引 言

健康舒適的室內環(huán)境對任何一種建筑來說都尤為重要， 實驗室作為人員密集型建筑，良好的室內環(huán)境有助于提高學生的學習效率。如果溫度過高或過低，濕度過濕（高于 70%） 或過燥（低于 30%），光照的過明或過暗，都會使學生產生不適感，影響正常排汗和情緒、降低注意力。由此可見，實驗室環(huán)境的不盡人意，在無形中影響了學生的健康和學習效率。因此，開發(fā)了室內環(huán)境質量無線監(jiān)測系統(tǒng)，以便 24 小時監(jiān)控實驗室的環(huán)境質量參數。本無線檢測系統(tǒng)的主要特點如下（：1）該系統(tǒng)可以延長實驗室里面設備的使用壽命，為設備提供一個安全的使用環(huán)境 ；（2）該系統(tǒng)能夠提高管理效率，溫濕度數據可以遠程傳輸，管理人員在巡查的時候不必到機房去就可以遠程了解實驗室的環(huán)境問題 ；（3）本系統(tǒng)可以代替管理人員 24 小時監(jiān)控非上班時間實驗室存在的安全隱患，達到對實驗室遠程監(jiān)控的目的。

1 系統(tǒng)總體設計

在日常生活中，由于存在個體差異，在各種條件下要找到一個單一的指標來準確反映人體對環(huán)境的舒適性是很困難的。因此，在環(huán)境舒適性的檢測過程中，我們往往關注三個比較重要的影響環(huán)境舒適性的因素：溫度、濕度、照度。所以本系統(tǒng)針對實驗室的環(huán)境分別采集溫度、濕度、照度這三個因素來衡量實驗室環(huán)境的舒適性。系統(tǒng)的總體設計框圖如圖1 所示。

本文所述的室內環(huán)境無線監(jiān)測系統(tǒng)分為硬件設計方案和軟件設計方案兩部分。

1.1 硬件設計方案

該系統(tǒng)采用模塊化的硬件設計，由 STC12 系列單片機微控制器、溫濕度傳感器、光照傳感器、CC2530 芯片的ZigBee 收發(fā)模塊、液晶顯示模塊、電源模塊等組成。該終端具有室內環(huán)境參數的自動采集、計算處理等功能，它可以連續(xù)自動地測量溫度、濕度、光照這些指標，各種要素經過傳感器將模擬量轉化成相應數字量，供采集器定時處理后給單片機進行處理，實現數據的采集、顯示及無線傳輸。

1.2 軟件設計方案

室內環(huán)境無線監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設計由主程序、溫濕度傳感器驅動子程序、光照傳感器驅動子程序、LCD12864 液晶顯示子程序、串口通信子程序等組成。對于硬件方案用到的編程軟件其中包括對于微控 STC12C5A60S2 進行 C 語言程序編譯的Keil 軟件，將Keil 軟件生成的.hex 頭文件燒錄至 MCU 中的下載軟件STC-ISP 中。

2 室內環(huán)境質量無線監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設計

實驗室室內環(huán)境質量無線采集系統(tǒng)在硬件設計過程中， 使用了模塊化的設計方法，分別為微處理器電路設計、數據采集模塊電路設計、顯示模塊電路設計、串口通信電路設計、無線收發(fā)模塊。在本系統(tǒng)中，對實驗室室內環(huán)境質量參數數據的采集主要依靠各種傳感器，如溫濕度傳感器AM2301、照度傳感器模塊 GY30。這些傳感器的工作原理是利用物質各種物理性質隨環(huán)境變化的規(guī)律把溫度、濕度、照度等轉換為模擬量或數字量進行輸出，通過單片機采集這些電量數據并對其進行計算即可確定各環(huán)境參數的數值。在室內環(huán)境質量無線監(jiān)測系統(tǒng)的設計中，本文使用了STC12C5A60S2 單片機進行設計。具體包括 ：單片機最小系統(tǒng)，溫濕度接口電路，光照接口電路，接口電路，電源電路，串口通信接口電路。

2.1 MCU的選型

本 系 統(tǒng) 設 計 采 用 的 是 STC12C5A60S2 單 片 機。

STC12C5A60S2 在眾多的 51 系列單片機中，算是國內 STC 公司的1T 增強系列中更具有競爭力的一種，因為他不但和8051 指令、管腳完全兼容，而且其片內具有Flash工藝的大容量程序存儲器。如STC12C5A60S2 單片機內部就自帶高達 60 K 的 FlashROM， 這種工藝的存儲器用戶可以用電的方式瞬間擦除、改寫。而且STC 系列單片機支持串口程序燒寫。顯而易見，這種單片機對開發(fā)設備的要求很低，開發(fā)時間也大大縮短。寫入單片機內的程序還可進行加密，很好地保護了用戶的勞動成果。

2.2 溫濕度傳感器AM2301

DHT21 數字溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。它應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個電容式感濕元件和一個NTC 測溫元件，并與一個高性能 8 位單片機相連接。因此該產品具有品質卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等優(yōu)點。每個DHT21 傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進行校準。校準系數以程序的形式儲存在OTP 內存中，傳感器內部在檢測信號的處理過程中要調用這些校準系數。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達 20 米以上，使其成為各類應用甚至最為苛刻的應用場合的最佳選擇。

2.3 光照傳感器模塊GY30

本系統(tǒng)采用新型單片測光芯片 GY30 模塊，該模塊的工作電壓為 3.3 V，內置了 BH1750 芯片，可以對廣泛的亮度進行 1 勒克斯的高精度測定，實現了照明度（1 ～ 65 536 勒克斯）數字值的直接輸出。主控器通過I2C（Inter － Integrated Circuit）通訊接口讀取 GY30 采集到的數據，然后按照用戶要求的形式通過界面將數據呈現出來。

2.4 ZigBee數據傳輸模塊選型

本系統(tǒng)中所使用的 ZigBee 模塊為某電子公司的無線模塊，該無線模塊在產品類型中分為三種：ZigBee（Coordinator-協(xié)調器）模塊、ZigBee Router（路由器）模塊、ZigBee End Device（終端設備）模塊。 ZigBee 能耗無線監(jiān)測終端的硬件設計中，無線 ZigBee 模塊（Router- 路由器）的功能是以無線方式發(fā)送數據資料包，并尋找最適合的路由路徑，當有其他終端節(jié)點加入時，其也可為其他終端節(jié)點分配地址。CC2530 結合了領先的RF 收發(fā)器的優(yōu)良性能，其內部包含一個 8051 CPU，且系統(tǒng)內可編程，其支持 TI 官方指定的IAR 編譯軟件， 并具備 8 KB RAM，因此，CC2530 是一個完整的 SoC 解決方案。通過其可以建立強大的無線傳感器網絡。

2.5 ST7920型12864液晶顯示模塊

為了在節(jié)約硬件資源的基礎上可以得到更豐富的顯示內容，并考慮到低功耗的要求，本系統(tǒng)設計中的顯示電路采用ST7920 型 12864 帶字庫的液晶顯示模塊。

3 室內環(huán)境質量無線監(jiān)測系統(tǒng)軟件設計

本節(jié)的主要內容是進行室內環(huán)境質量無線監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設計，軟件設計的核心為底層硬件溫濕度傳感器 AM2301 模塊、光照傳感器 GY30 模塊、LCD12864 液晶、串口通信等編寫驅動程序，使得監(jiān)測系統(tǒng)在上電后可以分別正常監(jiān)測溫濕度值、光照值的顯示，及進行串口通信。室內環(huán)境質量無線監(jiān)測系統(tǒng)主控程序流程圖如圖 2 所示。

3.1 溫濕度傳感器AM2301驅動子程序設計

DATA 數據線用于MCU 與 AM2301 之間的通信。四十比特完整的數據 = 十六比特的濕度數據值+ 十六比特的溫度數據值+ 八比特校驗和。例如，接收四十比特的數值，溫濕度傳感器AM2301 的數據格式如圖 3 所示。

空閑時總線為高電平，通訊開始MCU 拉低總線1～10 ms， 然后釋放總線，延時 20 ～ 40 μs 后主機開始檢測響應信號。從機 AM2301 的響應信號是一個 80 μs 左右的低電平，隨后從機在拉高總線 80 μs 左右代表即將進入數據傳送。長的高電平代表的是信號 1 ；短的高電平代表的是信號 0。溫濕度傳感器AM2301 數據傳輸的時序圖如圖 4 所示。

3.2 光照傳感器GY30驅動子程序設計

GY30 與主控器之間的通訊使用I2C 通訊協(xié)議。時鐘線為高電平時，數據線由高電平向低電平變化表示開始信號 ；時鐘線為高電平期間，數據線由低向高變化表示結束信號。I2C 通訊協(xié)議的起始信號與終止信號時序圖如圖 5 所示。

3.3 串口通信子程序設計

上位機對單片機所存儲的數據的讀取是通過USART 實現的。由于單片機內部集成有 USART模塊，因此 MCU只需要連接MAX232芯片，就能和 PC 通信。首先，單片機要設置異步通信的比特率數據位、停止位、校驗方式等，最后才打開中斷。在本系統(tǒng)中，異步串口通訊模塊比特率設置為 9600， 通信模式采用模式l，即每次發(fā)送的有效數據為 8位，另加一位停止位。串口通信的軟件設計流程圖如圖 6所示。

4 結 語

本文針對室內環(huán)境質量的關鍵問題，基于物聯(lián)網技術， 采用無線數據采集與傳輸等先進信息技術手段，準確采集室內環(huán)境質量數據，使實驗室室內環(huán)境質量在計量、采集、統(tǒng)計方面更加完善，同時確保實驗室的正常、高效、健康、穩(wěn)定地運行。管理人員只需要通過網絡就可以了解實驗室環(huán)境的實際情況，從而極大地減輕對實驗室的管理工作，實現實驗室的科學管理。