采用的USB风扇实现的简易通风模拟。(5).显示模块：为了更加直观的了解室内空气环境质量和温湿度情况，方便设置功能需要将相应检测情况和设置状况显示在显示屏上。本系统是采用LCD12864液晶显示屏作为主控系统显示器。(6).GSM短信模块：系统具有当蜂鸣器报警的同时，把室内异常环境信息通过GSM模块以短信的形式发送室内管理者的手机上，以提醒管理者及时对该情况做出调整，使室内环境质量保持良好状态。本系统采用的是TC35i型号的GSM模块。(7).按键模块：系统的主控装置需要按键调节设置相应参数，并且参数设置时，需要数字09，还有相应功能按键，常规按键比较麻烦。故本系统采用的是4*4矩阵键盘作为按键。2.3、系统结构框图12864显示模块风扇报警主控MCU短信模块无线接收模块按键模块温湿度传感器无线发送模块主控MCU烟雾1传感器无线发送模块主控MCU无线发送模块烟雾1传感器主控MCU图2.3-1 系统结构框图- 6 -第三章 系统硬件方案第三章 系统硬件方案本章主要对基于NRF24L01的室内环境质量监测报警系统的实际设计，把整体设计分为以下几个部分进行方案设计的比较和论证，使本系统具有高性价比和高可靠性，从而选择了比较并确定合适的设计方案。3.1、微控制器选择微控制器是本系统的核心，它就相当于人的大脑系统，控制着整个系统的正确成功运转，没有它该系统就会瘫痪，如果选择不当也会造成智障、反应速度不够快，会造成系统过慢，当然反应时间过快成本高也是需要考虑的问题，所以微控制器的选择至关重要。方案一：采用FPGA（现场可编辑们列阵）作为系统微控制器。FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大，集成度高，体积小，稳定性好，并且可利用EDA软件进行仿真调试。FPGA采用并行工作方式，提高了系统的处理速度，常用于大规模实时性要求较高的系统。在本设计中，FPGA的高速处理能力得不到充分的发挥。方案二：采用STC89C52单片机作为系统的微控制器。单片机STC89C52的晶振频率为11.0592，有8K的FLASH，3.3v供电，32位可编程并行I/O口，两个十六位可编程定时/计数器，可以自动设置预设初值，具有运行/睡眠方式下的看门狗维护功能。方案三：采用PIC18F4620单片机作为系统的微控制器。PIC18F4620是哈佛结构，以及RISC指令系统单片机，其具有1k RAM,64K FLASH,丰富的I/O口资源，内置A/D,内置EEPROM，看门狗电路，完全能满足我们的系统要求。但是由于其不是主流单片机，比较高，购买不方便，使用不广泛，放弃此方案。方案四：采用增强型51单片机作为系统的微控制器。目前在市面上新款的增强版51具有较多的内部资源，如支持IAP，较大的RAM与ROM，内部集成10位ADC，速度也由原来的12T变为现在1T，管脚也有所增加，晶振频率最高已经支持到40Mhz。对于完成一些简单的控制任务已经是绰绰有余了，并且支持串口，JTAG等流行下载方式，是一般工业设计的首选。方案五：采用ATMEL的AVR单片机作为系统的微控制器。Atmel 公司生产的Mega16L 单片机，具有高性能、低功耗的8 位微处理器，采用先进的RISC 结构。另外还拥有16K 字节的系统可编程Flash，1K 字节的片内SRAM，32 个可编程I/O 口，每个I/O 可直接的驱动SSD1289、XPT2046、VS1003B等芯片。芯片内部集成了SPI 串行总线接口，工作电压在2.7-5.5V 之间，工作于正常模式下的电流为1.1mA，功耗是非常低。该芯片可直接嵌入流行的C/OS-II 的实时操作系统。由第二章需求分析知，主控芯片主要接收和辨识传感器来的信号、读取数据、无线传输数据，显示数据以及各个功能模块的功能实现，这些要求STC89C52芯片作为本系统的微控制器均能实现，又由于它是以上方案中最为经济实惠的，性价比和可靠性均很高。故综上所述，采用方案二，即STC89C52RC作为本系统的微控制器。3.2、显示器选择显示器为本系统提供的显示功能，用户能够更加清晰的了解当前室内环境质量，更改系统参数提供界面，它就像是人的脸面，如果人没有了脸，你就会只知道他是个人，但是不知道他是谁啊，所以显示器作为系统的脸面，使系统更加美观、清晰、可读性强，选择合适的它至关重要。方案一：采用数码管作为系统的显示器。该方案控制最简单，可以通过设置完成制作任务，经济耐用，但是只能显示非常有限的符号和数字，显示不够直观、提供查看信息量少、不易理解等缺点。对于设计中复杂的显示功能显然不能胜任。方案二：采用LED点阵作为系统的显示器。LED具有亮度高、工作电压低、功耗小、小型化、寿命长、耐冲击和性能稳定等优点，所以受到广泛重视而得到迅速发展，LED发展前景极为广阔，目前正朝着更高亮度、更高耐气候性、更高的发光密度、更高的发光均匀性，可靠性、全色化方向发展，随着LED显示屏在广告传媒领域逐渐崭露头角，其控制系统也如雨后春笋，层出不穷。由于它的控制系统均是基于嵌入式微处理器开发的，所以单片机在其中也占有一席之地。但是，由于LED显示屏控制较复杂，特别是对显示特殊效果，如循环移动、覆盖霓虹灯效果，要求处理器运算速度快，执行效率高，所以很多控制生产厂家采用高端嵌入式系统进行设计。这样做虽然能再一定程度上提高数据处理速度，但是并不能完全满足所有显示效果要求，而且开发和产品成本也会随之成倍增加，甚至由于其设计不当可能在显示时出现抖动、闪烁、重影等现象。归根结底，LED显示屏的设计硬件是一方面因素，而且还占用了单片机的太多接口，屏幕小的情况下显示信息量比较少，需要循环显示，占用太多程序资源。方案三：采用LCD1602液晶屏作为系统的显示器。LCD1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形、汉字。1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。市面上字符液晶大多数是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780写的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶。1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧，常用在袖珍式仪表和低功耗应用系统中，显示系统资源占用较少，但是显示信息较少，且不能够显示汉字，这是较大缺点，不符合本项目的要求。方案四：采用LCD12864液晶屏作为系统的显示器。带中文字库的128X64 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12864, 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84 行1616 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。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。与LCD1602一样占用系统资源较少，但是可以显示图画、汉字等且操作简单。LCD12864可以同时显示4行汉字满足本项目需求。由第二章需求分析可知，此系统用到的有字符和汉字显示的功能，LCD12864液晶显示屏拥有友好的人机交互界面及强大的显示功能。特别适用于智能控制的可编程人性化显示，并且液晶显示有功耗低、体积小、重量轻、寿命长、不产生电磁辐射污染等优点。故根据以上情况综合考虑，选择方案四LCD12864液晶屏作为本系统的显示器比较合适。3.3、无线传感器选择无线传感器为本系统提供的远程传输数据功能，避免了多个模块与主控装置之间连接的大量布线，为用户在安装本系统时，不会为产生很多明线反感，影响用户房间的设置环境，用户可以随意放置相应检测模块的位置，并且应该选择低功耗、传输数据稳定、不产生其他干扰等优点的无线传感器，故选择合适的它至关重要。方案一：采用NRF24L01无线传感器作为系统的无线传感器。nRF24L01是由NORDIC生产的工作在2.4GHz2.5GHz的ISM 频段的单片无线收发器芯片。无线收发器包括：频率发生器、增强型“SchockBurst”模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器和解调器。输出功率频道选择和协议的设置可以通过SPI 接口进行设置。几乎可以连接到各种单片机芯片，并完成无线数据传送工作。极低的电流消耗：当工作在发射模式下发射功率为0dBm 时电流消耗为11.3mA ，接收模式时为12.3mA，掉电模式和待机模式下电流消耗更低。对于短距离比较合适，编程不难，功耗低最大值为60mw，在空中传输的速率达到1Mbps。因为它每次最大只能传输32有效字节宽度，所以不适合数据量较大的场合。该芯片价格便宜。通过多次对该无线传输器使用方面的实验，对于NRF24L01的编程及模块原理非常了解。方案二：PTR2000无线传输模块作为系统的无线传感器。无线收发一体数传MODEM模块PTR2000芯片性能优异，在业界居领先水平，它的显著特点是所需外围元件少，因而设计非常方便。该模板块在内部集成了高频接收、PLL合成、FSK调制/解调、参量放大、功率放大、频道切换等功能，因而是目前集成度较高的无线数传产品。以往设计无线数传产品常常需要相当的无线电专业知识和昂贵的专业设备，而且传统的电路方案不是电路太复杂就是调试困难而令人望而却步，以至影响了用户的使用和新产品的开发研制工作。PTR2000的出现，使人们摆脱了传统无线产品设计的困扰。该器件采用抗干扰能力较强的FSK调制/解调方式，其工作频率稳定可靠、外围元件少、功耗极低且便于设计生产，这些优异特性使得PTR2000非常适合于便携及手持产品的设计。另外，由于它采用了低发射功率、高灵敏度设计，因而可满足无线管制的要求且无需使用许可证，是目前低功率无线数传的理想选择。PTR2000的主要特征如下：该器件将接收和发射合接为一体；工作频率为国际通用的数传频段433MHZ；采用FSK调制/解调，可直接进入数据输入/输出，抗干扰能力强，特别适合工业控制场合；采用DDS（直接数据合成）+PLL频率合成技术，因而频率稳定性极好；灵敏度高达105bBm;工作电压低（2.7V），功耗小，接收待机状态电流仅为8A；具有两个频道，可满足需要多信道工作的场合；工作速率最高达20kbit/s(也可在较抵速率下工作，如9600bps);超小体积，约40275mm;可直接与MCU的串口进行连接（如8031），也可以通过MAX232与计算机接口，软件编程非常方便；标准的DIR引脚间距更适合于趼、嵌入式设备。它的应用也极广，包括：单片无线收、发一体无线数传模块PTR2000可广泛用于遥控、遥测、小型无线网络、无线抄表、门禁系统、小区传呼、工业数据采集系统、无线标签、身份识别、非接触RF智能卡、小型无线数据终端、安全防火系统、无线遥控系统、生物信号采集、水文气象控制、机器人控制、无线/230/422/485数据通信、数字音频、数字图像传输等系统。由于采用了低发射功率、高接收灵敏的设计，因此使用时无需申请许可证，开阔地时的使用距离最远可达1000米。PTR2000采用抗干扰能力较强的FSK调制/解调方式，其工作频率稳定可靠、外围元件少、功耗极低且便于设计生产，这些优异特性使得PTR200非常适合于便携及手持产品的设计。另外，由于它采用了低发射功率、高灵敏度设计，因而可满足无线管制的要求且无需使用许可证，是目前低功率无线数传的理想选择。但是由于未使用过，会在以后的实验中，试着尝试使用功能更强大的该模块。由第二章需求分析可知，要通过无线传感器把各个气体传感器的获得的检测值发送到主控模块，实现多个无线模块发射对应一个无线模块接收，从而要对该模块使用相当娴熟才能实现，所以两种方案相较，采用NRF24L01，由于熟练地操作及对其功能了解，故选择NRF24L01。3.4、温湿度传感器选择温湿度传感器为本系统提供室内环境变量的主要检测功能，选择良好的温湿度传感器应该具备检测内容全、灵敏度高、检测范围广、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点，故选择合适的它至关重要。方案一：采用PT100温度传感器作为系统的温度传感器。LM-PT100、LM-PT1000、WD-PT100、WD-PT1000是一种新型的热电阻温度传感器采集模块，利用它可以实现两路现场温度的采集，同时利用其自身的RS485总线串行通信接口可以方便地和环境监控主机或其他工控主机进行联网。工作于-4085(主机范围，不是外接的传感器范围)工业级PT100、PT1000热电阻采集模块，按显示方式分有不带LCD显示的WD系列(WD-PT100、WD-PT1000)和带LCD显示的LM系列(LM-PT100、PT1000)两类。采集温度范围为200+200，显示精度0.1；综合精度0.3。PT100、PT1000热电阻采集模块可通过隔离的485通讯接口与RS485局域控制网组网连接，RS485最多允许32个PT100、PT1000热电阻采集模块挂在同一总线上，但如采用Link-Max的RS485中继器，则可将多达256个PT100、PT1000热电阻采集模块连到同一网络，且最大通信距离为1200m。在将PT100、PT1000热电阻采集模块安装入网前，应对其进行配置，并首先应将模块的波特率与网络的波特率设为一致，同时应分别设置PT100、PT1000热电阻采集模块为不同的地址，防止各PT100、PT1000热电阻采集模块的地址冲突。将PT100、PT1000热电阻采集模块正确连接后，主机发出读数据命令即可使PT100、PT1000热电阻采集模块将数据送回主机。PT100、PT1000热电阻采集模块内的数据每秒钟更新一次，并周期性地更新LCD显示屏的显示数据(仅LM系列)。WD系列用于不需要显示温度的场合，如户外ATM机柜，该系列为DIN导轨安装型外壳。LM系列除可完成温度采集外，还可以预先设置温度的上下限报警值，当环境参数超过该设定值时，机内蜂鸣器立即响起报警声。PT100、PT1000热电阻采集模块是一种具有广泛应用前景的全数字化PT100、PT1000热电阻采集模块，使用该模块可使温度监控变得十分容易，PT100、PT1000热电阻采集模块可接两线制、三线制、四线制PT100、PT1000热电阻，当采用三线四线时，模块可对线阻进行有效地补偿。使电缆的长度不影响采集精度。该模块在环境监控系统、电力系统和工业自动化等领域获得广泛的应用，具有极优的性价比。PT100、PT1000热电阻采集模块还可和LM-8052NET配合，组成TCP/IP的温度采集网络，可实现远程采集温度。方案二：采用DS18B20温度传感器作为系统的温度传感器。DS18B20数字温度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢封装式，型号多种多样，有LTM8877，LTM8874等等。主要根据应用场合的不同而改变其外观。封装后的DS18B20可用于电缆沟测温，高炉水循环测温，锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合。耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。技术性能描述：l 独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。l 测温范围 55+125，固有测温误差0.5。l 支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，最多只能并联8个，实现多点测温，如果数量过多，会使供电电源电压过低，从而造成信号传输的不稳定。l 工作电源: 35V/DC （可以数据线寄生电源）。l 在使用中不需要任何外围元件l 测量结果以912位数字量方式串行传送l 不锈钢保护管直径 6。l 适用于DN1525, DN40DN250各种介质工业管道和狭小空间设备测温。l 标准安装螺纹 M10X1, M12X1.5, G1/2”任选。l PVC电缆直接出线或德式球型接线盒出线,便于与其它电器设备连接。它是一线式数字传感器，具有3引脚TO92小体积封装形式；CPU只需要一根端口线与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。方案三：采用HS1101湿度传感器作为本系统的湿度传感器。HS1101是基于独特工艺设计的电容元件，专利的固态聚合物结构，高精度2%，极好的线性输出，1-99%RH湿度量程，-40到100摄氏度的温度工作范围，响应时间5秒；湿度输出受温度影响极小，5VDC供电，020%RH典型输出11.6VDC，精度：2%RH（120%RH范围），相对于同类产品价格极低，适合用于低湿及露点测量需要的场合，如干燥箱、电缆充气设备中干燥气体湿度，防腐蚀性气体，常温使用无需温度补偿，无需校准，电容与湿度变化0.34pf/%RH，典型值180pf55%RH，长期稳定性及可靠性，年漂移量0.5%RH/年，用HS1101做的频率输出湿度模块，适用于需要精确可靠检测湿度的OEM用户，有很小的易于安装 的接头，可以非常节省成本的机械自动安装。由于它是线性的频率输出湿度检测模块，高可靠性与长时间稳定性，低成本，能到了广泛应用。方案四：采用DHT11数字温湿度传感器作为系统的温湿度传感器。DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式存在OTP内存中，传感器内部在检测型号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，使其成为给类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选择。产品为4针单排引脚封装，连接方便。技术参数：l 供电电压：3.35.5V DC。l 输 出：单总线数字信号。l 测量范围：湿度20-90%RH，温度050。l 测量精度：湿度+-5%RH，温度+-2。l 分 辨 率：湿度1%RH，温度1。l 互 换 性：可完全互换。l 长期稳定性：1%RH/年。同时具有应用领域，包括：暖通空调、测试及检测设备、汽车数据记录器、消费品、自动控制、气象站、家电、湿度调节器、医疗、除湿器等领域。具有的特性包括：相对湿度和温度测量、全部校准、数字输出、卓越的长期稳定性、无需额外部件、超长的信号传输距离、超低能耗、4引脚安装、完全互换等。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。由第二章需求分析可知，该系统是需要检测温度和湿度等环境变量，根据以上方案得，DHT11可以同时测量温度和湿度两个环境变量，并且其他需求参数也基本满足，故选择DHT11温湿度传感器作为测量工具。3.5、烟雾传感器选择烟雾传感器为本系统提供室内环境变量的主要检测功能，选择良好的烟雾传感器应该具备检测内容全、灵敏度高、检测范围广、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点，故选择合适的它至关重要。方案一：采用MQ-2型烟雾传感器作为系统的烟雾传感器。MQ-2气体传感器所采用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。MQ-2气体传感器对液化气、丙烷、氢气的灵敏度高，对天然气和其它可燃蒸汽的检测也很理想。这种传感器可检测多种可燃性气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。主要特点及应用包括：在较宽的浓度范围内对可燃气体有良好的灵敏度、对液化气和丙烷和氢气的灵敏度较高、长寿命、低成本、简单的驱动电路即可、家庭用气体泄漏报警器、工业用可燃气体报警器、便携式气体检测器等。根据它的技术参数可知MQ-2型气敏传感器能够在常温环境中对烟雾气体浓度进行检测并不需要做温度补偿，它是由微型AL2O3陶瓷管、SnO2敏感层，测量电极和加热器构成的敏感元件制成的半导体传感器。将烟雾浓度有关的信息转换成电信号，从而可以进行检测、监控、报警；还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和报警系统。方案二：采用集成温度传感器AD590和气体传感器TGS202用作采集系统的敏感元件作为系统的烟雾传感器。AD590是美国Analog Devices公司生产的一种电流型二端温度传感器。由于AD590是电流型温度传感器，它的输入同绝对温度成正比，即1uA/k，而数模转换芯片ADC0809的输入要求是电压量，所以在AD590的负极接出一个10k的电阻R1和一个100的可调电阻W，将电流量变成为电压量送入ADC0809。通过调节电阻，便可在输出端VT获得与绝对温度成正比的电压量，即10mV/K。火灾中气体烟雾主要是CO2和CO。TGS202气体传感器能探测CO2和CO，甲烷、煤气等多种气体，它灵敏度高，稳定性好，适合于火灾中气体的探测。当TGS202探测到CO2或CO时，传感器的内阻变小，VA迅速上升。选择适当的电阻阻值，使得当气体浓度达到一定程度（如CO浓度达到0.06%）时，VA端获得适当的电压（设为3V）。由第二章需求分析知，需要多个烟雾传感器进行同时测量，MQ-2型烟雾传感器和“集成温度传感器AD590和气体传感器TGS202用作采集系统的敏感元件”想比，电路简单、操作容易，性价比高，功能基本相同。MQ-2型烟雾传感器满足系统要求，故选择MQ-2型烟雾传感器。3.6、GSM短信模块选择GSM短信模块为本系统提供的短信发送功能，在报警的同时把室内相应情况以短信的形式发送到室内管理者，以提醒其管理者尽快做出反应。应该选择抗干扰性强、信号稳定、重量轻、低功耗等优点的GSM短信模块，故选择合适的它至关重要。方案一：TC35I短信模块作为系统的GSM短信模块。TC35i新版西门子工业GSM模块是一个支持中文短信息的工业级GSM模块，工作在EGSM900和GSM1800双频段，电源范围为直流3.34.8V ，电流消耗休眠状态为3.5mA，空闲状态为25mA，发射状态为300mA(平均)，2.5A峰值；可传输语音和数据信号, 功耗在EGSM900(4类)和GSM1800(1类)分别为2W和1W ,通过接口连接器和天线连接器分别连接SIM卡读卡器和天线。SIM电压为3V/1.8V，TC35i的数据接口(CMOS电平)通过AT命令可双向传输指令和数据,可选波特率为300b/s115kb/s , 自动波特率为1.2kb/s115kb/s。它支持Text和PDU格式的SMS(Short Message Service,短消息),可通过AT命令或关断信号实现