【隧道施工环境监测系统的硬件和软件设计案例4100字】

隧道施工环境监测系统的硬件和软件设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u11669隧道施工环境监测系统的硬件和软件设计案例 120782第1章硬件组件的电路连接和配置 1305441.1JDY-24M配置 1219711.2副板UNO-1组件 4318731.3副板UNO-2组件 5253501.4主板Mega2560及SPI显示组件 7318091.5节点各模块装配布线 829917第2章开发环境及相关检测程序设计 9322692.1开发环境介绍 924702.2配置ArduinoIDE 9124962.3汇聚节点1检测程序的设计（副板UNO-1） 10243552.1.1温湿度、粉尘检测程序的设计 1091252.1.2温湿度、粉尘超标报警程序的设计 12304322.4汇聚节点2检测程序的设计（副板UNO-2） 13116092.5主板ArduinoMega2560显示模块程序的设计 14第1章硬件组件的电路连接和配置1.1JDY-24M配置使用USB转TTL刷机板连接JDY-24M蓝牙模块实现串口通信，将刷机板与JDY-24M输入输出反接，由于JDY-24M工作电压在1.3-6V，刷机板工作电压为5V，适配于JDY-24M，故将刷机板与JDY-24M的接地口（GND）、VCC正接后，连接电脑的COM3串口实现串口通信。图图1.1蓝牙JDY-24M与刷机板连接示意图使用串口调试工具，将串口选为COM3，查阅JDY-24M手册可知波特率为9600，故在串口调试工具中将波特率设置为9600。将串口打开，使用AT指令确认JDY-24M是否正常工作，使用AT+NAME指令将三个蓝牙模块分别命名为TEMP、TEMP-1、TEMP-2，使用AT-STAT指令查询三个蓝牙模块的连接状态，显示为0，代表当前处于未连接状态。图1.图1.2主机TEMP参数设置图图1.3从机TEMP-1参数设置图图1.4从机TEMP-2参数设置使用AT-ROLE1指令将TEMP设置为主机，使用AT-ROLE0指令将TEMP-1和TEMP-2设置为从机，将TEMP、TEMP-1、TEMP-2同时连接于电脑串口上，对主机TEMP使用AT-INQ指令进行主机扫描得到蓝牙模块TEMP-1和TEMP-2的MAC物理地址分别为1189D2900FBB、1189D2900FD4,使用AT-BAND1189D2900FBB、AT+BAND1189D2900FD4指令将从机TEMP-1、TEMP-2与主机TEMP组网。 图图1.5主机与从机组网1.2副板UNO-1组件汇聚节点1如图1.7所示，由（1）副板ArduinoUNO-1开发板、（2）有源高电平触发蜂鸣器、（4）蓝牙模块JDY-24M、（6）9V便携式电源以及传感器节点，如：（3）温湿度检测模块（DHT11）、（5）粉尘检测模块（GP2Y10）组成。图1.图1.7副板UNO-1组件实物图使用跳线将（2）有源高电平触发蜂鸣器、（3）温湿度传感器、（4）蓝牙JDY-24M和（5）粉尘传感器的接地口与（1）副板UNO-1的GND口相接，将（1）的1.3V电源管脚与（2）、（3）、（4）的VCC口以及（5）的6号引脚即VCC口相接，为（2）、（3）、（4）提供电源。将（4）的输入信息口RXD与（1）的输出口D1（TXD）相接，（4）的输出信息口TXD悬空，使得检测数据由TEMP-1传送回TEMP，实现无线数据的收发。将（2）的I/O通信串口与（1）的13管脚相接，将（3）的串行数据口DATA与（1）的模拟输入口A0相接，将（5）的1号引脚V-LED与4号引脚S-GND悬空，（5）的4号引脚S-GND与（1）的模拟输入口A1相接。后续将在ArduinoIDE中定义模拟输入口A0、A1，从A0、A1口读取所测得的温湿度、粉尘等数据。最后由（6）来为汇聚节点1进行供电。图图1.8副板UNO-1各模块接线图1.3副板UNO-2组件汇聚节点2如图1.9所示，由（1）副板ArduinoUNO-2开发板、（2）瓦斯报警传感器（ZC05）、（3）温湿度检测模块（DHT11）、（4）蓝牙模块JDY-24M、（5）9V便携式电源组成。图图1.9副板UNO-2组件实物图使用跳线将（2）瓦斯报警传感器、（3）温湿度传感器和（4）蓝牙JDY-24M的接地口与（1）副板UNO-2的GND口相接，将（1）的1.3V电源管脚与（2）的1号引脚VCC以及（3）、（4）的VCC口相连，为（2）（3）、（4）提供电源。将（2）的5号引脚串口数据发送口与（1）的串口数据接收口相接，其他引脚悬空，将瓦斯报警传感器所测得的数据传送回（1）处理，将（3）的串行数据口DATA与（1）的模拟输入口A0相接，后续将在ArduinoIDE中定义模拟输入口A0，从A0口读取所测得的数据。将（4）的输入信息口RXD与（1）的串口数据输出口D1（TXD）相接，（4）的输出信息口TXD悬空，使得检测数据由TEMP-2传送回TEMP,实现无线数据的收发。最后由（5）来为汇聚节点2进行供电。图1.图1.10副板UNO-2各模块接线图1.4主板Mega2560及SPI显示组件管理节点如图1.9所示，由（1）主板ArduinoMega2560开发板、（2）SPI显示屏、（3）蓝牙模块JDY-24M、（4）9V便携式电源组成。图1.图1.11主板Mega2560组件实物图使用跳线将（2）SPI显示屏的2号引脚GND、（3）蓝牙JDY-24M的GND与（1）主板ArduinoMega2560的GND口相接，将（1）的1.3V电源管脚与（2）的1号引脚VCC以及（3）的VCC口相连，为（2）（3）提供电源。将（2）的7号引脚CLK与（1）的管脚52相接、8号引脚SDA与管脚51相接、9号引脚RS与模拟输入口A3相接、10号引脚RST与模拟输入口A4、11号引脚CS与模拟输入口A5，后续将在ArduinoIDE中定义模拟输入口A3、A4、A5，将汇聚节点1与汇聚节点2所测得的数据在（2）上显示。将（3）的输入信息口RXD与（1）的通信串口18（TX1）相接，（3）的输出信息口TXD与（1）的通信串口19（RX1），通过无线接收模块JDY-24M使得检测数据由TEMP-1和TEMP-2传送回TEMP,实现无线数据的收发。最后由（4）来为管理节点进行供电。图1.图1.12主板Mega2560及SPI显示组件接线图1.5节点各模块装配布线由于在本设计中各节点所测参数较多，故所用到的传感器较多，此外，还要进行无线数据的传送与接收，需要用到蓝牙模块，并且各传感器模块引脚较多，故使用跳线会导致线路比较复杂、跳线分布凌乱、跳线与各模块之间的接口容易断开等缺点，不易于后续安装和调试。对于一些接口较近的引脚，使用杜邦线连接，可以使得接线比使用跳线时更整齐，布线更方便。所以使用洞洞板，将各传感器、蜂鸣器和蓝牙模块焊接在一块洞洞板上，用胶水将跳线固定于洞洞板上，使得各个分散杂乱的模块形成一个规整的单元，集成化一体。方便装配并且为之后在隧道施工环境中的安装带来便利。第四章开发环境及相关检测程序设计2.1开发环境介绍本设计是基于Arduino自带的编程工具ArduinoIDE进行开发的，ArduinoIDE自带Arduino扩展板的开发库，可以将本设计中应用的Uno和Mega2560等扩展板的功能集成到自己编写的程序中，此外，本设计温湿度传感器使用的是DHT11，而ArduinoIDE也可以在程序中导入DHT11的库，方便了相关功能的实现和硬件开发，而不用编写复杂的代码。图图2.1ArduinoIDE界面2.2配置ArduinoIDE在编程前需要配置好ArduinoIDE，才能正确的烧录程序。首先在菜单栏中选择工具>板，选择对应与实物相适配的开发板类型；其次检查串口设置，在菜单栏中选择工具>端口，可以看到当前计算机所有连接的串口端口，当烧录程序时，选择相应的计算机串口号，最后使用串口监视器通过Arduino电路板上的USB接口实现模拟串口通信。图图2.2选择Uno和Mega2560库2.3汇聚节点1检测程序的设计（副板UNO-1）由于本设计应用于长大隧道施工环境中，需要多个节点测量，故本设计以三个节点（两个汇聚节点以及一个管理节点）为例，模拟实际隧道施工环境中的多节点参数的检测。节点1（副板UNO-1）实现温湿度、粉尘的检测及温湿度、粉尘超标报警等功能。2.1.1温湿度、粉尘检测程序的设计基于ArduinoIDE开发环境的温湿度检测模块DHT11自带的开发库，将DHT11开发库引入，定义ArduinoUNO模拟输入口A0，读取温湿度传感器DHT11测量参数，定义ArduinoUNO模拟输入口A1，读取粉尘传感器GP2Y10测量参数，将温度、湿度、粉尘数据初始化,定义蓝牙数据传输帧格式，用来发送测量信息。总的来说，先初始化串口，接DHT11与粉尘传感器GP2Y10，设置I/O口，设置温湿度传感器DHT11、GP2Y10和有源高电平触发蜂鸣器为输出。程序设计流程图如图2.3所示，对汇聚节点1的蓝牙模块先进行组网，初始化蓝牙串口数据，并设置比特率为9600，分别对温湿度传感器DHT11输出、蜂鸣器输出和粉尘传感器输出进行数据初始化。定义模拟输入口A0、A1，分别获取温湿度传感器和粉尘传感器所测数据，通过蓝牙串口传输数据，最后对温湿度和空气中的粉尘含量进行判断，查阅文献《长大隧道施工通风技术研究与实践》可知，施工隧道中气温不宜大于28℃，空气中的粉尘含量不宜大于1050，故将28℃和1050pm分别作为温度和粉尘报警标准值，如果温度高于28℃则蜂鸣器报警，否则，蜂鸣器不响应，如果空气中的粉尘数量高于1050pm则蜂鸣器报警，否则，蜂鸣器不响应。每隔1s对汇聚节点1所测得的数据进行一次传送，实现隧道施工环境影响参数的实时检测。外部的传感器与软件共同构成了传感检测系统。图2.图2.3汇聚节点UNO-1程序设计流程图核心设计程序如下（完整程序见附录Ⅰ）：voidsetup(){bluetooth.begin(9600);dht.begin();pinMode(beep_pin,OUTPUT);pinMode(GP2Y10_LED,OUTPUT);digitalWrite(beep_pin,LOW);digitalWrite(GP2Y10_LED,HIGH);}voidloop(){get_dht11();get_GP2Y10();delay(1000);bluetooth.write(buff,15);}2.1.2温湿度、粉尘超标报警程序的设计利用有源高电平触发蜂鸣器进行报警，温度允许值在-50～100之间变化，如果温度temp≥28℃、湿度hum≥80%或粉尘ppm≥1050pm，则管脚13触发高电平，蜂鸣器报警，否则，管脚13一直为低电平，蜂鸣器不响应。核心设计程序如下（完整程序见附录Ⅰ）：voidget_dht11(){hum=dht.readHumidity();temp=dht.readTemperature();if(-50<temp<100){buff[10]=temp;buff[11]=hum;if(temp>=28){digitalWrite(beep_pin,HIGH);delay(100);}elseif(temp<28){digitalWrite(beep_pin,LOW);}}}voidget_GP2Y10(){ppm=analogRead(GP2Y10_OUT)/1022.0*100;buff[12]=ppm;ppm_value=analogRead(GP2Y10_OUT)*(3300/1024)*0.17;if(ppm_value>=1050){digitalWrite(beep_pin,HIGH);delay(100);}elseif(ppm_value<1050){digitalWrite(beep_pin,LOW);}2.4汇聚节点2检测程序的设计（副板UNO-2）汇聚节点2（副板UNO-2）实现温湿度检测以及瓦斯报警等功能。程序设计流程图如图2.4所示，将蓝牙串口、瓦斯报警装置ZC05串口、温湿度传感器串口数据进行初始化。定义模拟输入口A0，获取DHT11温湿度数据参数，通过RX串口获取瓦斯报警装置ZC05数据参数，最后通过蓝牙模块传送回管理节点，通过SPI显示屏进行显示，每隔1s对汇聚节点2所测得的数据进行一次传送，实现隧道施工环境影响参数的实时检测。图图2.4汇聚节点UNO-2程序设计流程图核心程序如下（完整程序见附录Ⅱ）:voidget_zc05(){if(bluetooth.available()>0){delay(200);bytebuf[20]={0};inti=0;while(bluetooth.available()>0){buf[i]=bluetooth.read();i++;}zc=(buf[4]<<8)*256+(buf[5]&0xff);buff[12]=zc;}2.5主板ArduinoMega2560显示模块程序的设计管理节点（主板Mega2560）主要实现对于汇聚节点1和汇聚节点2所测得的参数进行接收和显示，同时使用esp8266增加了网络同步时间的功能，能够在SPI显示屏上显示时间，使得检测人员实现实时监测。首先对于SPI显示屏部分引脚进行参数定义，定义如下：CDA3;RSTA4;CSA5。Lcd显示字符有两种不同的色彩模式，Lcd使用两种光源类型，一种是彩色光源，另一种是光源被液晶所阻隔，这就形成了两种Lcd颜色显示方式，分别是负显方式和正显方式。本设计采用的是负显方式，采用黑色背景，黄色字符来显示，因为这种显示方式在室内环境的对比度更高，使得工作