物联网技术噪声及扬尘远程监测系统的传感器节点硬件设计(附件)
本文主要介绍了无线传感器节点及网关的设计和实现，以CC2530芯片作为核心，采用扬尘传感器SLPD-D01及噪声分贝传感器Loudness测量建筑工地上的扬尘浓度及噪声分贝数等参数，并且通过无线收发模块与网关和上位机之间的通信以达到实时监控。该传感器节点主要应用于建筑工地环境参数监测，对监测的数据进行相应处理并建立噪声与扬尘的数据库信息。同时设定扬尘浓度、噪声分贝的参数阈值，当采集到的参数变化超过其设定的阈值范围时，传感器节点便会自动启动对应控制装置，用于调节参数在正常范围的变化。本设计中节点采用太阳能电池供电（晴天）及稳压电源供电（阴天），以确保整个网络在长时间内无故障地工作，系统有极高的实用性及可靠性，成本低，功耗低，具有非常良好的应用前景。
关键词 传感器节点，无线传感器网络，实时监控，噪声及扬尘
目 录
1 绪论 1
1.1 课题研究的背景及意义 1
1.2 无线数据传输技术现状及其发展趋势 1
1.3 本课题的主要工作及要求 2
2 总体方案设计 3
2.1 监控原理 3
2.2 系统网络结构图 4
3 无线传感器节 4
3.1 节点电源模块 5
3.2 CC2530模块 8
3.3 复位电路模块 11
3.4 传感器模块 11
3.5 LED传输显示及报警模块 16
3.6 控制模块 16
3.7 无线传感器节点总体电路图与实物图 17
4 系统硬件电路调试 18
4.1 PCB电路板设计及制作 19
4.2 电路调试 19
4.3 传感器参数确 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
定 21
4.4 软件调试 24
5 误差分析 28
5.1 SLPD-D01扬尘传感器误差分析 28
5.2 Loudness噪声传感器误差分析 29
经验与体会 31
结论 34
致谢 35
参考文献 36
附录1 CC2530模块电路图 37
附录2 无线传感器节点原理图 37
附录3 无线传感器节点实物图 38
附录4 总体实物图 38
1 绪论
在工地上，噪声及扬尘对人的健康危害巨大，因此需要严加监控。
工地上存在很多种噪声，噪声的危害非常巨大，其中有三种致命性危害。第一种表现形式为听力逐渐衰减，然后听力逐渐失灵，直至失聪。学名为职业性耳聋。第二种叫作爆炸性耳聋。它是指一次强度很高强度的噪音，使得人们脑震荡。第三种是噪声对人除上述危害以外的对人免疫系统的伤害，会使得人的免疫系统减弱，更容易头晕，眼花，更容易产生疾病[1]。?
工地上的扬尘也会对人产生很多危害。第一，人们经常在扬尘密布的环境下工作，非常容易得工地职业病——尘肺，自从张海超开胸验肺以来，扬尘的检测变得格外重要。第二，扬尘中有大量的对人体非常有害的化学物质，如二噁英，会对人体的生殖系统造成严重危害，增加了工地工人不孕不育的概率。第三，扬尘中还有许多重金属物质，如果接触过多，很有可能产生重金属感染[2]。
由此可知，工地上的噪声和扬尘对人体有非常大的危害，因此，对噪声和扬尘的实时监控迫在眉睫。
1．1 课题研究的背景及意义
传统的工地噪声及扬尘监测系统一般采取有线通讯技术进行通讯[3]。此类系统尽管拥有操作方便、抗干扰能力强等优势，但却有稳定性能差、部署难、扩展难、费用高等缺点，从而极大地限制了其在工地检测的推广应用。
基于物联网技术的工地噪声及扬尘监测系统具有稳定性能好、能耗小、便宜、扩展方便等优势，可以有效克服传统工地噪声及扬尘监测系统的各种缺陷，实现噪声及扬尘内的实时、精确、远程和自动监控，满足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
近几年，中国的经济水平日益升高，人们越来越重视无线通讯技术的发展运用。无线通讯技术，它既促进了通讯方式的全面更新，也拉近了人和人互相间的距离。但随着时间的推移，现代化的无线技术面对着越来越多的挑战，必须正确了解其现状，从而在此基础上创新，改进其应用方式，突破其技术瓶颈。
1.2.1 无线通信技术的现状分析
二十年代初至五十年代初是无线通讯技术的首个阶段，这时，该技术完全为军事所用，肯定具有一些局限，所以传输受到各方面的限制，传输速度很慢[4]。
五十年代中期至六十年末是通讯技术的第二个阶段，这时，在通讯技术中增加了半导体技术，使通讯技术运用在专用系统，从而解决了移动电话和公用电话传输平衡的问题。
七十年代开始至八十年代开始是通讯技术的第三个阶段，这时，频率段被拓宽，首代通讯技术系统正式完成，采用移动理论，新系统被研制出。
八十年代末至九十年代初是通讯技术的第四个阶段，这时，数字第二代移动通讯产生，促进了大部分电信系统按序工作。
（5）九十年代后至今是通讯技术的第五个阶段，这时，第三代通讯技术正式产生，这也加快了其发展的速度，促进多媒体和移动通讯的融合。随着通讯协议，通讯标准的日益完善，无线通讯仍然可以不断发展创新。
1.2.2 现代通信技术的发展前景?
未来无线通讯技术的主导为LTE，这种技术有利于促进电脑和通讯的结合，有利于检查网络环境，并可以减少人们之间的通讯干扰。由于不一样的技术接入的模式也不相同，所以，不一样的技术在接入速度，运用范围方面也肯定都有不同之处。为了提高不同通讯技术的结合度，绝对不能让无线通讯技术单独发展，必须与其他科学技术相结合，来满足人们对该技术的需要，从而跨越发展了该技术。最后，在任何情况下都不能满足于现状，要对无线通讯技术不断创新，从而方便实现无线通讯技术的发展与改善。
1．3 本课题的主要工作及要求
本文是基于物联网技术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限，如果超出警戒值则启动相应的报警电路及部分控制装置。
（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GPRS基站传输到Internet网络，再从Internet网络将数据下载到上位机。
（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、PCB图，制作PCB板，并焊接相关的元器件。
3 无线传感器节
在各节点上，本设计可采用9V干电池、太阳能电板或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，维持整个监测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，启动相应的报警模块开关。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。无线传感器节点内部网络如图3.1所示。
1 绪论 1
1.1 课题研究的背景及意义 1
1.2 无线数据传输技术现状及其发展趋势 1
1.3 本课题的主要工作及要求 2
2 总体方案设计 3
2.1 监控原理 3
2.2 系统网络结构图 4
3 无线传感器节 4
3.1 节点电源模块 5
3.2 CC2530模块 8
3.3 复位电路模块 11
3.4 传感器模块 11
3.5 LED传输显示及报警模块 16
3.6 控制模块 16
3.7 无线传感器节点总体电路图与实物图 17
4 系统硬件电路调试 18
4.1 PCB电路板设计及制作 19
4.2 电路调试 19
4.3 传感器参数确 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
定 21
4.4 软件调试 24
5 误差分析 28
5.1 SLPD-D01扬尘传感器误差分析 28
5.2 Loudness噪声传感器误差分析 29
经验与体会 31
结论 34
致谢 35
参考文献 36
附录1 CC2530模块电路图 37
附录2 无线传感器节点原理图 37
附录3 无线传感器节点实物图 38
附录4 总体实物图 38
1 绪论
在工地上，噪声及扬尘对人的健康危害巨大，因此需要严加监控。
工地上存在很多种噪声，噪声的危害非常巨大，其中有三种致命性危害。第一种表现形式为听力逐渐衰减，然后听力逐渐失灵，直至失聪。学名为职业性耳聋。第二种叫作爆炸性耳聋。它是指一次强度很高强度的噪音，使得人们脑震荡。第三种是噪声对人除上述危害以外的对人免疫系统的伤害，会使得人的免疫系统减弱，更容易头晕，眼花，更容易产生疾病[1]。?
工地上的扬尘也会对人产生很多危害。第一，人们经常在扬尘密布的环境下工作，非常容易得工地职业病——尘肺，自从张海超开胸验肺以来，扬尘的检测变得格外重要。第二，扬尘中有大量的对人体非常有害的化学物质，如二噁英，会对人体的生殖系统造成严重危害，增加了工地工人不孕不育的概率。第三，扬尘中还有许多重金属物质，如果接触过多，很有可能产生重金属感染[2]。
由此可知，工地上的噪声和扬尘对人体有非常大的危害，因此，对噪声和扬尘的实时监控迫在眉睫。
1．1 课题研究的背景及意义
传统的工地噪声及扬尘监测系统一般采取有线通讯技术进行通讯[3]。此类系统尽管拥有操作方便、抗干扰能力强等优势，但却有稳定性能差、部署难、扩展难、费用高等缺点，从而极大地限制了其在工地检测的推广应用。
基于物联网技术的工地噪声及扬尘监测系统具有稳定性能好、能耗小、便宜、扩展方便等优势，可以有效克服传统工地噪声及扬尘监测系统的各种缺陷，实现噪声及扬尘内的实时、精确、远程和自动监控，满足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
近几年，中国的经济水平日益升高，人们越来越重视无线通讯技术的发展运用。无线通讯技术，它既促进了通讯方式的全面更新，也拉近了人和人互相间的距离。但随着时间的推移，现代化的无线技术面对着越来越多的挑战，必须正确了解其现状，从而在此基础上创新，改进其应用方式，突破其技术瓶颈。
1.2.1 无线通信技术的现状分析
二十年代初至五十年代初是无线通讯技术的首个阶段，这时，该技术完全为军事所用，肯定具有一些局限，所以传输受到各方面的限制，传输速度很慢[4]。
五十年代中期至六十年末是通讯技术的第二个阶段，这时，在通讯技术中增加了半导体技术，使通讯技术运用在专用系统，从而解决了移动电话和公用电话传输平衡的问题。
七十年代开始至八十年代开始是通讯技术的第三个阶段，这时，频率段被拓宽，首代通讯技术系统正式完成，采用移动理论，新系统被研制出。
八十年代末至九十年代初是通讯技术的第四个阶段，这时，数字第二代移动通讯产生，促进了大部分电信系统按序工作。
（5）九十年代后至今是通讯技术的第五个阶段，这时，第三代通讯技术正式产生，这也加快了其发展的速度，促进多媒体和移动通讯的融合。随着通讯协议，通讯标准的日益完善，无线通讯仍然可以不断发展创新。
1.2.2 现代通信技术的发展前景?
未来无线通讯技术的主导为LTE，这种技术有利于促进电脑和通讯的结合，有利于检查网络环境，并可以减少人们之间的通讯干扰。由于不一样的技术接入的模式也不相同，所以，不一样的技术在接入速度，运用范围方面也肯定都有不同之处。为了提高不同通讯技术的结合度，绝对不能让无线通讯技术单独发展，必须与其他科学技术相结合，来满足人们对该技术的需要，从而跨越发展了该技术。最后，在任何情况下都不能满足于现状，要对无线通讯技术不断创新，从而方便实现无线通讯技术的发展与改善。
1．3 本课题的主要工作及要求
本文是基于物联网技术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限，如果超出警戒值则启动相应的报警电路及部分控制装置。
（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GPRS基站传输到Internet网络，再从Internet网络将数据下载到上位机。
（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、PCB图，制作PCB板，并焊接相关的元器件。
3 无线传感器节
在各节点上，本设计可采用9V干电池、太阳能电板或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，维持整个监测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，启动相应的报警模块开关。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。无线传感器节点内部网络如图3.1所示。
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