毕业设计（论文）-基于GPRS扬尘及噪声远程监测系统.doc

淮阴工学院毕业设计说明书（论文）第 78 页 共 78 页1 绪论在建筑工地上，噪声及扬尘对人的健康危害巨大，因此需要严加监控。在建筑工地噪声的危害主要有以下三种：1、职业性耳聋：呈浙进性听力减退，直到两耳轰鸣和听觉失灵。2、爆炸性耳聋：是指一次高强度的噪声，引起的听觉损伤，表现为鼓膜损伤，以及拌有脑震荡等。3、噪声对人及其他系统的影响，除上述影响外还可能引起植物神经紊乱，胃肠功能紊乱等。噪声可以引起听力减退，此种减退是渐进性的，人初期进入噪声环境中，常感到听力减退、烦恼、难受、耳鸣等，少数人可能有前庭症状，如眩晕、恶心或呕吐，这些症状在脱离噪声环境后即可缓解或消除，上述症状又复出现且随时间的延长症状加重，逐渐出现听觉疲劳，如两耳轰鸣、听觉失灵、发生听力丧失，成为噪声聋。全套设计加扣 3012250582 噪声除影响听力减退外，还可能引起高血压、心脏病等，噪声还会分散人们的注意力，所以往往造成各种意外事故的根源。 工地粉尘的危害，即工地上的PM2.5的危害，PM2.5的危害实际上颗粒物对健康的影响，本质上讲是颗粒物表面吸附的各种化学物质对健康的影响，比如吸附了致癌物就有致癌效应，吸附了二恶英就有生殖危害，要是吸附了重金属就有重金属的危害，关键是要看吸附了什么东西。“PM2.5对人体的伤害是一个长期过程，它的影响不是一两天或几个月就可以表现出来的。首都医科大学附属北京朝阳医院呼吸与危重症医学科王臻教授透露，PM2.5对呼吸系统的影响最直接。每到冬季灰霾天，医院呼吸科门诊的就诊量就会明显增加。相反，一场大雪过后，医院里不仅感冒患者减少，许多有呼吸系统疾病的患者病情也有不同程度的缓解。这是因为下雪会过滤可吸入颗粒，起到净化空气的作用，所以大家通常都会觉得雪后的空气尤其清新。 另外，附着了重金属和多种致病菌的有害颗粒进入人体后，可以通过人体的循环系统渗入血液，对包括心脏、血管在内的器官造成损害。1.1 课题研究的背景及意义 传统建筑工地扬尘及噪声监控系统主要采用有线通信技术(串行总线技术、现场总线技术等)进行通信。这种系统虽然具有设备互操作性好、抗干扰能力强等优点，但存在稳定性差、可靠性低、部署困难、扩展不灵活、安装及运行维护成本高等不足，从而极大地限制了其在建筑工地检测的推广应用。基于GPRS的建筑工地扬尘及噪声监控系统具有精度高、能耗小、经济性好、安装方便、扩展灵活、稳定性与可靠性强等优点，可以有效克服传统建筑工地扬尘及噪声监控系统的各种缺陷，实现扬尘及噪声内的实时、精确、远程和自动监控，满足建筑工地检测的不间断性的需求。1.2 无线数据传输技术现状及其发展趋势 随着我国经济水平的逐渐提高，无线通信技术在人们生活中的应用越来越普遍，无线通信技术的广泛应用，不仅便捷了人们生活中的沟通，而且也促进了通信技术的逐步更新。随着时代的逐步发展，现代无线技术面临着新的要求和挑战,现状分析及其发展前景,以便实现现代无线通信技术发展的科学化、创新化。随着科学技术水平的逐步提高，无线通信技术也在不断地更新，与以往的通信技术相比，无论在技术水平还是应用方式上,现代无线通信技术都有了新的转变与突破。1.2.1 无线通信技术的现状分析 （1）20年代初到50年代初为无线通信技术发展的第一阶段，此时，无线通信技术主要应为了满足军用的需要，它主采用的技术存在一定局限性，因此，它的传输不仅受客观条件的制约，同时也没有达到最初的传输速率。 （2）50年代到60年代为通信技术的第二阶段，此时，通信设备器件已被应用于移动环境的专用系统中，并实现了从半导体器件技术的过度，这在无形中解决了通信技术中安装公用电话网的问题，同时实现了公用电话与移动电话的持续性。 （3）70年代初到80年代初为通信技术的第三阶段，此时，不仅扩展了通信技术的频段，同时也制造出第一代的通信技术系统，并根据贝尔实验室所提出的蜂窝移动网理论，研制出新的实验系统。 （4）80年代到90年代为通信技术的第四阶，此时，在通信领域中，继第一代数字移动通信兴起后，出现了第二代的数字移动通信，这些都在无形中促进了各类电信系统的正常运行。 （5）90年代后至今为通信技术的第五阶段，此时，第三代的移动通信技术已逐步兴起，这不仅满足了通信技术逐步发展的需要，同时也促使了移动通信与多媒体运转的结合，随着全球化标准的制定，无线通信技术仍有待于实现多样化与创新化。1.2.2 现代通信技术的发展前景 实现未来无线网络趋势的融合体根据目前无线通信的发展现状，不同接入网为了满足不同应用场合的需要，而移动通信网与不同范围存在着一定的互补性，由此可见，LTE技术将成为无线通信技术的主导，而促使通信技术与计算机的融合体，这样，不仅提高了网络环境的检测，同时也在一定程度上了减少了不同用户间通信的干涉。可见，实现未来无线网络的融合体是现代无线通信技术的发展趋势。由于不同通信技术的接入方式不同，因此，不同通信技术在使用范围、覆盖面、接入速度等方面都存在着一定的差异性，例如，WLAN所解决的是距离中数据传输的问题，3G是为了实现移动漫游中的需要。因此，为了促使无线通信技术发展的多元化，应适时提高无线通信技术之间的互补性，以便促进现代无线通信技术的开发与发展。由于不同行业对无线通信技术的需要不同。因此，应将无线通信技术与其它学科有效的链接，以便满足不同用户对无线通信技术的需求，这在无形中实现了无线通信技术的跨行发展，并且要适时实现无线通信技术的创新化，以便促进现代无线通信技术的改革与完善。1.3 本课题的主要工作及要求本文是基于GPRS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下限，如果超出警戒值则启动相应的装置以调节工地参数，使传感器采集的值在阈值范围内。（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，通过中国手机移动基站、Internet网络传输到上位机。（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，制作PCB图。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2.1 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ZigbeeGPRS网关，再通过中国手机GPRS基站、Internet网络传输到上位机，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，比如扬尘浓度升高，则通过继电器打开风扇；分贝值过高则打开报警灯等等。2.2 无线传感网络图本系统主要由无线传感器网络节点（负责采集城市工地节点附近的扬尘噪声等数据，当数据超出阈值可启动相应的调节设备）、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（对上传的数据进行数据融合并直观显示数据）等几部分组成。基于GPRS扬尘噪声远程监控系统完全能够满足对工地环境参数的实时监控要求。同时，由于在工地上内安装无线传感器网络时节点位置可灵活控制，又利用太阳能电池，可对节点进行充电，当电池电量低时，又可对其进行更换电池，或者直接利用稳压电源，从而可以保证整个网络系统长时间无障碍工作。该系统的设计非常简单,其网络结构图如图2-1 所示。COMWAY WG-8010 GPRS DTU远程计算机无线传感器节点.监控工地InternetGPRS基站近程计算机ZIGBEE网关GPRS-ZIGBEE网关 图2-1 城市工地扬尘噪声远程监控系统网络结构3 无线传感器节点在各节点上，本设计可采用9V直流电源供电或者采用太阳能电池或者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，维持整个监控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，启动相应的控制模块开关。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。节点模块无线传感器节点图如图3-1所示。 扬尘传感器SLPD-D01串口噪声传感器Loudness控制模块 80C51微处理器存储器土壤温湿度传感器STH10无线通信模块ZigBee射频芯片CC2530模块A/D转换器数据采集模块 扬尘传感器SLPD-D01Sensor传感器GP2Y1050AU0F电 源 模 块太阳能电板充电锂电池或稳压电源电源电压转换电路风扇图3-1 无线传感器网络节点3.1 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。整个系统的电源管理电路框图如图3-2所示。锂电池+3.3V稳压电路报警电路、继电器模块、传输指示灯电路、复位电路供电+5V稳压电源Loudness、SLPD-D01传感器模块供电太阳能电板、保护电路（天晴）；稳压模块（天暗）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，并与XB5351一起对太阳能起过冲保护作用，TYN接太阳能电池板板，IN5815起到稳定电流作用，9V，接两节锂电池或者由9V直流电源直接供电。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。电路中存在的交流分量会影响到电路的稳定性，而经过电容滤波电路后，即可保留直流分量，又可滤掉一部分交流分量，改变了交直流分量的比例，减小了电路的脉动系数，改善了直流电压的质量。对于脉动直流电中的交流成分，旁路电容C相当于短路，交流量经过电容，而不经过负载，负载被电容短路。对于脉动直流电中的直流成分，旁路电容C相当于开路，直流量不能通过电容，而加在负载上，从而达到了滤除脉动直流电中交流成分的目的。10uf电容滤除低频干扰，0.1uf电容滤除高频干扰。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XB5351 XB5351系列产品是高集成度的锂电池保护解决方案。 XB5351集成了先进的功率管，高精度电压检测和延迟电路。 XB5351为SOT23-5L的封装形式，并且只需要一个外围器件，非常适合用于空间有限的电池保护板应用，特别是一些超薄应用。 XB5351具有过充保护，过放保护，过流保护、短路保护和支持反接等完整的锂电池保护功能，并且具有非常小的工作电流，可以延长电池的寿命。主要技术参数如下有：反接保护功能；集成先进的54mRDS(ON)功率管； 电压检测精度50mV；只需要一个外置电容；过温保护功能；过充电流保护功能；两段电流保护功能；过流保护；短路保护；充电检测功能；0V电池充电功能；内部设定延迟时间；3.0uA的工作电流；0.1uA的关机耗电流；SOT23-5L的封装。XB5351A引脚图如图3-5所示。3.1.3 肖特基二极管IN5819 封装：DO-41（如图3-6） 正向平均电流：1A 反向峰值电压：40V 反向漏电流：1mA 正向压降：0.6V 正向不重复峰值电流（浪涌电流）：30A结（极间）电容: 55pF图3-6 IN5819实物与封装它是一种低功耗、超高速半导体器件，广泛应用于开关电源、变频器、驱动器等电路，作高频、低压、大电流整流二极管、续流二极管、保护二极管使用，或在微波通信等电路中作整流二极管、小信号检波二极管使用。3.1.4 L7805介绍本设计采用9V可充电锂电池供电，该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、3脚为电压输出端，2接地端，3接输出端。L7805引脚如图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 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。3.2 CC2530模块3.2.1 CC2530芯片引脚 CC2530芯片共包含了40个引脚，引脚的排布如图3-9所示。CC2530是集合型芯片，所以其本身就有40个引脚。 图3-9 CC2530引脚顶视图3.2.2 CC2530模块简介CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能，业界标准的增强型8051CPU，系统内可编程闪存，8-KBRAM 和许多其他强大的功能。 （1） RF/布局功能：适应2.4-GHz IEEE 802.15.4 的RF 收发器；极高的接收灵敏度和抗干扰性能；可编程的输出功率高达4.5 dBm；只需极少的外接元件；只需一个晶振，即可满足网状网络系统需要；6-mm 6-mm 的QFN40 封装；适合系统配置符合世界范围的无线电频率法规。 （2） 具有低功耗优点：主动模式RX（24 mA）；主动模式TX 在1dBm（CPU 空闲）29mA；供电模式1（2 mA）；供电模式21 A；供电模式3（外部中断）0.4 A；宽电源电压范围（2 V3.6 V）。 （3） 微控制器功能：优良的性能和具有代码预取功能的低功耗8051（CPU）微控制器内核；32KB、64KB或128-KB的系统内可编程闪存；8KB-RAM，具备在各种供电方式下的数据保持能力；支持硬件调试。 （4） 外设部分：强大的5 通道DMA；IEEE 802.5.4 MAC定时器，通用定时器（一个16位定时器，一个8位定时器）；IR 发生电路；具有捕获功能的32-kHz 睡眠定时器；硬件支持CSMA/CA；支持精确的数字化RSSI/LQI；电池监视器和温度传感器；具有8 路输入和可配置分辨率的12 位ADC；AES安全协处理器；2 个支持多种串行通信协议的强大USART；21个通用I/O引脚（194 mA，220 mA）；看门狗定时器。3.2.3 CC2530芯片模块说明CC2530芯片模块大致可以分为三类：CPU和内存相关的模块；外设、时钟和电源管理相关的模块以及无线电相关的模块。 （1） CPU 和内存：CC253x芯片系列中使用的8051CPU内核是一个单周期的8051兼容内核。 （2） 调试接口：执行一个专有的两线串行接口，用于内电路调试。 （3） I/O控制器：负责所有通用I/O引脚。 （4） 五通道DMA控制器：系统可以使用一个多功能的五通道DMA控制器，使用XDATA存储空间访问存储器，因此能够访问所有物理存储器。 （5） 定时器1：是一个16位定时器，具有定时器PWM功能。 （6） 内置MAC定时器：是专门为支持IEEE 802.15.4，MAC或软件中其他时槽的协议设计。 （7） 定时器3和定时器4：是8位定时器，具有定时器/计数器/PWM功能。 （8） 睡眠定时器：是一个超低功耗的定时器，计算32kHz晶振或32 kHz RC振荡器的周期。 （9） 看门狗：一个内置的看门狗，允许CC2530在固件挂起的情况下复位自身。具体功能框图见图3-10。图3-10 CC2530模块框图3.2.4 CC2530引脚介绍引脚介绍如图3-11。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1.0-20mA 驱动能力P1_19数字I/O端口1.1-20mA 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3-11 CC2530引脚介绍3.2.5 CC2530模块典型接法电路图，底板电路图与典型接法实物图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3-12、图3-13、图3-14所示。图3-12 CC2530的模块电路图图3-13 CC2530底板插口图 上图中间2个接插口，插入CC2530模块，最左最右边的分别接双排插针，用于扩展底板功能。图3-14 CC253O的节点实物图3.2.6 CC2530其他介绍 除了上面所含的高级功能，CC2530内部还安置了RF无线收发器等，还有CC2530芯片的运行坏境温度和供电电压。 （1）无线设备 CC2530具有一个IEEE 802.15.4兼容无线收发器。RF内核控制模拟无线模块。另外，它提供了MCU和无线设备之间的一个接口，这使得可以发出命令，读取状态，自动操作和确定无线设备事件的顺序。无线设备还包括一个数据包过滤和地址识别模块。（2）运行条件 CC2530在良好的环境中运行才能达到最好的效果，其环境参数如表3-1。表3-1 CC2530环境参数最大值最小值单位运行环境温度125-40运行供电电压3.62V3.3 复位电路模块 CC2530为低电平复位。该电路主要完成系统的上电复位和系统运行时用户的按键复位功能，有助于用户调试程序。复位电路的基本功能是系统上电时提供复位信号直至系统电源稳定后撤销复位。信号为可靠起见电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。复位电路如图3-15所示。图3-15 复位电路（低电平复位） RESET_LN脚在CC2530芯片上的引脚号为 20，复位时活动到低电平。 上电复位的情况：通电瞬间电容可以当短路，所以RESET_LN脚为低电平。随着时间的飞逝（电容充电），稳定后+3.3V的电压实际上是加在电容C1上的。电容上极板也就是RESET_LN脚最终为高电平。这样，引脚RESET_LN持续一段低电平后，最终稳定在高电平，低电平持续时间由RC时间常数决定。按键按下去就相当于上电那一瞬，让电容短路。3.4 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）具有为后续电路功能测量提供电力供应的功能，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 扬尘传感器SLPD-D01一、产品特点l (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。l (2)RS232-TTL 数字量输出。l (3)自有软件校准功能，调试简单、高效。l (4)粒子计数原理、数字量输出、应用简单。l (5)可灵敏检测直径 1m 以上的粒子。l (6)内置加热器形成恒定气流，可实现自动吸入空气。l (7)紧凑外形，质量轻（W59xH45XD17.2 mm 26g）。l (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。在传感器IRLED和一个图像传感器光轴相交，当带粉尘的气流通过交叉区域产生反射光。图像传感器检测到粉尘反射的IRLED光线，根据输出的强弱经过内调制电路及MCU运算系统直接输出判断粉尘浓度的数字信号，此款传感器能灵敏检测直径1.0m以上的粒子，像香烟大小颗粒物与室内灰尘等大颗粒，通过内置微处理器 MCU 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。 检测和应用领域：l （1）空气净化器、空气清新机。l （2）家用电器、空调、暖通空调、新风机。 （3）空气中粉尘监测，室内空气质量监控。l （4）通风系统、烟雾报警或其它粉尘监控设备探测部件。l （5）作为非计量性仪器仪表探测部件 （注意：本产品不作为需要极高的可靠性、安全性，精密的设备和计量仪器部件）。3、 电气参数电气参数见表3-2.表3-2 SLPD-D01电气参数编号参数技术条件1电源电压DC5V5% （ CN1： Pin1=GND, Pin3=+5V ）2功耗90mA 10%3工作温、湿度-1045、95% RH 以下（无结露）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5500g/m7信号输出RS232-TTL 输出，单位 g/m8尺寸W59 x H45 x D17.2 （mm）9重量约 26g10测定开始时间电源启动后约 1 分钟（电阻的温度稳定时间）四、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； （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SLPD-D01引脚定义见表3-3。 表3-3 SLPD-D01引脚定义序号名称引脚描述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）（1）通信串口配置：波特率：96OObps数据长度：8 位数据位，1 位停止位，无奇偶校验。（2）数据包格式模块每隔 23 秒自动发送数据包，格式定义见表3-4。表3-4 数据包格式设备标识符数据长度命令浓度数据高字节浓度数据低字节校验字节0x160x03OxO2OxO10xBB0xXX说明： 1）数据长度为命令字节+浓度数据高、低字节的长度； 2）浓度值=浓度数据高字节 x256+浓度数据低字节； 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。（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3-16所示。图3-16 PWM输出波形七、安装说明 （1）请把传感器安装在设备的内部，并遮盖清洁孔，以减少干扰光的影响。（2）安装后保证“进气口”与“出气口”通畅。（3）保证传感器垂直安装（误差小于5）。 （4）请不要安装在有强气流流通的通道里。 （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。 （6）器件不能在潮湿的水汽环境下工作，请在设计产品时，确保检测区域不能有水汽情况发生。（7）如果器件安装在靠近电器噪声源，传感器输出可能会被噪声源的感应噪声干扰。请在设计产品时，考虑噪声源对传感器输出的影响。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3-17、图3-18所示。 图3-17 SLPD-D01电路框图 图3-18 SLPD-D01实物图9、 内部框图与封装尺寸图 扬尘传感器SLPD-D01的内部框图及封装尺寸图如图3-19及图3-20所示。 图3-19 SLPD-D01内部框图 图3-20封装尺寸图 SK二代SLPD-D01数字输出PM2.5灰尘传感器与行业产品对比 SK二代SLPD-D01数字输出PM2.5灰尘传感器与行业产品对比见表3-5。表3-5 SK二代SLPD-D01数字输出PM2.5灰尘传感器与行业产品对比项目SK二代SLPD-D01日本神荣GE夏普GP2Y1010AU0F输出信号数字输出TTL232串口输出、PWM通讯输出模似信号输出，用户做算法模似信号输出，用户做算法模似信号输出，用户做算法发射传感器连续发射IR LED光源连续发射IR LED光源连续发射IR LED光源脉冲调制IR LED光源接收传感器光电三极管，采用光谱滤波，减少杂散光干扰光电二极管，没有光谱滤波光电二极管，没有光谱滤波光电二极管，没有光谱滤波电源稳定电源控制（3.3V5V）不易受干扰5V直接输入，容易受干扰5V直接输入，容易受干扰5V直接输入，容易受干扰空气气流有加热电阻，气流自动流动有加热电阻，气流自动流动有加热电阻，气流自动流动无加热电阻，需外加风扇形成气流输出浓度范围0500g/m低脉冲占空比/30秒低脉冲占空比/30秒低脉冲占空比/30秒3.4.3 噪声传感器Loudness该传感器信号采用模拟电压输出方式；具有精度高，可靠性高，一致性好，带有温度补偿，长期稳定性好，成本低等特点，有广泛的应用领域。其实物图和应用电路图,以及内部电路图分别如图3-21、图3-22、图3-23所示。 图3-21 Loudness电路框图 图3-22 Loudness实物图图3-23 Loudness内部电路图 Loudness功能描述 能检测声音大小，是否有声音，口哨声，可检测分贝。但不能识别特殊频率。 Loudness特点 (1)能直接输出线性模拟量，AD采集的时候，就更加方便了，解决了很多客户，直接采集波形的痛苦。也可以直接作为分贝传感器使用。 (2)灵敏度高，在封闭环境中，正常说话10米内可以检测到。 (3)电压范围宽，本次设计的模块，电源范围可从5V-5.5V。 (4)检测到有声音后输出0，没有声音输出1，灵敏度可以通过电位器调节，顺时针大，反时针小。 Loudness主芯片Loudness的主芯片是LM358放大器。LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。LM358的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。 Loudness引脚定义Loudness引脚定义见表3-6。 表3-6 Loudness引脚定义序号名称引脚描述1GND地2VCC电源输入,范围: 5V-5.5V3DO数字量输出，0或者VCC4AO传感器模拟输出（范围：0.05V -（VCC-1.7）3.5 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。在P15通过一个上拉电阻接1个红色的LED，用于控制并提示噪声是否超出范围。电路图如图3-24所示。图3-24 LED传输显示及报警模块电路图3.6 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。本设计采用SONGLE(松乐继电器)与LYF的12V3线风扇。节点上的控制部分，外部控制电路如图3-25、图3-26所示，控制模块实物图如图3-27示。 图3-25 节点上的控制部分 图3-26 外部控制电路图3-27 控制模块实物图3.6.1 SONGLE(松乐继电器)当继电器线圈的电压或电流达到一定值时，衔铁吸合，使常开触点闭合，触点回路接通；当线圈电压 或电流 逐渐减小到一定值时，衔铁释放，常开触点也随之断开，触点回路被切断。电磁继电器利用线圈中的电压或电流来控制触点回路的电压或电流，当线圈中的电信号变化到一定值时，触点回路的电信号呈现阶跃式的变化（由继电器 变至继电器 ）。这种特性称为继电器的继电特性，也称继电器的输入-输出特性。松乐继电器的实物与封装信息见图3-28及图3-29。 图3-28 松乐继电器实物 图3-29 松乐继电器封装信息3.6.2 LYF风扇 12V LYF小功率直流电机（12V直流风扇），内置微型逆变电路，可以产生三相、或四相电源，推动转子转动。这种电机噪音低、无火化干扰、寿命长，在电子设备中（如CPU风扇、机箱风扇、电源风扇等）被广泛应用。 实物图见图3-30。 图3-30 LYF风扇实物图3.7 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3-31、图3-32所示。图3-31 无线传感器节点总体电路图图3-32 无线传感器节点总体实物图4 网关 网关(Gateway)又称网间连接器、协议转换器。是用于提供协议转换、路由选择、数据交换等网络兼容功能的设施。网关在传输层上实现网络互连，是最复杂的网络互连设备，仅用于两个高层协议不同的网络互连。4.1 Zigbee网关4.1.1 ZigBee技术由IEEE802.15.4无线工作小组制定的Zigbee技术标准是一种介于蓝牙技术与无线标记技术间的方案,是一种新兴起的低速率、短距离的用于近距离无线连接的网络通信技术。其核心部件CC2530具有21个I/O 口，它们分别于传感器接口、SPI存储器及在线仿真器连接。系统时钟由32MHz 晶振提供；系统休眠所用时钟由32kHz无源晶振提供； 复位按键与RESET 连接，可实现硬件复位，初始化系统。传感器与CC2530接口采用插针的方式连接。为实现对I/O 接口的高效利用，设计中有部分I/O进行了复用，复用后最多可以有6路A/D以及9 路GPIO供采集多路模拟溶解氧传感器模拟信号和数字传感器信号使用，可以根据实际需要挂接不同类型的传感器，极大提高了该硬件平台的可扩展性和灵活性。处理模块接收数据时，先将传感器采集的数据存放在收发电路的先进先出缓存中，数据接收完后以DMA方式将收发缓存中的数据输入到CC2530指定的存储区。发送数据时以DMA方式将需要发送的数据送到RF的FIFO，再通过CC2530无线模块发送。4.1.2 ZigBee网关电源 ZigBee网关电源部分采用直流电源插头，输出直流5V电压。输出的5V直流电压再通过AMS1117转化为3.3V电压，给Zigbee网关上的CC2530，调试下载程序电路，以及TTL转RS232电路供电。D3的作用防止接反。10uf电容用于去除低频干扰，0.1uf电容用于去除高频干扰并去耦。电路框图及电路原理图如图4-1及图4-2所示。调试下载程序电路、TTL转RS232电路、CC2530等3.3V直流电压5V直流电压直流电源转换插头220V交流电压 图4-1 ZigBee网关电源电路框图 图4-2 ZigBee网关电源电路原理图4.1.3 CC2530模块ZIGBEE网关上的CC2530模块主要用于数据的传输。简介见3.2。4.1.4 复位电路低电平复位，功能介绍与电路图见3.3。4.1.5 MAX232转TTL电路MAX232是一种双组驱动器/接收器，片内含有一个电容性电压发生器以便在单5V电源供电时提供EIA/TIA-232-E电平。典型的RS-232信号在正负电平之间摆动，在发送数据时，发送端驱动器输出正电平在+5+15V，负电平在-5-15V电平。当无数据传输时，线上为TTL，从开始传送数据到结束，线上电平从TTL电平到RS-232电平再返回TTL电平。电容可以取0.1uF到10uF、左右的电容，有极性无极性均可，但是使用有极性的电容一定注意正负方向。MAX232主要特点有单5V电源工作、两个驱动器、两个接收器、+30V输入电平、低电源电流（8mA）。MAX232的不足之处：接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与TTL电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL电路连接；传输速率较低，在异步传输时，波特率最大为19200bps；接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，这种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱；传输距离受限。MAX232 是用来做电平转换的，标准RS-232电平很高，达正负12V。常用的TTL电平最高 5V。相互连接的话，必须进行电平转换，由于电脑串口输出电压高达12V，直接与单片机连接会烧坏芯片。所以用MAX232来进行电平转换。如图MAX232芯片采用单+5V电源供电，仅需几个外接电容即可完成从TTL到RS232电平的转换，共两路。其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DP9插头；DP9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。 图4-3是模块与PC间通信最有力的电路。 它通过COMPIM中的2（RXD）、3（TXD）与电脑相连，进行数据间的交换。而MAX232引脚中的11（T1IN）、12（R1OUT）与对应的CC2530芯片中的17（P0_2 TXDD）、16（P0_3 RXDD）通信。 C6,C7,C8,C9,C10作用是滤波与去耦。PC机的串口TX,RX通过RS232接头，联接到SP3232EEN的T1OUT,R1IN。转为电平后通过R1OUT,T1IN输给CC2530的RX,TX。电路如图4-3及图4-4所示。 图4-3 MAX232转TTL电路 图4-4 232插口电路4.1.6调试下载程序接口电路DEBUG_J的作用是连接编程器，对CC2530下载程序和在线调试。电路图如图4-5所示。图4-5 调试下载程序接口电路4.1.7指示灯电路 P11,R27,D1，P10,R28.D2组成组网指示灯。当接能电源正常工作时，D1，D2一亮一灭表示组网成功，节点正在传输数据。 因为CC2530的P10,P11口具有20mA输出驱动能力，因此用此二口共阴驱动LED。指示灯电路如图4-6及图4-7所示。 图4-6 组网灯电路1 图4-7 组网灯电路24.1.8试验电路 R12,KEY1,P1.7组成试验电路，当KEY1按下时，P1.7输入低电位，中断触发试验程序，向节点发送一组数据用来测试。电路如图4-8所示。 图4-8 试验电路4.1.9 Zigbee网关总体电路与实物图图4-9 Zigbee网关总体电路图图4-10 Zigbee网关实物图4.2 Zigbee-GPRS 网关 在上述设计的Zigbee网关的基础上我们给其加上一个GPRS DTU装置，又制作出新的Zigbee-GPRS网关。通过公对公交叉串口线与COMWAY WG-8010 GPRS DTU相连，数据经Zigbee-GPRS网关，实现数据的远程通讯。Zigbee-GPRS网关实物图如图4-11所示。图4-11 Zigbee-GPRS网关实物图4.2.1 WG8010 GPRS DTU的简介WG8010 GPRS DTU内部自带的GPRS模块，只需要完成1次初始化配置后，它可以通过GPRS网络以及Internet网络实现用户设备和服务器的连接功能，从而实现数据传输。本设计采用RS232数据接口，WG-8010 GPRS DTU实物图如图4-13所示。4.2.2 GPRS DTU工作原理DTU与服务器之间的通信是由客户端发起的，服务器端通过发回反馈或接受通信来对DTU端做出响应。DTU端与服务器端共同组成了基于GPRS和INTERNET网络通信的应用系统。相比DTU端，服务器端安装有更为复杂的应用程序，能够接受任何DTU端发起的通信请求，并时刻检测链路中的通信状态，从而实现实时数据采集、数据库服务等应用。DTU端需要预先知道服务器端的IP地址和端口号，然后才能发起通信请求，而一旦通信建立，服务器端和DTU端就没有区别了。服务器的IP地址既可以是公网IP（固定IP）也可以是通过域名解析服务器获取的动态域名。服务器的端口号通常对应于服务器中运行的特定应用程序，如端口号TCP 21被FTP