Cortex-M3的生态物联网数据采集分站设计

摘要：以Cortex-M3处理器LM3S811为核心，设计了面向森林生态监测的物联网数据采集终端分站系统。通过单总线数字式温湿度传感器、烟雾传感器、CO2传感器和环境光亮度传感器分别采集温度、湿度、可燃性颗粒物、CO2含量和光照等与林木生态相关的环境信息和林场防火的相关信息。由LM3S811处理器处理并添加分站ID和校验码后，采用无线模块传送给服务器。
关键词：物联网；LM3S811；数据采集；无线模块

引言
随着信息技术的发展，物联网(Internet of Things，IOT)得到了越来越多的企业和学者的重视。尽管对物联网的确切定义还颇有争议，但有一点可以肯定，那就是物联网必将进一步提升信息社会的智能化水平。同样，在森林环境乃至生态系统监测中，物联网也为人们提供了更多的选择。
针对森林生态监测中所关心的温度、湿度、CO2浓度、环境光照以及与森林防火息息相关的烟雾浓度等数据，本文基于Cortex-M3处理器设计了生态数据采集分站，并将采集的数据用本地LCD液晶显示，同时采用无线模块传送给数据中心主站。程序开发在嵌入式操作系统μC／OS -II的基础上分模块进行，不仅保证了良好的扩展性，也提高了开发效率。

1 系统硬件设计
1．1 系统总体结构
数据分站以LM3S811处理器为核心，并引入了与森林生态监测相关的多种传感器，单总线数字式温湿度复合型传感器DHT11、I2C总线接口的环境光亮度传感器BH1710FVC、电压输出型烟雾传感器MQ-2和CO2传感器MG-811。通过Cortex-M3处理器实时采集传感器信息，经处理后通过SPI接口的无线模块nRF905发送给数据主站服务器。同时将采集的传感器信息通过本地LCD显示。若采集的传感器信息异常(如烟雾浓度过高)，需声光报警。系统总体结构框图如图1所示。

1．2 系统模块组成
1．2．1 温湿度传感器DHT11
DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合单总线传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品的可靠性与长期稳定性。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。它体积小、功耗极低，信号传输距离可达20 m以上，适用于环境监测的应用。DHT11简要说明如表1所列。

DHT11除电源和地线外，只有1条数据线，在与CPU接口时，数据线需用5 kΩ上拉电阻。DHT11与CPU的接口示意图如图2所示。在本设计中，采用LM3S811的PB0模拟单总线采集温湿度传感器的数据。

DHT11的供电电压为3～5．5 V，这里采用直流5 V电压供电。传感器上电后，要等待1 s以越过不稳定状态。
数据线DATA与LM3S811的通信和同步，采用单总线数据格式。一次通信时间4 ms左右。一次完整的数据传输为40位，高位先出。数据分小数部分和整数部分，具体格式说明如下：
8位湿度整数数据+8位湿度小数数据+8位温度整数数据+8位温度小数数据+8位校验和数据传送正确时校验和数据等于“8位湿度整数数据+8位湿度小数数据+8位温度整数数据+8位温度小数数据”所得结果的末8位。