Cortex-M3的生態物聯網數據采集分站設計

摘要：以Cortex-M3處理器LM3S811為核心，設計了面向森林生態監測的物聯網數據采集終端分站系統。通過單總線數字式溫濕度傳感器、煙霧傳感器、CO2傳感器和環境光亮度傳感器分別采集溫度、濕度、可燃性顆粒物、CO2含量和光照等與林木生態相關的環境信息和林場防火的相關信息。由LM3S811處理器處理并添加分站ID和校驗碼后，采用無線模塊傳送給服務器。
關鍵詞：物聯網；LM3S811；數據采集；無線模塊

引言
隨著信息技術的發展，物聯網(Internet of Things，IOT)得到了越來越多的企業和學者的重視。盡管對物聯網的確切定義還頗有爭議，但有一點可以肯定，那就是物聯網必將進一步提升信息社會的智能化水平。同樣，在森林環境乃至生態系統監測中，物聯網也為人們提供了更多的選擇。
針對森林生態監測中所關心的溫度、濕度、CO2濃度、環境光照以及與森林防火息息相關的煙霧濃度等數據，本文基于Cortex-M3處理器設計了生態數據采集分站，并將采集的數據用本地LCD液晶顯示，同時采用無線模塊傳送給數據中心主站。程序開發在嵌入式操作系統μC／OS -II的基礎上分模塊進行，不僅保證了良好的擴展性，也提高了開發效率。

1 系統硬件設計
1．1 系統總體結構
數據分站以LM3S811處理器為核心，并引入了與森林生態監測相關的多種傳感器，單總線數字式溫濕度復合型傳感器DHT11、I2C總線接口的環境光亮度傳感器BH1710FVC、電壓輸出型煙霧傳感器MQ-2和CO2傳感器MG-811。通過Cortex-M3處理器實時采集傳感器信息，經處理后通過SPI接口的無線模塊nRF905發送給數據主站服務器。同時將采集的傳感器信息通過本地LCD顯示。若采集的傳感器信息異常(如煙霧濃度過高)，需聲光報警。系統總體結構框圖如圖1所示。

1．2 系統模塊組成
1．2．1 溫濕度傳感器DHT11
DHT11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單總線傳感器。它應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產品的可靠性與長期穩定性。單線制串行接口，使系統集成變得簡易快捷。它體積小、功耗極低，信號傳輸距離可達20 m以上，適用于環境監測的應用。DHT11簡要說明如表1所列。

DHT11除電源和地線外，只有1條數據線，在與CPU接口時，數據線需用5 kΩ上拉電阻。DHT11與CPU的接口示意圖如圖2所示。在本設計中，采用LM3S811的PB0模擬單總線采集溫濕度傳感器的數據。

DHT11的供電電壓為3～5．5 V，這里采用直流5 V電壓供電。傳感器上電后，要等待1 s以越過不穩定狀態。
數據線DATA與LM3S811的通信和同步，采用單總線數據格式。一次通信時間4 ms左右。一次完整的數據傳輸為40位，高位先出。數據分小數部分和整數部分，具體格式說明如下：
8位濕度整數數據+8位濕度小數數據+8位溫度整數數據+8位溫度小數數據+8位校驗和數據傳送正確時校驗和數據等于“8位濕度整數數據+8位濕度小數數據+8位溫度整數數據+8位溫度小數數據”所得結果的末8位。