基于单片机的无线环境监测系统及方法与流程

本发明涉及一种环境监测系统及方法，尤其是一种基于单片机的无线环境监测系统及方法。属于无线监测技术领域。

背景技术：

目前，无线环境监测系统只具备简单的数据传输功能，即从机采集环境数据，主机无线接收数据，功能单一，用途不广。随着单片机的广泛应用和通信技术的日趋发展，超远程的实时监控越来越备受关注，尤其在国防和工业生产中更是起着无可替代的作用。

近年来，随着工业生产效率的不断提高，自动化水平与范围的不断扩大，对环境监测技术的要求也愈来愈高，各国专家都在有针对性地竞相开发各种特殊而实用的测量技术，并取得了重大进展。但目前我国环境监测仪器多是中小型企业生产，产品基本集中在中低档的环境监测仪器，远不能适应我国环境监测工作发展的需要。主要表现为：1)技术档次低，低水平和重复生产严重，规模效益差。2)产品质量不高，性能不稳定，一致性较差，使用寿命短，故障率高。3)研究开发能力较低，在线监测仪器的系统配套生产能力较低，不能适应市场的需要。

无线通信技术已经在我们的日常生活中得到了广泛的应用，目前应用广泛的短距离无线通信技术主要有IEEE802.11 WLAN、蓝牙、IrDA、Home-RF、ZigBee、微功率短距离无线通信技术等。与目前己经具备相当规模的无线长距离通信网络相比，短距离无线通信系统在基本结构、服务范围、应用层次及通信业务(数据、话音)上，均有很大的不同。

(1)IEEE802.11

802.11是个系列标准，由5个现行有效的标准802.11、802.lla、802.11b、802.1lb-Corl、802.11c和5个正在发展制定中的标准802.1le、802.11f、802.11g、802.llh、802.11i组成。IEEE802.llb技术标准是无线局域网的国际标准，自发布之日起就得到了广泛的应用，迄今为止仍是应用热点。该标准工作在2.4GHz的频段上，采用了补码键控(CCK)调制技术和直接序列调频(DSSS)技术，最大传输速率可达11Mbit/s，并且可以根据情况的变化，在11Mbit/s、5.5Mbit/s、2Mbit/s、1Mbit/s的不同速率之间自动切换，且在2Mbit/s、1Mbit/s的速率时与802.11兼容，它从根本上改变了WLAN的设计和应用现状，扩大了WLAN的应用领域。现在，大多数厂商生产的WLAN产品都基于802.11标准。802.11a标准与802.11b标准同年制定，它工作在5GHz频段上，使用OFDM(Orthogonal Frequeney Division Multiplexing)调制技术，支持6、9、12、18、24、36、48和54Mbit/s的传输速率。802.llb与802.lla两个标准都存在着各自的优缺点。802.llb的优势在于价格低廉，但速率较低(最高11Mbit/s)，而802.lla优势在于传输速率快(最高54Mbit/s)且受干扰少，但价格相对较高。另外，802.llb与802.lla工作在不同的频段上，不能工作在同一接入点(AP)的网络里，因此802.llb与802.lla互不兼容。

为了解决上述问题，IEEE802.ll工作组开始定义新的物理层标准802.11g。802.11g标准与以前的802.11协议标准相比有以下两个特点：在2.4GHz频段使用正交频分复用(OFDM)调制技术，使数据传输速率提高到20Mbit/s以上；能够与802.llb的Wi-Fi系统互相连通，共存于同一AP的网络里，保障了后向兼容性，延长了802.llb产品的使用寿命，降低了使用者的投资。

(2)蓝牙(Bluetooth)技术

蓝牙技术作为一种近距离无线连接的全球性开放规范，己经得到了全球众多大企业的支持。蓝牙技术同时支持语音和数据传输，使用跳频扩频技术，本身包括纠错机制，可靠性高，蓝牙规范的核心部分协议允许多个设备进行相互定位、连接和交换数据，并能实现互操作和交互式应用。但是蓝牙设备价格昂贵，通信协议复杂，通讯距离近，蓝牙RF定义了三种功率等级(100mw，25mw和l mw)当蓝牙设备功率为l mw时，其发射范围一般为100m。在蓝牙技术的使用过程中，人们发现蓝牙技术尽管有许多优点，但仍存在许多缺陷。对工业，家庭自动化控制和遥测遥控领域而言，蓝牙技术显得太复杂，功耗大，距离近，组网规模太小等，而工业自动化对无线通信的需求越来越强烈。

(3)红外(IrDA)技术

IrDA(Infrared Data Association)是由红外数据协会提出并推行的一种无线通信协议，这种通信方式通过数据电脉冲和红外光脉冲之间的相互转换实现无线数据的收发。IrDA设备使用发光二极管发送信号，波长范围875nm±30nm。新制定的超高红外(VFIR)标准传输速率达到16Mpbs，相比传统版本的4Mbps快了4倍，接收角度也由原来的30度扩展到120度。IrDA设备的使用不需要申请特定频率的使用执照，并且还具有体积小、功耗低、技术成熟的优点。IrDA数据传输速率比较高，同时由于是点对点的通信，受到的干扰也较小，目前在成熟度和普及度上，IrDA是新兴的无线通信技术无法比拟的。

但是，IrDA的缺点也很明显。首先IrDA是一种视距传输技术，通信设备中间不能有任何阻挡物，通信设备的位置也需要相对固定，不适宜用于移动数据传输；其次，IrDA只能实现点对点的无线通信，不能完成点对多点的无线通信；最后，IrDA设备的核心器件红外LED容易损坏，因而设备寿命有限。

(4)无线单片技术

该技术一般采用单片数字信号收发芯片，加上微控制器和少量外围器件构成专用或通用无线通信模块。一般射频芯片采用FSK调制方式，工作于ISM频段，一些必要的外围模块都已经集成在芯片内部，并且提供了简单透明的数据传输议或使用简单的加密协议，使用者不用对无线通信原理和工作机制有较深的了解只要依据芯片提供的操作接口进行操作即可实现基本的数据无线传输功能。由于其功率小、价格低廉、开发简单快速因而在工业、民用领域得到了广泛的应用。但数据传输速度、流量都较小，因此比较适合搭建对数据传输速度要求不高的小型网络。目前，很多公司推出了这种类型的单片无线收发芯片，其中比较典型的是Nordic公司推出的nRF系列芯片。在对短距离无线通信的研究方面，目前国外除了继续完善和提高短距离无线通信技术以外，对由短距离无线通信设备构成的无线网络进行了较多的理论研究，其典型代表是对主要应用于军事的无线传感器网络的研究。这些研究主要集中在无线网络的路由协议、介质访问协议，节点间的同步以及数据融合技术等方面，并提出了大量针对不同应用的网络模型和通信协议。

目前，国内高校对短距离无线通信在生产和生活中的应用上研究的较多。其中，短距离无线通信在汽车轮胎压力实时监测、酒店无线点菜、不停车收费、工业控制系统总线的无线传输等领域均有研究。这些研究大多着重于无线通信功能的实现，对应用中的低功耗和抗干扰性能没有进行深入的研究。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供一种基于单片机的无线环境监测系统，该系统可实时地对所测环境的温度、湿度、有害气体浓度等参数进行测量处理。

本发明的另一目的在于提供一种基于上述系统的无线环境监测方法。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

基于单片机的无线环境监测系统，包括上位机、下位机和移动终端，所述移动终端分别与上位机和下位机连接，所述上位机与下位机之间相互连接；所述下位机包括探测装置和接收装置，所述探测装置包括第一单片机、第一无线传输模块、温湿度采集传感器、可燃气体传感器、报警模块和显示模块，所述第一单片机分别与第一无线传输模块、温湿度采集传感器、可燃气体传感器、报警模块以及显示模块连接，所述接收装置包括第二单片机、第二无线传输模块和串口通信模块，所述第二单片机分别与第二无线传输模块以及串口通信模块连接。

作为一种优选方案，所述报警模块包括蜂鸣器和继电器；所述蜂鸣器采用+5V的有源蜂鸣器，所述蜂鸣器与第一三极管的集电极连接，通过第一三极管放大电流从而驱动蜂鸣器发出响声，蜂鸣器的两端并联第一二极管，所述第一三极管的发射极上串接一个可调电阻；所述继电器采用5V的继电器，所述继电器与第二三极管的集电极连接，通过第二三极管放大电流从而驱动继电器闭合或断开，继电器的线圈两端并联第二二极管，继电器闭合或断开时，触发接线端子的常开、常闭触点的动作，实现继电器的控制，继电器闭合时，LED指示灯亮，继电器闭合时，LED指示灯灭。

作为一种优选方案，所述第一单片机采用STC12C5A60S2单片机，所述第二单片机采用STC89C52RC单片机；所述第一无线传输模块和第二无线传输模块均采用NRF24L01无线模块，该NRF24L01无线模块通过AMS1117-3.3这个三端稳压元器件，使+5V的供电电源降压到+3.3V；所述串口通信模块采用MAX232电平转换芯片构成的串口通信电路，所述MAX232电平转换芯片的引脚1和引脚3之间、引脚2和引脚16之间、引脚4和引脚5之间、引脚6和引脚15之间均接有一个0.1μF的瓷片电容，串口发送数据口和接收数据口均串接LED指示灯。

作为一种优选方案，所述温湿度采集传感器采用DHT11温湿度传感器，所述DHT11温湿度传感器的引脚2串接一个上拉电阻，该上拉电阻的电阻值为5K，引脚3悬空或接+5V电源；所述可燃气体传感器采用MQ-2可燃气体传感器，所述MQ-2可燃气体传感器的引脚1串接一个阻值为1K的电阻，并且并联一个20PF的小滤波电容和一个1μF的大滤波电容；所述显示模块采用1602液晶显示电路，该1602液晶显示电路接有一个可调电阻。

作为一种优选方案，所述系统的工作模式包括发送数据模式、接收数据模式和互联网模式；所述发送数据模式用于采集环境数据，并由下位机发送给到上位机，在上位机中显示和统计；所述接收数据模式用于上位机控制下位机的报警浓度阀值和采样时间间隔；所述互联网模式用于实现收发短信、发送电子邮件、朗读数据以及在线天气功能。

本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：

基于上述系统的无线环境监测方法，所述方法包括以下步骤：

S1、上位机控制下位机的报警浓度阀值和采样时间间隔；

S2、下位机在每个采样时间间隔结束后，采集温度、湿度、可燃气体浓度数据，经过处理后发送给上位机，并进行显示；

S3、上位机对温度、湿度、可燃气体浓度和继电器状态进行实时数据监视，若可燃气体浓度大于报警浓度阀值，则发出报警声。

作为一种优选方案，所述步骤S1，具体为：

S11、上位机在设定报警浓度阀值和采样时间间隔后，向下位机下达指令；

S12、接收装置的串口通信模块接收中断产生，接收来自串口通信模块的数据，并判断是否为标识符，若是标识符，则通过第二无线传输模块将完整的数据发送给探测装置的第一无线传输模块；否则，保存当前数据，等待下次中断，直到接收到完整的数据再发送数据。

作为一种优选方案，所述步骤S2，具体为：

S21、探测装置通过第一无线传输模块接收无线数据，并等待中断；

S22、当定时器中断产生后，若未到达采样时间，则等待下次中断，若到达采样时间，则通过温湿度采集传感器采集温度、湿度数据，并打开第一单片机的A/D转换接口，通过可燃气体传感器采集可燃气体浓度数据；

S23、判断可燃气体浓度是否大于报警浓度阀值，若可燃气体浓度大于报警浓度阀值，则继电器闭合，蜂鸣器发出响声，同时LED指示灯亮；否则，继电器断开，蜂鸣器不发出响声，同时LED指示灯灭；

S24、通过第一无线传输模块发送数据到接收装置的第二无线传输模块，再通过串口通信模块发送给上位机，并通过显示模块显示温度、湿度、可燃气体浓度、报警浓度阀值和继电器状态。

作为一种优选方案，所述步骤S3，具体为：

S41、上位机从串口接收下位机发送的数据，对温度、湿度、可燃气体浓度和继电器状态进行实时数据监视；

S42、判断可燃气体浓度是否大于报警浓度阀值，若可燃气体浓度大于报警浓度阀值，则发出报警声；

S43、通过界面显示温度、湿度、可燃气体浓度和继电器状态，并生成实时曲线。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明的移动终端分别与上位机和下位机连接，上位机与下位机之间相互连接，使得上位机、下位机和移动终端三者之间可以两两相互通信，可以实现数据的共享和相互交流，联网功能能够让使用者了解到当地的环境数据，使用者可比对采集到的数据是否吻合；此外，下位机采用单片机作为主控制电路，并以无线传输模块为核心，配置新式的微型低功耗传感器，可实时地对所测环境的温度、湿度、有害气体浓度等参数进行测量处理，在实际应用中能够对环境参数进行准确的测量并可靠传输，体现了传感器数字化、智能化、无线化的优点。

2、本发明的数据的采集和处理采用了软件滤波和硬件滤波法，软件滤波主要通过取平均值法和比较历史值法，从而排除异常值，保留有效值，使得采集到的数据更加有效和精确，排除误差，提高了数据采集的精度。

3、本发明的上位机可以通过连接互联网来实现对环境数据的短信发送，电子邮件发送功能，数据中英文朗读功能等等，而且在手机终端还可以回复相应的代号，从而控制上下位机的动作。

附图说明

图1为本发明的无线环境监测系统结构框图。

图2为本发明的探测装置的结构框图。

图3为本发明的接收装置的结构框图。

图4为本发明的探测装置中第一单片机的主控制电路原理图。

图5为本发明的探测装置中温湿度传感器的电路原理图。

图6为本发明的探测装置中可燃气体传感器的电路原理图。

图7为本发明的探测装置中第一无线传输模块的电路原理图。

图8为本发明的探测装置中报警模块的蜂鸣器电路原理图。

图9为本发明的探测装置中报警模块的继电器电路原理图。

图10为本发明的探测装置中显示模块的电路原理图。

图11为本发明的接收装置中第二单片机的电路原理图。

图12为本发明的接收装置中串口通信模块的电路原理图。

图13为本发明的探测装置主程序流程图。

图14为本发明的探测装置定时器中断流程图。

图15为本发明的接收装置主程序流程图。

图16为本发明的接收装置串口通信模块接收中断流程图。

图17为本发明的上位机流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

从理论上来讲，2.4GHz是工作在ISM频段的一个频段。ISM频段是工业，科学和医用频段。一般来说世界各国均保留了一些无线频段，以用于工业，科学研究，和微波医疗方面的应用，应用这些频段无需许可证，只需要遵守一定的发射功率(一般低于1W)，并且不要对其它频段造成干扰即可。

ISM频段在各国的规定并不统一。而2.4GHz为各国共同的ISM频段。因此无线局域网(IEEE 802.11b/IEEE 802.11g)、蓝牙、ZigBee等无线网络，均可工作在2.4GHz频段上；所谓的2.4G无线技术，其频段处于2.405GHz-2.485GHz(科学、医药、农业)之间，所以简称为2.4G无线技术。

免费频段，是指各个国家根据各自的实际情况，并考虑尽可能与世界其他国家规定的一致性，而划分出来的一个频段，专门用于工业，医疗以及科学研究使用(ISM频段)，不需申请而可以免费使用的频段。我们国家的2.4G频段，就是这样一个频段。然而，为了保证大家都可以合理使用，国家对该频段内的无线收发设备，在不同环境下的使用功率做了相应的限制。例如在城市环境下，发射功率不能超过100mW。

NRF24L01是单片射频收发芯片，工作于2.4～2.5GHz ISM频段。工作电压为1.9～3.6V，有多达125个频道可供选择。可通过SPI写入数据，最高可达10Mb/s，数据传输率最快可达2Mb/s，并且有自动应答和自动再发射功能。和上一代nRF2401相比，nRF24L01数据传输率更快，数据写入速度更高，内嵌的功能更完备。芯片能耗非常低，以-6dBm的功率发射时，工作电流只有9mA，接收时工作电流只有12.3mA，多种低功率工作模式(掉电模式和空闲模式)使节能设计更方便。这就不难发现为什么绝大部分甚至微软、罗技这样的知名键鼠企业都普遍采用NRF24L01芯片作为收发芯片的原因。

2.4G数字无绳电话方案采用NSC的2.4G无线方案，运行在2.4GHz(2400-2483.5GHz)开放频段上，采用时分双工(TDD)，调制方式为BT＝0.5的GFSK，调制指数为0.28-0.35，采用跳频方案以确保链路稳定。“2.4Ghz非联网解决方案”也就是俗称的2.4G无线网络技术。它的优点是解决了27Mhz功率大、传输距离短、同类产品容易出现互相干扰等缺点而提出的。2.4G无线技术之所以是“2.4G”而不是“2.5G”是因为该技术使用的频率是2.4-2.485GHz ISM无线频段，该频段在全球大多数国家均属于免授权免费使用，这为产品的普及扫清了最大障碍。

蓝牙技术是一种短距离无线通信技术，是一种可实现多种设备之间无线连接的协议，是一种简便稳定的无线连接手段，凭借其在使用距离、抗干扰能力、易用性、安全性等方面的领先，同时蓝牙设备的成本也不断的下降，使蓝牙技术逐渐成为无线外设的主流技术；所有蓝牙设备都必须具备的蓝牙标志，正因为蓝牙技术由2.4-2.485GHz ISM(工业、科学、医学)频段增加特定协议而来，因此它能够使任何蓝牙设备在一定范围内互相配对并连接、传输数据。这个技术的好处不但使减低了甚至杜绝了无线设备互相干扰的现象，甚至使蓝牙设备适应性更广，成本更低廉；此外，蓝牙技术传输速率最高为每秒1Mbps，虽然和2.4Ghz非联网解决方案的2Mbps还有一定差距，但还是要高于27MHz无线技术。

为了实现个人PC自动化控制，将人类从有线的环境中解放出来，以取代线缆为目标，键鼠无线技术广受大家欢迎，不过传统的27MHz RF无线频率带技术，在这个频率带中有四个全球范围的频道：其中两个用于无线键盘，另外两个用于无线鼠；输出速率为4.8MB/S，不但容易受到干扰，而且传输距离仅为6英尺(182.88cm)。

因此，本实施例提供了一种无线环境监测系统，该系统可实时地对所测环境的温度、湿度、有害气体浓度等参数进行测量处理。

如图1～图3所示，本实施例的无线环境监测系统包括上位机、下位机和移动终端，所述移动终端分别与上位机和下位机连接，所述上位机与下位机之间相互连接；所述下位机包括探测装置和接收装置，所述探测装置包括第一单片机、第一无线传输模块、温湿度采集传感器、可燃气体传感器、报警模块和显示模块，所述第一单片机分别与第一无线传输模块、温湿度采集传感器、可燃气体传感器、报警模块以及显示模块连接，所述接收装置包括第二单片机、第二无线传输模块和串口通信模块，所述第二单片机分别与第二无线传输模块以及串口通信模块连接。

整个系统的工作模式包括发送数据模式、接收数据模式和互联网模式；所述发送数据模式用于采集环境数据，并由下位机发送给到上位机，在上位机中显示和统计；所述接收数据模式用于上位机控制下位机的报警浓度阀值和采样时间间隔；所述互联网模式用于实现收发短信、发送电子邮件、朗读数据以及在线天气功能。

一、探测装置的电路设计

第一单片机采用STC12C5A60S2单片机，STC12C5A60S2单片机的主控制电路如图4所示，与普通的51单片机最小系统类似，由晶振电路、复位电路、电源开关、电源指示灯、电源扩展口和上拉电阻等组成。

温湿度采集传感器采用DHT11温湿度传感器，如图5所示，DHT11温湿度传感器的引脚2(串行数据DATA脚)串接一个上拉电阻R3，该上拉电阻R3的电阻值为5K，引脚3悬空或接+5V电源，防止干扰。

可燃气体传感器采用MQ-2可燃气体传感器，如图6所示，所述MQ-2可燃气体传感器的引脚1串接一个阻值为1K的电阻R4，并且并联一个20PF的小滤波电容C5和一个1μF的大滤波电容C6。

第一无线传输模块采用NRF24L01无线模块，如图7所示，该NRF24L01无线模块的工作电压是+3.3V，但是供电电源是+5V，所以必须要进行必要的降压处理，使+5V降压到+3.3V，这样就需要用到AMS1117-3.3这个三端稳压元器件了，而且应该对NRF24L01无线模块的供电电源进行必要的滤波处理，确保无线传输模块供电的稳定性。

报警模块包括蜂鸣器和继电器，所述蜂鸣器的电路如图8所示，采用+5V的有源蜂鸣器(图中的Beep)，所述蜂鸣器与第一三极管Q1的集电极连接，通过第一三极管Q1放大电流从而驱动蜂鸣器发出响声，蜂鸣器的两端并联第一二极管D1，所述第一三极管D1的发射极上串接一个可调电阻R7，通过可调电阻R7方便手动调节通过蜂鸣器的电流，从而控制蜂鸣器的报警响声；所述继电器的电路如图9所示，采用5V的继电器(图中的jdq)，所述继电器与第二三极管Q2的集电极连接，通过第二三极管Q2放大电流从而驱动继电器闭合或断开，继电器的线圈两端并联第二二极管D2，第二二极管D2的作用是续流作用，防止线圈中存储的电流对外部元器件造成冲击和损伤，继电器闭合或断开时，触发P3接线端子的常开、常闭触点的动作，实现了继电器的控制作用，继电器闭合时，LED指示灯DS2亮，继电器闭合时，LED指示灯DS2灭；其中，第一二极管D1和第二二极管D2都均采用IN4004二极管。

所述显示模块采用1602液晶显示电路，如图10所示，该1602液晶显示电路可以显示最基本的英文、数字和符号信息，能够满足一般数据显示的需求，1602液晶显示电路接有一个可调电阻R5，可调电阻R5的阻值为10K，通过可调电阻R5可以调节液晶的偏压程度，在电源不稳定的情况下，可以调节变阻器的阻值来保证液晶的正常显示。

综上所述，整个探测装置的硬件平台采用模块化的构建方式，即每个部分都是一个相对独立的模块，可拆卸，可组装，方便二次开放利用以及调试；同时，由于模块化处理，所以硬件的可靠性更加高，集成度更高，更重要的是可以很方便地进行功能的扩展和升级；另外，各个模块均采用了跳线集中管理，可以通过跳线很方便地控制各个模块的电源供给。

二、接收装置的电路设计

第二单片机采用STC89C52RC单片机，STC89C52RC单片机的主控制电路如图11所示，采用典型的51驱动电路，由晶振电路、复位电路、电源开关、电源指示灯、电源扩展口和上拉电阻等组成。

第二无线传输模块采用NRF24L01无线模块，与探测装置的第一无线传输模块基本一致，在此不再赘述。

串口通信模块采用MAX232电平转换芯片构成的串口通信电路，如图12所示，所述MAX232电平转换芯片的引脚1和引脚3之间、引脚2和引脚16之间、引脚4和引脚5之间、引脚6和引脚15之间均接有一个0.1μF的瓷片电容，没有使用设计手册推荐的标准电容值(1μF)，经过多次的实验测试，使用0.1μF的瓷片电容一样可以达到电路的功能，而且，电路会更加小型化，集成度也更高。另外，串口发送数据口和接收数据口均串接了LED指示灯DS2、DS3，可以方便调试者观察串口的发送和接收数据的情况。

与探测装置类似的是，接收装置的硬件平台均采用模块化的构建方式，即每个部分都是一个相对独立的模块，可拆卸，可组装，方便二次开放利用以及调试；同时，由于模块化处理，所以硬件的可靠性更加高，集成度更高，更重要的是可以很方便地进行功能的扩展和升级；另外，各个模块均采用了跳线集中管理，可以通过跳线很方便地控制各个模块的电源供给。

三、下位机的软件设计

对于一个完整的系统来说，软件系统的设计尤为重要，一个设计严谨的软件系统能保证系统工作的快速性、稳定性、安全性和实时性，而且软件设计必须要根据硬件特性、适用场合等因素因地制宜地确定设计方案和设计流程，这样就为后期的维护和升级方面提供便利。

对于本实施例的无线环境监测系统，下位机的软件设计需要满足以下几点要求：

1)对于探测装置，要能准确无误地在每个采样时间间隔结束后正确采集各个环境数据，包括温度数据、湿度数据、可燃气体浓度数据等，并能够正确显示在液晶屏幕上。这样就需要利用到单片机的定时器功能，为定时器设定一个采样时间间隔，每隔一段时间，则启动定时器中断，开始采集数据信息，采集完数据马上就进行无线发送。

2)探测装置中不同的传感器相互干扰，有时会导致A/D转换出现很大误差。这时，可以改善电源和接地部分的电路，使用优质的电源线和数据线，使用相对稳定的参考电源；其次，适当降低A/D转换采样时间和转换速度；再者，合理地分配端口，防止对模拟量输入端口造成干扰；最后，适当地在程序中加入数字滤波，如平均值滤波法

3)对于接收装置，应该时刻准备着接收无线发送数据，并且准备马上发送数据到串口通信模块中，由串口通信模块发送到上位机；另外，还需要用到串口接收中断，当上位机下达指令时，马上产生中断，并将指令经由无线发送模块传送到探测装置，从而实现双向通信。

4)由于使用到的传感器比较多，代码量很大，所以，程序编写的时候在关键的部分应该书写注释，方便以后对代码的更改和调试；而且，应该对不同传感器应该进行模块化的编写处理，最后在主函数统一地进行调用，程序就更具有可读性和条理性。

如图13所示，为探测装置的主程序的流程图，主函数一直在接收无线数据，并等待中断，定时器中断产生后，开始执行图14所示的定时器中断流程图，若未到达采样时间，则等待下次中断，若到达采样时间，则通过温湿度采集传感器采集温度、湿度数据，并打开第一单片机的A/D转换接口，通过可燃气体传感器采集可燃气体浓度数据；判断可燃气体浓度(实时浓度)是否大于报警浓度阀值(报警浓度)，若可燃气体浓度大于报警浓度阀值，则继电器闭合，蜂鸣器发出响声，同时LED指示灯亮；否则，继电器断开，蜂鸣器不发出响声，同时LED指示灯灭；再通过第一无线传输模块发送数据到接收装置的第二无线传输模块，再通过串口通信模块发送给上位机，并通过显示模块显示温度、湿度、可燃气体浓度、报警浓度阀值和继电器状态。

探测装置的程序设计重点解决的问题是：

1)正确运用单片机的A/D转换，完成对可燃气体浓度以及其他环境数据的采集、数据的无线发送、报警状态显示和报警动作触发。

2)能正确接收无线信号(报警浓度阀值)，并马上回发接收到的报警浓度数据，方便上位机进行数据的匹配，确保探测装置已准确无误地接收到了指定的数据。

3)在主程序中正确合理地调用各个传感器的子函数，最后完成整个工程文件。

探测装置的程序设计主要分为两个部分，第一部分是：主程序部分；第二部分是：定时器中断子程序部分，这两个部分的代码如下：

1)主程序部分的代码

2)定时器中断子程序部分的代码

如图15所示，为接收装置的主程序的流程图，主函数一直在接收无线数据，接收到数据之后马上通过串口通信模块发送到上位机，上位机下达指令时，串口通信模块接收中断产生，开始执行图16所示的串口通信模块接收中断流程图，接收来自串口通信模块的数据，并判断是否为标识符，若是标识符，则通过第二无线传输模块将完整的数据发送给探测装置的第一无线传输模块；否则，保存当前数据，等待下次中断，直到接收到完整的数据再发送数据。

接收装置的程序设计重点解决的问题是：

1)正确地使用查询法设计串口发送程序，使用中断法设计串口接收程序。

2)正确地设计出无线接收程序，将接收到的各个环境数据经由串口通信模块发送给上位机；保存从串口通信模块接收到的报警浓度阀值，并设计无线发送程序发送到探测装置。

接收装置的程序设计主要分为两个部分，第一部分是：主程序部分；第二部分是：串口通信模块接收中断子程序部分。

1)主程序部分的代码

2)串口通信模块接收中断子程序部分的代码

四、上位机的软件设计

上位机采用一般的计算机实现，开发使用的软件是Visual Basic 6.0，使用该软件的原因是：

1)VB6.0入门比较容易，能够直观地构建人机交互界面，相比Visual C++更能够节省开发周期。

2)VB6.0系统自带控件很多，能够方便开发者开发软件，缩短开发时间。如果某些功能难以用一般语法完成，还能调用系统的API函数来实现这些功能，十分方便易行。所以，没有太大必要用更高版本的开发软件。

3)某些特殊功能需要外加第三方控件才能实现的，例如：制作实时动态曲线；而VB可以十分方便的直接注册并且使用它们。

4)VB6.0编译出的可执行文件对于微软操作系统的兼容性很高，经过合适的打包和封装，在绝大部分的微软操作系统中都能正常工作，使用范围很广泛。

如图17所示，为上位机的工作简化流程图，左侧的流程是接收数据过程，当打开了主界面之后，点击“打开串口”按钮，就开始接收数据，监控开始。如果浓度超过了报警值，则会自动报警。温度、湿度、可燃气体实时浓度和当前报警阀值都会以实时曲线的方式来展现在界面上，当然，继电器的开关状态也会在软件上显示。

右侧的流程主要是发送数据功能，当使用者输入有效的报警浓度阀值，并点击“发送”之后，就可以通过串口发送数据给系统的接收装置，由接收装置来无线发送数据或者指令；发送的同时，也在接收回送的数据，并且比对要发送的数据和接收到的回送数据，如果两个数据一致，证明了数据发送成功，则返回主程序；否则，超出一定的时间后，再次启动发送，直到接收到的回送数据等于发送数据为止。

当然，上位机的其他辅助功能、网络功能，并没有在图17的流程图中体现出来，图17的流程图只是上位机的主体功能的简单介绍。

上位机软件的界面总共有7个，分别是：

1)欢迎界面：提供软件的相关信息，打开的同时加载软件；

2)小贴士界面：提供软件使用指南；

3)主界面：主要负责数据显示和处理；

4)浏览器界面：可以浏览网站；

5)短信界面：可发送数据短信到指定的手机，或者接收回复的短信；

6)电子邮件界面：发送相关数据的电子邮件，可以带附件；

7)定时关机界面：设定监控的时长，超过该时长则自动关机。

其中，最重要的界面是主界面，主界面包含了整个上位机的主要功能，即数据功能：接收数据，显示数据，保存历史数据，并且可以使用实时曲线来反映数据的变化趋势。

其他界面功能的调用都需要使用者在主界面上进行操作才能使用，主界面主要负责的是数据的显示和处理；欢迎界面负责提供软件的相关信息；小贴士界面提供软件使用指南；浏览器界面可以浏览网站；短信界面可发送数据短信到指定的手机，或者接收回复的短信；电子邮件界面可以发送相关数据的电子邮件(带附件)；定时关机界面能设定监控的时长，超过则自动关机。

上位机的主要功能有5个，如下：

1)温度、湿度、可燃气体浓度、报警浓度值、继电器开关状态的实时数据监视、2D/3D实时曲线显示

实时数据的显示主要是通过处理从串口接收到的数据流，分别提取温湿度、可燃气体浓度、报警浓度值、继电器开关状态这几个数据，并且反映在主界面上。

实时曲线的显示主要是通过TeeChart控件来实现的，该控件能在VB开发环境中使用，能很直观方便地显示数据，可以生成多种图表。该控件还自带有多种小工具，如：放大镜工具、移动X轴工具、移动Y轴工具等；另外，使用该控件还可以绘制出二维或者三维的静态曲线图，再加入合适的程序，就可以绘制出实时的动态数据曲线。

主界面能清晰地通过类似数码管的形象来显示数据，还可以记录数据的最大值、最小值；当浓度值超过报警值时，还会自动打开报警声音文件，达到自动报警效果。

2)报警浓度阈值可以远程控制

使用者可以在报警浓度的输入框内输入有效的数据，然后点击“设置”，就可以远程设置报警浓度阀值了；例如设置报警浓度阀值为18ppm，发送成功之后，会有提示框弹出；而且，实时曲线中的红线(报警浓度线)也跟着从50ppm下降到18ppm。

另外，还可以界面通过滑动滑块调整下位机的数据采样时间间隔，以及上位机发送数据时的超时重发时间间隔。

3)实时数据的Excel表格或者WPS表格输出

使用者可以在安装有Excel表格的计算机上点击“高级”--“Excel”，就可以自动打开Excel软件，并且到达采样时间间隔后，把采集到的数据同步记录在表格中。同理，也可以在安装有WPS表格的计算机上点击“高级”--“WPS”，就可以自动打开WPS表格，并且把采集到的数据记录在表格中。

如果需要保存，则可以点击“Save”进行文件另保存，可以设置保存的路径和文件名，文件名默认是当前计算机的系统时间。保存之前，软件会自动地统计数据的最大值、最小值和平均值，并且在数据表格的最下面一行显示出来。

4)截图功能(全屏截图)

截图功能的实现主要是通过Windows系统的API函数来实现的，通过调用API函数将截图加载到PictureBox控件中，最后，保存PictureBox控件中的截图即可完成截图功能，截图的文件名默认是当前计算机的系统时间。

5)定时关机功能(关机前自动保存文件)

定时关机功能是通过系统的API函数和定时器实现的，输入时间长度，开始倒计时，当倒计时为0时，自动弹出提醒消息框，再次确定是否自动关闭计算机。此时，有30秒时间确认；如果超过了30秒没有取消关机的话，将会自动关闭上位机软件，关闭计算机，如果上位机正在输出数据到Excel/WPS表格，则会自动保存表格文件。关闭软件后，在第二个30秒后，将自动关闭计算机。

上位机的网络功能主要有5个，显然，网络功能正常使用的前提是计算机必须正常连接到互联网(即系统的互联网模式)，5个网络功能如下：

1)显示各地(例如广东)实时天气质量状况

该功能是主界面上的辅助网络功能之一，需要最大化主界面的窗口才能看到。而且，必须要打开网络连接才能加载当地的天气信息，网络连接是否正常可以查看右上角的网络连接状态提示。

该功能的实现是通过Web Browser控件，在后台打开相关的天气网站；并且使用HTML的网页编程语言来提取该天气网站的天气信息，并最终反映在上位机的主界面上。该功能一旦打开，就会每隔半个小时自动刷新一次当地的天气信息，可以实现自动更新。该功能主要是为使用者提供温湿度值的参考值，而参考值就来源于当地当天的天气状况，使用者可以对比采集到的实时温湿度值和当地当天的温湿度值，这样就可以初步判断采集装置是否在正常工作或者采样环境是否出现异常。

2)在线中英朗读温湿度值，浓度值以及广东某地实时天气质量状况；

朗读功能的实现有两种办法可以实现：一、通过调用本地的语音包；二、通过连接网络在线朗读。第一种方法虽然可以离线朗读，完全脱离网络，但是，付出的代价是需要给软件附带上庞大的语音包，如果还需要其他语言的话，语音包的占用空间将会更加的庞大。而第二种办法虽然必须连接互联网才能实现，但是，由于完全不需要语音包，能够最大程度地减少软件的占用空间。而且，需要朗读多国语言的时候，只需要增加少量代码即可，不需要再下载相应的语音包，扩展性和实用性更强。

该功能是主界面上的辅助网络功能之一，与在线天气功能类似，也是通过WebBrowser控件，在后台加载朗读网站，把有关的数据或者天气质量状况发送到朗读网站，就能简便地实现在线朗读功能了。另外，该功能还支持中英文双语朗读。

3)即时、定时发送电子邮件(可上传附件)

发送E-mail是通过建立CDO.Message对象，由使用者在上位机上输入有效的发送、接收电子邮箱地址，就可以通过发送邮箱的SMTP服务器来进行发送邮件功能了。所以，要正常使用该功能，使用者的发送邮箱必须要开启SMTP服务，SMTP服务的开启需要使用者手动登陆发送邮箱才可以设置。发送的电子邮件默认主题是：监控数据；默认的内容是当前温湿度、可燃气体浓度和继电器状态。

另外发送电子邮件可以选择单次发送或者是定时发送，也可以上传任意类型的附件，上传的附件建议是保存有历史数据的Excel或WPS表格文件。

4)即时、定时发送短信；接收短信，并根据回复的短信代号实现某些动作

发送短信的主要原理与发送电子邮件的原理类似。首先，发送电子邮件到指定的手机号码绑定的电子邮箱地址，例如：移动采用139邮箱，联通采用wo邮箱，电信采用189邮箱。成功发送电子邮件后，为了让手机能够接收到短信，就需要事先登陆对应的邮箱，并且设置“收到电子邮件后短信提醒”的功能，这样就能附带地发送手机短信了。

发送的内容默认是当前温湿度、可燃气体浓度、继电器状态和报警浓度值。而且，在发送第一条短信之前，还会自动发送一条提示短信，用于提示手机终端怎样回复短信内容。

该功能的发送模式有三种，分别是单次发送、定时发送和报警发送。单次发送是点击“发送”后只发送一次；定时发送是可以通过移动滑块选择合适的定时间隔(1-5分钟)，然后定时发送；报警发送相当于固定时间间隔为15秒的定时发送，但是发送的前提是当前可燃气体浓度超过了报警值。

至于接收短信功能，需要在短信发送接收界面上勾选“接收短信”。原理是使用Web Browser控件后台登录对应的邮箱网站，定时刷新收件箱，并且自动接收最新的邮件，提取邮件中的内容。此时，邮件的内容就相当于是手机回复短信的内容。提取邮箱的内容后，如果在短信发送接收界面还勾选了“短信控制”，则会按照回复短信的代号来实现对应的动作指令。目前支持的回复指令有：1、改变报警值(直接回复XXXppm)；2、屏蔽短信功能；3、停止监控；4、关闭软件；5、关闭计算机。

5)浏览网站

点击上位机主界面右上角的IE图标，就可以调用系统的IE浏览器内核，在上位机软件里面就可以浏览网站。该简易的浏览器界面具备了基本浏览器所拥有的功能，能满足使用者的一般需求。

该功能原理是使用Web Browser控件，并且合理使用了该控件的方法和属性，可以基本地实现简易浏览器的功能，如：打开主页、后退、前进、刷新、停止等功能，并且能自动保存使用者输入过的网页地址信息，方便下次直接使用。

浏览器使用的内核是当前系统安装的IE浏览器内核，使用IE6.0以上版本的浏览器，能够达到比较理想的浏览效果。

上位机的软件系统运行说明：

1)上位机开发使用的软件是VB6.0，可以在绝大多数的Windows操作系统使用，适用系统有：Windows XP、Windows 2003、Vista、Windows 7(32位或64位)等等。

2)上位机系统的功能分为主要功能和网络功能。其中，主要功能是本地的数据采集、数据处理和数据输出功能，是可以离线使用的；但是，网络功能要连接互联网才能使用。

3)上位机的短信功能、电子邮件功能、在线天气功能、中英朗读功能都是需要相关网站的支持，如果相关网站维护或者关闭了，将无法使用这些功能。

4)软件的代码量庞大，而且，没有经过严格的软件测试和软件查错，难免会有纰漏，所以，可能会有漏洞或者缺陷。

本实施例中所述的移动终端可以是手机、电子书、PDA、人机交互终端或其他具有显示功能的手持式终端设备。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明专利构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。