基于低功耗通信网络与传感器集成技术的环境检测装置的制作方法

本实用新型涉及一种环境质量检测装置，具体涉及一种基于低功耗通信网络与传感器集成技术的环境质量检测装置，通过传感器集成和远距离低功耗无线通信模块实现的空气质量数据远距离收发，主要应用于家居以及无线数据通信的场合，也可以作为大规模物联网传感器通信网络的一个终端节点。

背景技术：

现有的环境检测系统主要基于无线传感器网络，无线传感器网络是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成无线网络，其目的是协作地感知、采集、处理感知对象的检测信息，并报告给用户。无线传感器网络具备层次性结构，其系统结构主要由传感器节点、汇聚节点、数据服务中心三部分构成，传感器节点放置在环境检测区域，以自组织的方式构成网络，节点检测的数据沿着传感器节点逐跳地进行传输，经多跳后路由到汇聚节点，汇聚节点负责接收和处理网络中所有节点信息，并能通过网络将传感器数据送到服务器进行集中处理。

无线传感器节点是无线传感器网络的基本单元，其一般结构包括传感单元、处理单元、收发单元、电源单元四个功能模块组成。

现有的无线传感器网络节点特点如下：

(1)通信能力有限

受无线传感器网络节点通信模块中天线和功率的限制，传感器节点的通信覆盖范围只有几十到几百米，通信带宽小且不稳定。

(2)网络节点在能量、功耗方面的限制

传感器节点体积微小，电源能量有限，需要进行环境质量检测区域广泛且复杂，采用更换电源的方式不现实。并且传感器节点的绝大部分能量消耗在无线通信模块，传感器节点传输信息时比数据采集和计算更消耗电能。

现有的传感器网络节点的无线通信协议特点如下：传感器网络节点上的协议栈包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，MAC层协议主要负责数据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制；路由协议主要负责路由生成与路由选择。IEEE802.15系列标准主要适用于小范围的无线网络，其中用的比较广泛的是802.15.4ZigBee标准。ZigBee为低工作周期设计，适用于静态和动态、需要大量节点的应用环境。

无线传感器网络为复杂环境质量数据的检测提供了可能，在传感器网络特点分析中也可以分析得出在远距离环境质量数据检测时运用无线传感器网络节点所体现出的一些缺点。

(1)技术缺点一

汇聚节点固定，较远距离的环境数据指标数据检测需要经过多跳路由传输到汇聚节点，容易造成汇聚节点周围的能量消耗不均匀，减小传感器网络检测的生存周期。并且传感器网络一般采用多跳路由传输机制，节点的无线通信带宽较窄，由于节点能量的变化以及被检测环境的影响，无线通信的性能可能经常发生变化，会导致传感器数据无法远距离传输。

(2)技术缺点二

无线传感器节点间组网的方式限制了基于该技术的环境质量检测装置在远距离传感器数据收发上的传输效率，使得采集到的数据必须通过节点的传输才能进行更远距离的数据传输。降低传感器数据传输效率，造成数据传输延迟和应用成本增加，基于该技术的空气质量检测装置在远距离数据检测场合的适应性因其通信网络组网方式而受到限制。

(3)技术缺点三

传感器网络节点的微型化，每个节点的通信和传感半径有限，而且为了节能，传感器节点大部分处于睡眠状态，往往通过铺设大量的传感器网络节点来保证网络质量。传感器网络的节点数量和密度比一般网络高几个数量级，会导致信号冲突、信息的有效传输路径的选择、大量节点之间如何协同工作等问题。

随着人们生活水平的提高，人们对环境质量要求越来越高，对环境信息采集与检测的需求越来越高。因此，需要设计一种环境检测装置对环境数据指标进行检测管理，以保障生活环境的健康和安全。同时，需要解决现有的基于无线传感器网络的环境质量检测系统在远距离数据传输和组网方式上的限制。

技术实现要素：

本实用新型的目的是针对现有技术中的不足，提供一种基于低功耗通信网络与传感器集成技术的环境质量检测装置，增强环境质量检测的便捷性同时降低使用成本，在满足远距离通信传输的基础上实现节能和自组网的功能需求。

为实现上述目的，本实用新型公开了如下技术方案：

基于低功耗通信网络与传感器集成技术的环境检测装置，包括主控模块、电源模块、甲醛传感器模块、温湿度传感器模块、PM2.5传感器模块、稳压模块、数模转换模块、无线通信模块：

主控模块为单片机，

稳压模块的输入引脚与主控模块单片机的电源引脚连接，电源模块通过该引脚为稳压模块供电，同时通过稳压芯片的输出引脚与无线通信模块连接，将5V电压转换为3.3V为无线通信模块供电，

温湿度传感器模块以单总线通信方式与主控单片机IO口连接，

PM2.5传感器模块与主控单片机的另一IO口连接，

甲醛传感器模块与电源模块通过数模转换模块将模拟量转换为数字量传送给单片机，

无线通信模块与主控单片机连接，并将传感器数据远距离传送给上位机。

进一步的，所述主控模块采用的芯片为STC12c5a60s2；甲醛传感器采用MS1100；温湿度传感器采用数字式温湿度复合传感器AM2302；PM2.5浓度测量传感器采用PMS7003数字式颗粒物浓度传感器；电源模块为充电电源模块，包括锂电池充电芯片FM6316GE、锂电池保护芯片DW06D、电量显示芯片LM324、TL431；稳压模块采用ASM1117；数模转换模块采用AD0809。

进一步的，所述甲醛传感器采用MS1100，甲醛传感器MS1100的信号输出引脚DO接阻值为100K的滑动变阻器R11，R11的一端接地，另一端与数模转换模块AD0809的模拟量输入通道IN1连接；电源引脚VCC和接地引脚GND分别接电源和地。

进一步的，所述温湿度传感器采用数字式温湿度复合传感器AM2302，温湿度传感器DHT22信号输出引脚SDA与主控单片机的IO口P0.3连接；引脚NC置空；电源引脚VCC和接地引脚GND分别接电源和地。

进一步的，PM2.5浓度测量传感器采用PMS7003数字式颗粒物浓度传感器，PM2.5传感器PMS7003的电源引脚1和2接电源VCC；引脚2和4接地GND；模块复位引脚RESET、引脚设置端SET置空；串口接收引脚RXD与主控单片机串口2的串口发送引脚TXD连接，串口发送引脚TXD与主控单片机串口2的串口接收引脚RXD连接。

进一步的，电源模块为充电电源模块，包括锂电池充电芯片FM6316GE、锂电池保护芯片DW06D、电量显示芯片LM324、TL431，充电芯片FM6316的输入电流最大值调整端OC与阻值为15K的电阻R3的一端连接，电阻另一端接地；充电指示端CHRG与发光二极管LED3的负极连接，LED3的正极与发光二极管LED1的正极以及阻值为3K的电阻R4连接，LED1的负极接地，R4的另一端接充电口P2的一端；电源VCC与容值为10uF的电容C7的一端连接，C7的另一端接充电口P2的另一端并接地；电池充电输入端BAT接电池正极以及容值为10uF的电容C8连接，C8的另一端接地；充电电流调整端PROG与阻值为2K的电阻R7连接，R7的另一端接地；功率开关输出端LX与肖特基二极管D2的正极、容值范围在1-3.3nF的电容C2一端、值为3.3uH的电感L1的一端连接，C2的另一端与D2的负极连接，L1的另一端接电池正极；升压输出端VOUT连接电容C2和肖特基二极管D2并联的负极一端，并且这端接5V电压，放电口P1的一端与容值为47uF的电容C9的一端连接，C9、P1的另一端接地；

充电电源保护芯片DW06D电流感应输入引脚V-与阻值为1K的电阻R1连接，R1的另一端接地；充电负极端S1接地；S2与接地端VSS连接，并且这端与容值为0.1uF的电容C1的一端、电池的负极连接；C1的另一端与正电源输入引脚VDD以及阻值为100Ω的电阻R2的一端连接，R2的另一端接电池正极，电池正极B+与AD0809的模拟量输入通道IN0连接；

芯片LM324的电源引脚与阻值为2.2K的电阻R12的一端连接，同时这端与电池的正极B+连接，R12的另一端与芯片TL431的Ref和Cath引脚连接且这端与芯片LM324的引脚2、6、9、13连接，TL431的Ano引脚与电池负极B-连接；芯片LM324的引脚3与阻值为4.7K的电阻R17的一端连接，同时这端与阻值为510Ω的电阻R16的一端连接，R17的另一端与电源正极B+连接；TL431的引脚1与发光二极管的LED5的正极连接，LED5的负极接地；TL431的引脚7与发光二极管的LED6的正极连接，LED6的负极接地；TL431的引脚8与发光二极管的LED7的正极连接，LED7的负极接地；TL431的引脚14与发光二极管的LED8的正极连接，LED8的负极接地；引脚12与阻值为10K的电阻R13连接，同时这端与阻值为510Ω的电阻R14一端连接，R13的另一端接地；引脚10与R14的另一端连接，同时这端与阻值为510Ω的电阻R15连接，R15的另一端与引脚5以及R16的另一端连接。

进一步的，稳压模块采用ASM1117，稳压芯片ASM1117的引脚VIN与容值为0.1uF的电容C5和容值为22uF的电容C3的并联网络的一端连接，同时这端接电源模块的电源VCC，并联网络另一端接地GND；信号输出引脚VOUT与容值为10uF的电容C4和容值为0.1uF的电容C6并联网络的一端连接，同时这端与3.3V电压连接，并联网络的另一端接地；引脚GND接地。

进一步的，数模转换模块采用AD0809，转换启动信号控制端ST和地址锁存译码器的地址锁存允许输入线控制端ALE与主控模块STC12c5a60s2的IO口P0.0连接，地址锁存译码器的地址信号控制端A与主控模块的IO口P0.4连接，地址信号控制端B和C接地默认低电平，输出允许信号OE与IO口P0.1连接，转换结束控制端EOC与IO口P0.2连接，时钟控制信号输入控制端CLK与IO口P1.0连接由单片机为其提供时钟频率，数字量输出端D0-D7与IO口P2.0-P2.7连接。

进一步的，所述无线通信模块包括电源电路、SX1278射频芯片、STM8单片机、晶振电路、434MHZ天线，其中SX1278射频芯片和STM8单片机通过SPI口通信，SX1278射频芯片和434MHZ天线之间设有射频电路，SX1278的串行数据输入引脚MISO与STM8单片机的引脚PD2连接，串行数据输出引脚MOSI与STM8的引脚PD1连接，移位时钟引脚SCK与STM8的引脚PD3连接，低电平有效的从设备使能信号NSS与STM8的引脚PD0连接；

SX1278射频芯片的引脚XTA接晶体振荡器XTAL的引脚2，同时引脚2与容值为15pF的电容C2连接，C2的另一端接地；SX1278射频芯片的引脚XTB与晶体振荡器XTAL的引脚1连接，同时引脚1与容值为15pF的电容C1连接，C1的另一端接地；晶体振荡器XTAL的引脚2和引脚4接地；

射频芯片SX1278与434MHZ天线设计射频电路，射频电路具体包括天线电路、信号发射电路、信号接收电路：信号发射电路中SX1278芯片最大发射功率端口PA_BOOST连接电感L1，L1另一端与电容C11与电容C12并联一端连接，电容C11另一端接地，C12另一端与电感L3串联，电感L3另一端与电感L4、电容C13的并联电路一端连接，电感L4的另一端又与电容C14连接，同时这端连接天线开关的RF2端口,电容C13的另一端接地，电容C14的另一端接地；信号接收电路中SX1278芯片RFI_LF端口连接电容C15、电感L5，电容C15的另一端接地，电感L5的另一端连接容值为47pF的电容C16，C16的另一端接天线开关的RF1端口；天线电路中天线开关RFC端口串联一个电容C17，电容C17与天线相连，组成了一个一般性的天线网络电路；

射频芯片SX1278的引脚VBAT2、单片机STM8的引脚VDD1、引脚VDDA以及引脚VDD2组成无线通信模块的端口6；射频芯片SX1278的接地引脚GND、单片机STM8的引脚VSS1和引脚VSS2以及其他器件的接地端组成无线通信模块的端口4；单片机STM8的引脚PC3对应无线通信模块的数据发送端口TXD-WX；单片机STM8的引脚PC2对应无线通信模块的数据接收端口RXD-WX,其中无线通信模块的端口6接稳压模块提供3.3V电压的端口，端口4接地，无线通信模块端口TXD-WX与主控单片机的串口1的串口接收引脚RXD连接，无线通信模块的端口RXD-WX与主控单片机串口1的串口数据发送引脚TXD连接。

本实用新型公开的基于低功耗通信网络与传感器集成技术的环境质量检测装置，具有以下有益效果：

通过该环境检测装置的设计可以将甲醛、温湿度、PM2.5浓度检测集成在一个设备中，实现这三项数据指标检测的便捷，同时此环测装置整体设计小巧可以放在居民住房、实验室、厂房、实验室以及一些不便于布线的场所；环境检测装置中的传感器及相关芯片精度高、稳定性强、成本低，实现整个设备设计的高性价比，适合大面积的应用。相对于传感器节点，本申请能够将传感器数据以低发射功率获得更广的传输范围和距离，实现环测装置传感器数据的远距离收发。

附图说明

图1环境质量检测设备实施步骤流程图

图2环境质量检测设备内部结构框图

图3环境质量检测设备软设计流程图

图4数模转换AD0809连接电路设计

图5主控单片机连接电路设计

图6充电芯片FM6316连接电路设计

图7充电保护模块连接电路设计

图8电量显示模块连接电路设计

图9甲醛传感器模块连接电路设计

图10温湿度传感器模块连接电路设计

图11PM2.5传感器模块连接电路设计

图12稳压模块连接电路设计

图13无线通信模块接口连接电路设计

图14充电电源电路测试流程图

图15射频芯片与STM8连接电路中SX1278引脚图

图16射频芯片与STM8连接电路中STM8引脚图

图17无线通信模块晶振电路

图18无线通信模块射频发射电路

图19无线通信模块射频接收电路

图20无线通信模块天线电路

具体实施方式

下面将对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的实现步骤如图1所示。

本实用新型的核心是提供一种环测设备，硬件电路设计主要由主控单片机作为核心控制模块，外围电路集成甲醛传感器、温湿度传感器、PM2.5传感器、电源及电量显示、数模转换、无线通信六个分模块。

本实用新型中欲保护点在于不同分模块的集成以及各分模块与主控芯片的整体连接方法与思路。模块集成和整体连接电路作为空气质量检测目的实现的主要方式，不同分模块的集成可以实现环测装置对空气中甲醛、温湿度、粉尘浓度的采集，分模块与主控芯片的整体连接电路可以保障传感器数据的集中处理，环测装置的整体硬件电路设计可以达到传感器数据采集和电源电量显示正确性和实时性的预期效果。

考虑到环境检测装置在实际应用方面的一些特点，要考虑到硬件设计和软件开发两个方面的要求，其整体硬件设计考虑因素有以下几点：

(1)能量高效利用：传感器能量有限，设计要考虑到供能和能量利用率。

(2)低成本：设备设计性价比高，利于广泛使用。

(3)稳定性：无线传感器网络运行周期较长，要求数据采集和模块运行稳定性要强。

本实用新型的软件开发用于控制硬件工作状态，本检测设备设计中软件编程涉及到：PM2.5传感器通过串口将数据包传送给主控模块，甲醛传感器和电源模块通过外接的数模转换AD0809将模拟量转换为数字量，AD0809再将转换后的数据传送给主控模块，温湿度传感器以单总线的通信方式通过IO口将采集数据传送给主控模块，主控模块将所有数据中有效部分提取出来通过无线通信模块将数据传送给上位机，在系统软件开发设计时考虑因素有以下几个方面：

(1)实时性：软件编程尽量减少采集数据在传送过程中的延时；

(2)稳定性：采集数据显示要稳定准确；

(3)能量优化：编程尽量精简协议和算法，节省设备外部供能。

见图2，本实用新型的基于低功耗通信网络与传感器集成技术的环境检测装置，包括主控模块、电源模块、甲醛传感器模块、温湿度传感器模块、PM2.5传感器模块、稳压模块、数模转换模块、无线通信模块：主控模块为单片机；稳压模块的输入引脚与主控模块单片机的电源引脚连接，使单片机为其供电，同时通过稳压芯片的输出引脚与无线通信模块连接，将5V电压转换为3.3V为无线通信模块供电；温湿度传感器模块以单总线通信方式与主控单片机IO口连接；PM2.5传感器模块与主控单片机的另一IO口连接；甲醛传感器模块与电源模块通过数模转换模块将模拟量转换为数字量传送给单片机；无线通信模块与主控单片机连接，并将传感器数据远距离传送给上位机。通过射频芯片该无线通信模块主要涉及到Lora的长距离低功耗数据传输技术和Cont iki系统下进程的编写实现点到点通信到自组网功能。

作为具体实施例，所述主控模块采用的芯片为STC12c5a60s2；甲醛传感器采用MS1100，该型号的甲醛传感器具有极高的灵敏度和稳定性，能够侦测0.1ppm以上的气体，同时具有体积小巧、价格便宜、响应速度快的优点；温湿度传感器采用数字式温湿度复合传感器AM2302，该传感器具有能耗低、传输距离远、长期稳定性以及数字式单总线数据输出，数据处理相对简单；PM2.5浓度测量传感器采用PMS7003数字式颗粒物浓度传感器，其尺寸小、精度高、响应时间少、价格便宜，适合用在低成本设备中；电源模块为充电电源模块，包括锂电池充电芯片FM6316GE、锂电池保护芯片DW06D、电量显示芯片LM324、TL431，外围电路简单，性能稳定，能够满足环测模块的供能需求；稳压模块采用ASM1117；数模转换模块采用AD0809。

在本实用新型中环境检测设备具体涉及到甲醛、PM2.5以及温湿度传感器，相关的传感器种类繁多，在具体选择传感器型号时不但要考虑到参数、性能能够满足模块功能需求，也要考虑到不同传感器信号输入以及输出特性。同时，传感器的灵敏度、稳定性、精度、成本也是选择传感器型号时的考虑因素。

选择满足传感器数据处理的微处理器，再考虑整个模块的供电特性和电量显示，结合低功耗远距离无线通信模块，根据这样的设计思想进行环境质量检测设备的设计和优化。

见图9，作为具体实施例，所述甲醛传感器采用MS1100，甲醛传感器MS1100的信号输出引脚DO接阻值为100K的滑动变阻器R11，R11的一端接地，另一端与数模转换模块AD0809的模拟量输入通道IN1连接；电源引脚VCC和接地引脚GND分别接电源和地。

见图10，作为具体实施例，所述温湿度传感器采用数字式温湿度复合传感器AM2302，温湿度传感器DHT22信号输出引脚SDA与主控单片机的IO口P0.3连接；引脚NC置空；电源引脚VCC和接地引脚GND分别接电源和地。

见图11，作为具体实施例，PM2.5浓度测量传感器采用PMS7003数字式颗粒物浓度传感器，PM2.5传感器PMS7003的电源引脚1和2接电源VCC；引脚2和4接地GND；模块复位引脚RESET、引脚设置端SET置空；串口接收引脚RXD与主控单片机串口2的串口发送引脚TXD连接，串口发送引脚TXD与主控单片机串口2的串口接收引脚RXD连接。

见图6、图7，作为具体实施例，电源模块为充电电源模块，包括锂电池充电芯片FM6316GE、锂电池保护芯片DW06D、电量显示芯片LM324、TL431，充电芯片FM6316的输入电流最大值调整端OC与阻值为15K的电阻R3的一端连接，电阻另一端接地；充电指示端CHRG与发光二极管LED3的负极连接，LED3的正极与发光二极管LED1的正极以及阻值为3K的电阻R4连接，LED1的负极接地，R4的另一端接充电口P2的一端；电源VCC与容值为10uF的电容C7的一端连接，C7的另一端接充电口P2的另一端并接地；电池充电输入端BAT接电池正极以及容值为10uF的电容C8连接，C8的另一端接地；充电电流调整端PROG与阻值为2K的电阻R7连接，R7的另一端接地；功率开关输出端LX与肖特基二极管D2的正极、容值范围在1-3.3nF的电容C2一端、值为3.3uH的电感L1的一端连接，C2的另一端与D2的负极连接，L1的另一端接电池正极；升压输出端VOUT连接电容C2和肖特基二极管D2并联的负极一端，并且这端接5V电压，放电口P1的一端与容值为47uF的电容C9的一端连接，C9、P1的另一端接地；

充电电源保护芯片DW06D电流感应输入引脚V-与阻值为1K的电阻R1连接，R1的另一端接地；充电负极端S1接地；S2与接地端VSS连接，并且这端与容值为0.1uF的电容C1的一端、电池的负极连接；C1的另一端与正电源输入引脚VDD以及阻值为100Ω的电阻R2的一端连接，R2的另一端接电池正极，电池正极B+与AD0809的模拟量输入通道IN0连接；

见图8，芯片LM324的电源引脚与阻值为2.2K的电阻R12的一端连接，同时这端与电池的正极B+连接，R12的另一端与芯片TL431的Ref和Cath引脚连接且这端与芯片LM324的引脚2、6、9、13连接，TL431的Ano引脚与电池负极B-连接；芯片LM324的引脚3与阻值为4.7K的电阻R17的一端连接，同时这端与阻值为510Ω的电阻R16的一端连接，R17的另一端与电源正极B+连接；TL431的引脚1与发光二极管的LED5的正极连接，LED5的负极接地；TL431的引脚7与发光二极管的LED6的正极连接，LED6的负极接地；TL431的引脚8与发光二极管的LED7的正极连接，LED7的负极接地；TL431的引脚14与发光二极管的LED8的正极连接，LED8的负极接地；引脚12与阻值为10K的电阻R13连接，同时这端与阻值为510Ω的电阻R14一端连接，R13的另一端接地；引脚10与R14的另一端连接，同时这端与阻值为510Ω的电阻R15连接，R15的另一端与引脚5以及R16的另一端连接。

见图12，作为具体实施例，稳压模块采用ASM1117，稳压芯片ASM1117的引脚VIN与容值为0.1uF的电容C5和容值为22uF的电容C3的并联网络的一端连接，同时这端接电源模块的电源VCC，并联网络另一端接地GND；信号输出引脚VOUT与容值为10uF的电容C4和容值为0.1uF的电容C6并联网络的一端连接，同时这端与3.3V电压连接，并联网络的另一端接地；引脚GND接地。

见图4、图5，作为具体实施例，数模转换模块采用AD0809，转换启动信号控制端ST和地址锁存译码器的地址锁存允许输入线控制端ALE与主控模块STC12c5a60s2的IO口P0.0连接，地址锁存译码器的地址信号控制端A与主控模块的IO口P0.4连接，地址信号控制端B和C接地默认低电平，输出允许信号OE与IO口P0.1连接，转换结束控制端EOC与IO口P0.2连接，时钟控制信号输入控制端CLK与IO口P1.0连接由单片机为其提供时钟频率，数字量输出端D0-D7与IO口P2.0-P2.7连接。

见图13、图14、图15，线通信模块包括电源电路、SX1278射频芯片、STM8单片机、晶振电路、434MHZ天线，其中SX1278射频芯片和STM8单片机通过SPI口通信，SX1278射频芯片和434MHZ天线之间设有射频电路，SX1278射频芯片与STM8单片机之间通过SPI口通信，SX1278的串行数据输入引脚MISO与STM8单片机的引脚PD2连接，串行数据输出引脚MOSI与STM8的引脚PD1连接，移位时钟引脚SCK与STM8的引脚PD3连接，低电平有效的从设备使能信号NSS与STM8的引脚PD0连接；

见图16，射频芯片的引脚XTA接晶体振荡器XTAL的引脚2，同时引脚2与容值为15pF的电容C2连接，C2的另一端接地；SX1278射频芯片的引脚XTB与晶体振荡器XTAL的引脚1连接，同时引脚1与容值为15pF的电容C1连接，C1的另一端接地；晶体振荡器XTAL的引脚2和引脚4接地；

射频芯片SX1278与434MHZ天线设计射频电路，射频电路具体包括天线电路、信号发射电路、信号接收电路：见图17，信号发射电路中SX1278芯片最大发射功率端口PA_BOOST连接电感L1，L1另一端与电容C11与电容C12并联一端连接，电容C11另一端接地，C12另一端与电感L3串联，电感L3另一端与电感L4、电容C13的并联电路一端连接，电感L4的另一端又与电容C14连接，同时这端连接天线开关的RF2端口,电容C13的另一端接地，电容C14的另一端接地；见图18，信号接收电路中SX1278芯片RFI_LF端口连接电容C15、电感L5，电容C15的另一端接地，电感L5的另一端连接容值为47pF的电容C16，C16的另一端接天线开关的RF1端口；见图19，天线电路中天线开关RFC端口串联一个电容C17，电容C17与天线相连，组成了一个一般性的天线网络电路；

射频芯片SX1278的引脚VBAT2、单片机STM8的引脚VDD1、引脚VDDA以及引脚VDD2组成无线通信模块的端口6；射频芯片SX1278的接地引脚GND、单片机STM8的引脚VSS1和引脚VSS2以及其他器件的接地端组成无线通信模块的端口4；单片机STM8的引脚PC3对应无线通信模块的数据发送端口TXD-WX；单片机STM8的引脚PC2对应无线通信模块的数据接收端口RXD-WX,其中无线通信模块的端口6接稳压模块提供3.3V电压的端口，端口4接地，无线通信模块端口TXD-WX与主控单片机的串口1的串口接收引脚RXD连接，无线通信模块的端口RXD-WX与主控单片机串口1的串口数据发送引脚TXD连接。

本实用新型的总体设计思想课归纳为：选用数据采集准确、寿命长、成本低的传感器，结合低功耗微处理器、可充电电源模块和电量显示模块，运用低功耗远距离无线通信模块，辅以外围电路进行分系统、模块化设计，开发出满足特定功能需求的环测设备。

本实用新型工作时，甲醛传感器输出信号经过相应的信号处理电路后变成0-5v电压信号，数模转换模块AD0809将相应的甲醛传感器电压信号和电源电压信号转换为数字信号，PM2.5传感器输出数字信号数据提供给单片机；温湿度传感器直接将数据串行发送至主控单片机，最后单片机将传感器数据提取并传送给无线通信模块，无线通信模块将传感器数据远距离传送给上位机。

本环测设备中主控处理器芯片采用STC12c5a60s2，处理器是环境质量测量模块的核心，对模块能耗和数据处理起决定性作用，本环境质量检测模块对微处理器的选用要求是集成度高、功耗低、成本低,本环测设备设计用到的主控芯片有以下特点：a)具有两个独立串口，可分别传输不同传感器数据，降低数据间的干扰和提高数据通信可靠性。b)共4个16位定时器，具有高速、低功耗、超强干扰的特点。

本环测设备中PM2.5传感器采用PMS7003，是数字式颗粒物浓度传感器，能够监测到空气中的颗粒物浓度，以数字接口形式输出。模块中用到该型号传感器有以下特点：a)实时响应；b)数据准确；c)最小分辨粒径0.3微米。

本环测设备中甲醛传感器采用MS1100，该型号的甲醛传感器具有极高的灵敏度和稳定性，能够侦测0.1ppm以上的气体，同时具有体积小巧、价格便宜、响应速度快的特点，在模块设计用到该传感器特点有以下几点：a)模拟信号和电平信号同时输出；b)模拟信号输出电压范围为0-5V，模拟信号可以直接接AD转换模块。

本环测设备中温湿度传感器采用AM2302。该传感器数据输出方式采用数字信号输出，传感器包括一个电容式感湿元件和一个高精度测温元件，标准单总线接口，超小的体积、极低的功耗，在环测模块设计中用到该传感器特点有:a)超快响应且抗干扰能力强；b)超低能耗、传输距离远；c)自动化校准和数字单总线输出。

本环测设备中电源模块中充电电源芯片采用FM6316、电池保护芯片采用DW06D,通过对FM6316芯片实际焊接测试，并运用示波器对该芯片充电电压曲线、充电时输出电压曲线以及放电时输出电压曲线的测量，并与其他的电源芯片作测试对比，结果分析后发现该芯片能够满足模块稳定供压的要求，并且电路简单，能耗低。

本环测设备中模数转换模块采用AD0809，AD0809是8位逐次逼近型A/D转换器。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。环测模块设计中甲醛传感器和电源电压都需经过AD0809的转换。

稳压模块采用的是ASM1117。ASM1117是正电压输出低压差的三端线性稳压电路，在输出1A电流时，输出输出的电压差典型值为3.3V。

本实用新型中无线通信模块采用的是远距离低功耗的无线通信模块，该无线通信模块硬件设计包括：电源电路、SX1278射频芯片、STM8单片机、晶振电路、434MHZ天线，其中SX1278射频芯片和STM8单片机通过SPI口通信，SX1278射频芯片和434MHZ天线之间开发设计射频电路，具体包括天线电路设计、信号发射电路设计、信号接收电路设计。

无线通信模块软件编程主要包括SX1278芯片驱动程序的编写和Contiki系统下进程的编写以及Rime协议栈各层级的连接，驱动程序流程包括单片机MCU初始化、开总中断、SX1278芯片复位自检、SX1278芯片参数设置和SX1278芯片进入工作模式。

Contiki系统下进程的编写以及Rime协议栈各层级的连接主要是通过学习和阅读掌握Contiki系统的进程的调用，Rime协议栈按照各层的连接顺序，学习回调函数的使用方法，逐层开发、顺序连接，从单跳单播的实现再到多跳多播，最终实现从点到点通信到自组网功能的实现。

本实用新型在设计过程中需要对电源电路进行充放曲线测试：通过示波器对充电芯片包括TP5400，TP4056和设计的FM6316充电电路的输出电压波纹和充电电压变化曲线进行测量和对比。对三种芯片电路的充电电压波纹、充电时输出电压波纹、放电时的输出电压波纹进行测量，对三种充电芯片的充电电路性能进行对比，测试环测设备所用充电芯片FM6316的充放电性能。

本实用新型软件编程的流程图如图3，首先对主控单片机的定时器0和串口、AD0809的控制端口进行初始化，进而通过主控单片机和无线通信模块发送数据。

在印刷电路板设计方面：包括：电源模块电路板设计、电量显示模块电路板设计、传感器模块电路接口设计、数模转换模块电路板设计、无线通信模块电接口设计。

a)电源模块电路板设计

充电芯片FM6316的充电口P2的正极通过网络NetC7_2与电容C7的焊盘2连接，电容C7的焊盘2与FM6316的焊盘4连接，FM6316的焊盘7与电容C2的焊盘1连接，C2的焊盘1与二极管D2的焊盘2连接，D2的焊盘2与电容C9的焊盘2连接，C9的焊盘2与放电口P1的焊盘2连接，P1的焊盘2与主控单片机的电源电路部分的控制开关S1的焊盘2连接，S1的焊盘1与电容C10的焊盘2连接，C10的焊盘2与电容C11的焊盘1连接，电容C11的焊盘1与电阻R10的焊盘1连接，R10的焊盘1的主控微控制器的电源VCC连接。

b)电量显示模块电路板设计

电量显示芯片LM324的焊盘4与电感L1的焊盘1连接，L1的焊盘1与电阻R2的焊盘1连接，R2的焊盘1与电容C8的焊盘2连接，焊盘2与充电芯片FM6316的焊盘5连接，同时LM324的焊盘4与电池的正极B+连接；电池的正极B+与数模转换芯片AD0809的焊盘26连接。

c)传感器模块电路板设计

1.甲醛传感器

甲醛传感器CGQ1的焊盘4与滑动变阻器R11的焊盘3连接，同时R11的焊盘3与其焊盘2连接，又与数模转换芯片AD0809的焊盘27连接。

2.温湿度传感器

温湿度传感器MS1100的焊盘2与主控微控制器的焊盘40连接。

3.PM2.5传感器

PM2.5传感器的焊盘7与主控芯片的焊盘43连接，PM2.5传感器的焊盘9与主控芯片的焊盘42连接。

4.传感器模块供电设计

甲醛传感器CGQ1的焊盘1、3以及数模转换芯片AD0809的焊盘11与稳压芯片ASM1117的焊盘3连接，ASM1117的焊盘3与电容C3的焊盘1连接，C3的焊盘1与电容C2的焊盘2连接，C2的焊盘2与PM2.5传感器的焊盘1连接，温湿度传感器的焊盘1与电阻R10连接。

d)数模转换模块电路板设计

数模转换芯片AD0809的数字量输出引脚的焊盘分别与主控芯片的IO口引脚连接，如AD0809的焊盘19与主控芯片的焊盘25连接，时钟引脚对应焊盘10与主控芯片的焊盘34连接，输出允许信号对应焊盘9与主控芯片的焊盘36连接，转换结束信号对应焊盘7与主控芯片的焊盘35连接，转换启动信号对应焊盘6与主控芯片的焊盘37连接，AD0809的焊盘27与滑动变阻器R11的焊盘3连接，R11的焊盘3与甲醛传感器CGQ1的焊盘4连接，，AD0809的焊盘26与蓄电池的正极B+对应的焊盘连接。

e)无线通信模块接口设计

自研发的远距离低功耗无线通信模块的数据接收端口对应的焊盘5连接主控芯片的焊盘7，无线通信模块的数据发送端口对应的焊盘6与主控芯片的焊盘5连接。

本实用新型在后续进行了测试，包括：

(1)充电电源电路测试：用示波器对充电芯片TP5400、TP4056、以及FM6316的充电电压波纹、充电输出电压波纹、放电输出电压波纹进行测试，测试流程图如图14所示。首先，对示波器的探头作补偿测试以及配置通道的测试环境。其次，再对三种充电模块的电池充电电压波纹进行测量，记录电压的最大值与最小值，计算出压差并进行对比，测试充电电压稳定性。在试验中TP5400模块电池充电输出电压输出结果是最大值为4.33V，最小值为4.05V，压差为0.28V；TP4056模块电池充电输出电压结果为：最大值：4.29V，最小值：4.08V，压差为0.21V；FM6316模块电池充电输出电压输出结果是最大值为4.02V，最小值为4.00V，压差为0.02V。再对三种电源模块充电时的输出电压波纹进行测量，记录输出电压的最大值与最小值，测试电源电路边充电边放电的能力。在测试中TP5400模块充电时输出电压结果是最大值为5.01V，最小值为4.85V。TP4056模块充电时输出电压结果为最大值为5.2V，最小值为5.06V。FM6316模块充电时输出电压输出结果最大值为4.03V，最小值为4.01V。最后对三种电源电路放电时电压输出电压波纹进行测量，测试中TP5400模块放电时输出电压输出结果最大值为5.74V，最小值为5.02V；TP4056模块放电时输出电压输出结果最大值为5.18V，最小值为5.07V；FM6316模块放电时输出电压结果最大值为5.45V，最小值为4.51V。

(2)程序编写及调试：

该环测装置程序编写及调试主要实现各传感器数据实采集以及AD0809对甲醛传感器和电源电量正确转换显示，用来测试传感器数据采集的稳定性和实时显示。

程序编写主要结合主控单片机STC12c5a60s2的硬件结构和传感器的通信方式，通过配置单片机的相应寄存器和定时器，运用数模转换模块AD0809对电源电压和甲醛传感器的模拟量转换为数字量，并利用单片机的串口和无线通信模块对数据包发送。

根据空气质量检测装置软件编程的基本流程图，分别编写主控单片机和无线通信模块传送每一个传感器数据和电源模块数据的程序，并烧入单片机中，验证程序合格后。进一步编写单片机传送传感器、电源集成模块数据，在模块的印刷电路板上实验调试，最终编写调试出数据采集显示稳定的程序。

本实用新型的工作原理如下：

(1)数模转换

模拟量转换成数字量的过程称为模数转换，简称为A/D转换，A/D转换要包括采样、保持、量化、编码四部分电路，模拟信号经过采样电路得到采样信号，为了保证能从采样信号中将原信号恢复，必须满足条件f_s≥2f_i(max)，其中f_s为采样频率，f_i(max)为模拟信号最高次谐波分量的频率。量化是指将模拟信号量程分成许多离散量级，，编码是对每一量级分配唯一的数字码。

在环境质量检测模块设计中，甲醛传感器和电源电压转换都是采用模数转换的原理。

(2)单总线通信方式

单总线是指主机和从机通过一根线进行通信的方式，单总线通信过程包括初始化、写间隙、读间隙三个过程，在初始化过程中包含复位脉冲和从机应答脉冲，主机通过拉低单总线产生复位脉冲，然后释放总线进入接收模式，主机释放总线时会产生低电平跳变为高电平的上升沿，单总线检测到上升沿后，延时一段时间单总线从机会拉低总线来产生应答脉冲，主机接收到从机的应答脉冲，写间隙包括写0和写1的时间间隙，当数据线拉低后，在15～60us的时间窗口内对数据线进行采样，如果数据线为低电平，就是写0；如果数据线为高电平，就是写1。

在环境质量检测模块设计中，温湿度传感器区别于甲醛传感器和PM2.5传感器的通信方式，采用单总线的通信方式。

(3)扩频技术

扩频是一种利用信息处理改善传输性能的技术，扩频通信的基本思想和理论依据是香农公式，C＝B log2(1+S/N)，C是指信道容量，B是码元速率的极限值(由奈奎斯特指出B＝2H，H为信道带宽，单位Baud)；S是信号功率(瓦)，N是噪声功率(瓦)。率并消除了干扰，即不同扩频序列的终端使用相同的频率同时发送也不会相互干扰。

无线通信模块中射频芯片SX1278芯片使用该扩频技术，这使得不同扩频序列的终端即使使用相同的频率同时发送也不会相互干扰。在此基础上研发的集中器/网关能够并行接收并处理多个节点的数据，扩展了系统容量。基于该技术的测距和定位功能将会推动它在物联网领域的大规模应用，由此可以逐步深入研究发展。

相比背景技术中介绍的内容，本实用新型对被检测环境影响小；传感器网络采集数据量大、精度高、成本低；可以将无线通信网络与传感器网络结合起来，适用在无人值守的远程检测。因此，通过该检测设备的研发可以实现对环境质量的智能化信息采集和数据传输，也可以将该设备应用于工业场所、大型建筑物内、室外广袤环境等一些不便于布线的场合，增强环境质量检测的便捷性同时降低使用成本。同时，为了避免传感器节点带来的问题，在环测设备的设计时发明应用一种远距离低功耗的无线通信模块，并且开发出Contiki操作系统下Rime协议栈程序，在满足远距离通信传输的基础上实现节能和自组网的功能需求。

具体而言，(1)基于低功耗通信网络和传感器集成的环境检测装置设计的有益效果：通过该环境检测装置的设计可以将甲醛、温湿度、PM2.5浓度检测集成在一个设备中，实现这三项数据指标检测的便捷，同时此环测装置整体设计小巧可以放在居民住房、实验室、厂房、实验室以及一些不便于布线的场所；环境检测装置中的传感器及相关芯片精度高、稳定性强、成本低，实现整个设备设计的高性价比，适合大面积的应用。(2)软件编程开发的有益效果：在环测装置设计中优化软件编程的逻辑结构，只提取传感器和其他功能模块数据中有用的数据部分，精简协议，可以节省传感器节点的能量，保证环测装置长时间的运行，同时可以减少传感器数据的延时，保障数据传送的效率和实时性的特点。(3)运用远距离低功耗无线通信模块的有益效果：环测装置运用该无线通信模块可以将传感器数据以低发射功率获得更广的传输范围和距离，该无线通信模块的单个网关或基站可以覆盖数百平方公里范围，实现环测装置传感器数据的远距离收发。

针对本实施例所采用的技术方案，在器件选型和硬件设计上还有其他方案可作为替代：

(1)电源芯片

在本装置中充电电源芯片采用FM6316，可以采用芯片TP5400和TP4056代替，通过电源测试可知TP5400输出电压最大值与最小值的差值为0.28V，TP4056的差值为0.21V，FM6316芯片差值虽然很为0.02V，两种充电芯片都可与FM6316达到同样的充电效果。

(2)软件程序

在该环测装置中的软件设计中，也可以采用以下的程序代替，两种设计传感器采集数据得到的结果相同，可替代程序的步骤更多，对单片机内存的资源占用更大。

本实用新型的关键技术点在于：

(1)环境检测装置设计中相关传感器和芯片选型：本发明实现的主要目的在于设计能够准确、实时采集及传送传感器数据的检测设备，并且要保证设计成本低、功能扩展性强、节点能量利用率高，相关传感器和芯片选择是设备设计目的实现的首要关键点，根据装置的功能需求和整体架构，对比不同传感器及芯片型号的特点选择模块要使用的芯片型号。

(2)充电电源模块的测试：环境质量检测装置设计中需要对充电电源电路测试，通过示波器对不同充电芯片的充电电压波纹、充电时输出电压波纹、放电时输出电压波纹进行测量，分析对比不同芯片的充放电特性，选出能为检测模块提供稳定电压的充电芯片。

(3)电路原理图的绘制和印刷板的设计：设计环境质量检测装置，在选定基本的传感器和相关芯片的前提下，参考主控单片机的手册、传感器的通信方式、其他模块芯片的应用说明，对各个模块的连接方式进行设计，进而画出检测模块电路原理图和PCB板，这其中要不断焊接测试板看各模块数据传送的效果，基于无线通信网络和传感器集成的环境质量检测装置设计就是遵循这样的方法设计传感器模块、主控模块、电源模块、电量显示模块、稳压模块、数模转换模块AD0809、无线通信模块的连接电路和印刷电路板的设计。

(4)软件编程实现模块功能：为了实现环测装置将传感器采集数据包的有用部分准确实时的的传送给上位机，需要了解各传感器的数据包格式和所需数据所在的字节数，需要了解数模转换AD0809转换模拟量的工作原理，环测装置设计中：温湿度传感器采用DHT22,其通信方式采用单总线模式，主控模块向与DHT22的连接接口发送开始信号后，DHT22发送响应信号，送出40bit的数据，触发一次信号采集，在编程时需运用好主控单片机的时钟频率和延时函数时间的设定，否则容易采集不到数据；PM2.5传感器采用PSX7003，其数据包有32个字节，模块中要用到的是PM2.5的浓度，是数据包中第七、八字节数据，编程时需要把这部分数据提取出来；软件编程时要完成数模转换模块AD0809对甲醛传感器和电源电量模拟量的转换，最后通过主控单片机和无线通信模块将数据包传送给上位机。

(5)低功耗扩频无线通信模块中射频信号发射接收电路的设计，保证环测装置中传感器数据发射的信号传输质量和信号发射效率，为环测装置数据传输的低功耗和远距离起到主要作用。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，而非对其限制；应当指出，尽管参照上述各实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对上述各实施例所记载的技术方案进行修改，或对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改和替换，并不使相应的技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。