基于WiFi的家居甲醛監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)

黃國強，曾 英，劉持標

（三明學院 信息工程學院 物聯(lián)網應用福建省高校工程研究中心，福建 三明365004)

基于WiFi的家居甲醛監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)

黃國強，曾 英，劉持標

（三明學院 信息工程學院 物聯(lián)網應用福建省高校工程研究中心，福建 三明365004)

為了解決當前甲醛廣泛存在于家居裝飾材料中，危害著人們身體健康的問題，利用物聯(lián)網技術設計了一種家居甲醛監(jiān)測系統(tǒng)。在設計PCB電路板和完成Arduino nano、WiFi模塊、甲醛傳感器模塊、溫濕度傳感器模塊和蜂鳴器模塊等電子器件焊接與調試的基礎上，對各硬件模塊編寫相應的代碼來實現(xiàn)傳感器的數(shù)據(jù)采集和與服務器之間數(shù)據(jù)傳輸。針對硬件所開發(fā)的管理系統(tǒng)包括Web服務器端和手機APP用戶端，該系統(tǒng)實現(xiàn)了對家居環(huán)境中甲醛濃度和溫濕度的實時監(jiān)測與報警。所開發(fā)的軟硬件系統(tǒng)具有硬件設備體積小、安裝方便和APP智能管理等優(yōu)點，可以在大多數(shù)家居環(huán)境中使用。

甲醛監(jiān)測；溫濕度監(jiān)測；PCB設計；WiFi傳輸；Arduino nano；控制；智能手機

伴隨著社會經濟的快速發(fā)展，家居裝修材料和生活用品越來越多樣化，材料中所含有的甲醛的危害也日益突出。目前，我國對于室內空氣中甲醛濃度的檢測方法主要包括分光光度法、色譜法、比色法與極譜法等[1]。國內生產的室內空氣中甲醛濃度的檢測儀主要是長春吉大小天鵝公司出品的一系列甲醛氣體測定儀，如GDYQ-1015／2015現(xiàn)場甲醛測定儀（比色法）等。各種文獻表明[2-4]，現(xiàn)在國內外的甲醛檢測儀均價格昂貴,智能化程度低，儀器抗干擾性差，容易受到外界環(huán)境干擾，且需要專業(yè)操作人員進行操作，需要經常標定且標定程序復雜，推廣性差，利用率低。為解決這些問題，本論文在設計新型軟硬件的基礎上，開發(fā)了一個家庭甲醛智能檢查系統(tǒng)。利用所開發(fā)的系統(tǒng)，用戶可以通過使用智能手機APP，實時獲取家庭環(huán)境中是否存在甲醛濃度超標的信息，從而遠離甲醛危害。

基于WiFi進行通信及多種軟件與硬件技術，本論文開發(fā)了甲醛檢測系統(tǒng)。本系統(tǒng)的硬件設備能夠在甲醛濃度或溫濕度超標的情況下通過蜂鳴器自動報警，也可通過手機客戶端實時查看家居環(huán)境中的甲醛濃度、溫度、濕度。當設備處在報警狀態(tài)時，用戶可及時采取開窗、通風等降低甲醛濃度措施，直到設備停止報警，可保障家庭成員不受甲醛危害。系統(tǒng)中附加了監(jiān)測溫度和濕度的功能，這主要是由于甲醛的揮發(fā)與當前環(huán)境中的溫度和濕度息息相關，使人們的也能在監(jiān)測到當前溫度和濕度的同時，還能更好對甲醛濃度變化原因進行分析。

1 系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)網絡拓撲圖

本系統(tǒng)是基于物聯(lián)網技術理念開發(fā)的，其網絡拓撲圖如圖1所示。簡單的說，設備通過WiFi將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給服務器，用戶可通過客戶端查看數(shù)據(jù)，管理員則可以對服務器中的數(shù)據(jù)進行管理。

圖1 甲醛檢測管理系統(tǒng)網絡拓撲圖

1.2 系統(tǒng)功能模塊設計

基于WiFi的家居甲醛監(jiān)測系統(tǒng)包含了硬件設備、Web后臺和Android客戶端3大功能模塊。硬件設備功能包括了核心板、WiFi模塊、甲醛傳感器模塊、溫濕度傳感器模塊、蜂鳴器模塊、電源模塊和電壓轉換模塊。Web后臺包括登錄模塊、全部數(shù)據(jù)、折線圖、數(shù)據(jù)查詢、異常記錄、用戶管理、網關管理和界限管理。Android客戶端包括注冊登錄、數(shù)據(jù)顯示、視頻監(jiān)控、設備控制、個人中心。其中，數(shù)據(jù)顯示包括實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)和折線圖，個人中心包括修改信息、設備簡介和退出登錄。系統(tǒng)功能模塊如圖2所示

1.3 系統(tǒng)代碼架構

Web服務器端代碼是運用了基于MVC模式的Struts框架編寫[5]，其是一個穩(wěn)定、成熟的框架。Android端代碼運用了Activity、Service、Content Provider和BroadcastReceiver 4大組件等技術[6]。

1.4 系統(tǒng)開發(fā)和運行環(huán)境

硬件設備代碼編譯用的是Arduino IDE 1.6.7。Web服務器端開發(fā)使用Myeclipse2013編寫代碼和32位JDK1.6的Java環(huán)境，數(shù)據(jù)庫采用的是MySQL5.5[7-8]，服務器軟件使用32位的Tomcat7。Android客戶端開發(fā)使用的是Android Studio編寫代碼[9]，版本號為Android-19的SDK作為Android開發(fā)環(huán)境，并且使用SQLite3作為手機本地存儲的數(shù)據(jù)庫。

圖2 系統(tǒng)功能模塊圖

1.5 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設計

基于WiFi的家居甲醛監(jiān)測系統(tǒng)包括5個數(shù)據(jù)表格，分別是用戶表、傳感器數(shù)據(jù)存儲表、方向控制表、界限管理表和網關表。其中，用戶表包括了普通管理員和超級管理員的所有信息，用戶表信息包括用戶號、用戶名、用戶密碼和權限，用戶號是主鍵；傳感器數(shù)據(jù)存儲表信息包括序號、網關、溫度、濕度、甲醛濃度、獲取時間和狀態(tài)，序號為主鍵；方向控制表信息包括序號、命令、獲取時間和標記，序號為主鍵；界限管理表信息包括最大溫度、最大濕度和最大甲醛濃度，最大溫度、最大濕度和最大甲醛濃度均為主鍵；網關表信息包括網關、用戶號、名稱、IP地址和設備地址，網關為主鍵，用戶號為外鍵。

2 甲醛監(jiān)測設備的設計與制作

2.1 甲醛監(jiān)測設備原理圖設計

甲醛監(jiān)測設備電路圖設計首先是先設計各模塊電路圖，然后再把它們聯(lián)系起來，設計軟件為Altium Designer Winter09，圖3是設計完成的甲醛監(jiān)測設備的整體電路。

2.2 甲醛監(jiān)測設備PCB電路板設計及成品安裝調試

在原理圖設計完畢后，就可以根據(jù)設計好的原理圖使用Altium Designer Winter09軟件繪制出PCB線路圖。PCB設計完成并確認電路不存在問題后，就可以將PCB文檔發(fā)給PCB工廠打樣。然后，對甲醛監(jiān)測設備PCB打樣成品進行焊接與調試，焊接后的成品如圖4所示，圖4中的數(shù)字分別表示：①Arduino nano核心板、②MS1100甲醛傳感器模塊、③ATK-ESP8266 WIFI模塊、④DHT11溫濕度傳感器模塊、⑤蜂鳴器模塊、⑥跳線帽、⑦電源模塊、⑧電壓轉換模塊。

2.3 甲醛監(jiān)測設備程序設計

2.3.1 Arduino IDE

前面幾部分介紹了甲醛監(jiān)測設備的硬件設計和成品制作，現(xiàn)在的設備僅僅是一個軀殼，并沒有任何功能，需要為它寫入相應的程序，才能使其智能化。所以，接下來將敘述Arduino nano硬件代碼燒寫的軟件安裝與使用。為了方便開發(fā)和調試，甲醛監(jiān)測設備將會基于Arduino庫進行程序編寫。

圖3 整體電路設計

Arduino IDE是Arduino官方提供的一個能夠運行在 Windows、Mac OS及 Linux上的編程和程序寫入工具。它可以從Arduino官網上下載到（https://www.arduino.cc/）。本設備硬件代碼燒寫用到的Arduino IDE的版本為1.6.7。下載Windows免安裝ZIP包，將其解壓到任意目錄，運行arduino.exe，即可打開Arduino IDE。Arduino IDE使用非常方便，代碼編寫完成后通過工具菜單選擇串口端口號和Arduino的型號，點擊下載即可進行代碼的燒寫。

2.3.2甲醛監(jiān)測設備的程序編寫

圖4 甲醛監(jiān)測設備成品正面示意圖

上文中已經介紹了甲醛監(jiān)測設備程序燒寫所需的準備工作和空白Arduino nano的代碼燒寫。下面將開始用Arduino IDE對甲醛監(jiān)測設備的硬件代碼編寫。代碼編寫將主要涉及到工具類和工具函數(shù)的編寫，以及INO文件的編寫。

（1）程序整體結構

甲醛監(jiān)測設備的源代碼主要由兩部分構成。第一部分是文件擴展名為.ino的Arduino主文件，這是Arduino程序的標準源代碼文件，實質為C++源代碼文件。第二部分是源文件（.cpp）和公用代碼的頭文件（.h），是用標準的C++代碼編寫的。這兩部分的代碼文件都放置在同一個目錄下，Arduino IDE在打開項目時能夠自動檢測到所有項目文件，并同時編譯最終生成.hex文件，在Arduino IDE編譯完成后，該文件會暫時保存在臨時目錄并在燒寫完成后自動刪除。源代碼目錄結構如圖5所示。

圖5 源代碼目錄結構

（2） 主要程序

在硬件程序文件中，control.ino主要負責總程序的調度及對甲醛傳感器模塊的數(shù)據(jù)進行處理，DHT11.cpp和DHT11.h是用來對溫濕度傳感器模塊的數(shù)據(jù)進行處理，WIFI.cpp和WIFI.h是用來對數(shù)據(jù)進行發(fā)送與接收。control.ino文件中的部分程序代碼如圖6所示。

圖6 Control.ino部分程序代碼

3 管理系統(tǒng)與客戶端程序設計

本系統(tǒng)采用Struts框架實現(xiàn)Web服務器，使用CSS、JQuery、JavaScript、JSP等開發(fā)技術實現(xiàn)Web的后臺管理界面。后臺管理界面采用時下較主流的左側列表，右側展示內容的界面設計，較好較直觀地展示系統(tǒng)的信息列表，可對相應的數(shù)據(jù)項目進行增刪改查操作。服務器管理系統(tǒng)共有登錄、用戶管理首頁、全部數(shù)據(jù)、折線圖、細分折線圖、數(shù)據(jù)查詢、異常記錄、用戶查看管理、用戶添加管理、網關查看管理、網關添加管理、界限管理等十幾個界面。其中登錄界面如圖7所示，輸入正確的用戶名、密碼和驗證碼即可以進入用戶管理界面。用戶管理首頁如圖8所示。

圖7 用戶登錄界面

圖8 用戶管理界面

使用Android的UI布局、數(shù)據(jù)存儲、網絡編程、四大組件等技術，實現(xiàn)了Android客戶端界面開發(fā)。Android客戶端手機應用軟件的整體界面主要采用天藍色的色調，給用戶以充滿活力和愉悅的心情。Android總共三十幾張界面，跳轉流暢自然、交互性良好，不存在卡頓和閃退現(xiàn)象，字體和輸入框等大方美觀，數(shù)據(jù)顯示完整且安全性相對較高。Android客戶端界面主要有注冊、登錄、實時數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)折線圖、視頻監(jiān)控、報警控制、個人中心管理等界面，其中實時數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù)的界面如圖9所示。

圖9 檢測數(shù)據(jù)APP管理界面

4 結論

本工作不僅涉及硬件設備的設計與制作，而且還涉及Web管理系統(tǒng)與APP客戶端的開發(fā)。在硬件設備上運用了傳感器技術、電路設計技術與嵌入式技術等，實現(xiàn)了家庭甲醛數(shù)據(jù)的實時收集與管理。同時，所開發(fā)的Web服務器管理系統(tǒng)及智能收集APP客戶端，方便了用戶對家庭甲醛數(shù)據(jù)的隨時隨地檢測。該軟硬件系統(tǒng)的推廣具有較好的經濟及社會效益。

[1] 張寧凡．室內空氣中甲醛濃度檢測方法的比較［J］．河南建材，2016（1）：9－10．

[2] 劉姝瑞，張明宇，譚艷君，等．甲醛檢測方法的研究進展［J］．成都紡織高等?？茖W校學報，2016，33（4）：160－164．

[3] 劉鑫鈺，侯曉鵬，苗虎，等．甲醛檢測氣候室控制系統(tǒng)的研制［J］．林業(yè)科學，2013，49（1）：185－188．

[4] 袁曄，王永忠．紡織品甲醛檢測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［J］．制造業(yè)自動化，2015，37（6）：140－144．

[5]張春華．基于MVC模式的Struts框架的研究與應用［D］．長春：吉林大學，2010．

[6]張建源．Android 開發(fā)技術的學習及應用［J］．現(xiàn)代工業(yè)經濟和信息化，2014（6）：62－64．

[7]耿艷萍，王玉華．基于 MyEclipse8．5 的 Struts2 研究與開發(fā)［J］．電腦開發(fā)與應用，2013，26（6）：73－75．

[8]胡敏．Web系統(tǒng)下提高MySQL數(shù)據(jù)庫安全性的研究與實現(xiàn)［D］．北京：北京郵電大學，2015．

[9]陳甫．Android Studio 應用［J］．電腦知識與技術，2014（24）：5659－5661．

(責任編輯：朱聯(lián)九）

Development of the WiFi Based Home Formaldehyde Monitoring System

HUANG Guo-qiang,ZENG Ying,LIU Chi-biao
(IOT Application Engineering Research Center of Fujian Province Colleges and Universities,School of Information Engineering,Sanming University,Sanming 365004,China)

Formaldehyde is widely used in home-decorating materials,which is harmful to people's health.In order to solve the problem,a monitoring system for home formaldehyde based on the Internet of Things technology (IOT technology)is designed in this paper.The PCB board was designed,and the hardware modules of Arduino nano,WiFi,formaldehyde sensor,temperature and humidity sensor and buzzer were welded,and related firmware was coded for data acquisition and data transmission between the sensor and the server.The developed management system has two parts of the Web server and the smartphone APP,which can realize the real-time monitoring and alarming about the concentration,temperature and humidity of formaldehyde in the home environment.The developed software/hardware system has advantages of small size,convenient installation and intelligent management,which can be used in the most home environment.

formaldehyde monitoring;temperature and humidity monitoring;PCB design;WiFi transmission;Arduino nano;control;smartphone

X84

A

1673-4343（2017）04-0034-07

10．14098 ／j．cn35－1288 ／z．2017．04．006

2017-04-24

福建省科技計劃項目（2013N0031）；福建省教育廳省屬高校科研專項計劃項目(JK2012051)

黃國強，男，福建莆田人，實驗師。主要研究方向：計算機接口技術、物聯(lián)網技術及應用。