基于pcDuino的環(huán)境監(jiān)測平臺設(shè)計

張益菲 張立

摘 要： 針對傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測平臺的弊端，設(shè)計一種基于pcDuino V3的環(huán)境監(jiān)測平臺。該pcDuino單片機由全志A20雙核處理器和對應(yīng)的電路模塊組成，HDMI接口為使用者提供了界面開發(fā)的功能。此設(shè)計將先進的計算機技術(shù)、各種電子器件、嵌入式系統(tǒng)等有機地結(jié)合在一起，是一種小型化的，可移動的環(huán)境監(jiān)測平臺；能檢測溫濕度、光強、大氣壓以及圖片等相關(guān)環(huán)境數(shù)據(jù)，測得的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆贫?，方便用戶對?shù)據(jù)進行分析查看，便于用戶實施移動監(jiān)測且能自動上傳數(shù)據(jù)的環(huán)境監(jiān)測平臺。該平臺體積較小，具有一定的便攜性，可實現(xiàn)全自動工作模式，并解決了無人值守地區(qū)的環(huán)境數(shù)據(jù)采集、傳輸問題。

關(guān)鍵字： pcDuino V3； 環(huán)境監(jiān)測； 數(shù)據(jù)分析； 無線網(wǎng)絡(luò)； 平臺設(shè)計； HDMI接口

中圖分類號： TN931+.3?34； TP212 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）20?0110?04

Abstract： In allusion to the disadvantages of the traditional environment monitoring platform， an environment monitoring platform based on pcDuino V3 is designed. The microcontroller pcDuino is composed of the A20 dual?core processor from Allwinner Technology and the corresponding circuit module. The HDMI interface provides the interface development function for users. In the design， the advanced computer technology， various electronic devices， and the embedded system are combined organically. The small?scale and mobile environment monitoring platform can detect related environment data such as temperature， humidity， light intensity， atmospheric pressure and pictures. The measured data is transmitted to the cloud terminal by means of the wireless network so that users can view and analyze the data， conduct mobile monitoring， and automatically upload data. The platform is small in volume， has a certain portability， can achieve a full?automatic working mode， and resolve the problems of environmental data acquisition and transmission in unattended areas.

Keywords： pcDuino V3； environment monitoring； data analysis； wireless network； platform design； HDMI interface

0 引 言

本文的研究目的是在無人值守地區(qū)對環(huán)境進行監(jiān)測。用戶可隨時隨地查看監(jiān)測地區(qū)的溫濕度、光強、大氣壓和圖片。以達到在突發(fā)事件發(fā)生后，讓決策者和負責人收到預(yù)警信號，快速介入及時通過環(huán)境信息和圖片了解真實情況，這對于應(yīng)急搶險、解決突發(fā)事件、縮短事故蔓延期有著積極重要的意義。目前使用的互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備及其采用的軟件系統(tǒng)都存在一些不合理的細節(jié)和集成度不高等缺點，需要各種獨立設(shè)備結(jié)合使用，且成本高昂。因此，價格低廉且容易開發(fā)，擴展方便的pcDuino V3成為互聯(lián)網(wǎng)遠程監(jiān)控的良好選擇。

1 基于pcDuino V3的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

由于廣泛的需求和優(yōu)良的性能，嵌入式開發(fā)板的應(yīng)用越來越普遍，現(xiàn)在開發(fā)板不再是作為獨立的商品，而是結(jié)合硬件、軟件和對應(yīng)的開發(fā)工具及軟件包進行銷售。本設(shè)計選用的pcDuino V3采用的全志A20 處理器[1]，是適應(yīng)現(xiàn)在普遍的平板電腦和智能電視機的需求，其完全支持2160P視頻解碼。

pcDuino V3[2]是當前市面上高性能、低價格的微型計算機，支持Ubuntu 12.04和Android 4.2。pcDuino V3支持多種格式的視頻編碼器和解碼器，并且擁有內(nèi)置硬件視頻作為處理引擎，綜合性極佳，所以符合設(shè)計的要求，也為日后擴展功能提供可能。

本文設(shè)計監(jiān)測系統(tǒng)的基本功能是要實現(xiàn)溫濕度和氣壓等相關(guān)環(huán)境參數(shù)的測量，同時安裝云臺以及攝像頭，實現(xiàn)圖像的實時采集和上傳，達到能直觀查看所處環(huán)境情況的目的。本平臺將此系統(tǒng)分為硬件部分和軟件部分分別進行設(shè)計。硬件部分主要由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、通信模塊以及供電模塊組成，對數(shù)據(jù)進行實時采集和處理。軟件部分由環(huán)境測量系統(tǒng)端的發(fā)送數(shù)據(jù)端和云端接收數(shù)據(jù)端組成。發(fā)送數(shù)據(jù)端將處理好的數(shù)據(jù)實時上傳至云服務(wù)器，將數(shù)據(jù)進行保存。用戶可以從云端下載數(shù)據(jù)，并做處理后呈現(xiàn)給用戶，向用戶呈現(xiàn)環(huán)境信息。該監(jiān)測平臺設(shè)計如圖1所示。

2 硬件設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊的關(guān)鍵在于傳感器的選擇，正確合理的選擇傳感器要考慮靈敏度、響應(yīng)特性、線性范圍、穩(wěn)定性、精確度和測量方式六個方面，并兼顧結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、價格便宜、易于維修、易于更換等條件。本環(huán)境監(jiān)測平臺的傳感器[1]選擇有以下幾個：

1） 溫濕度傳感器

pcDuino+DHT21可實現(xiàn)全天候的溫度監(jiān)控[3]，而且由于pcDuino本身的功率也不大，所以即使一直開著也不會很耗電。再配合Xively把傳感器的數(shù)據(jù)實時傳送到網(wǎng)上，這樣就可以隨時隨地測量環(huán)境的溫度。

2） 光強傳感器

光強傳感器選擇的是GY?30，設(shè)備主要通過光照強度傳感器進行相關(guān)數(shù)據(jù)的采集，然后通過pcDuino核心板將其接入Xively云平臺，可以通過Web端進行實時數(shù)據(jù)的查看。

3） 氣壓傳感器

氣壓傳感器選擇的是BMP185。BMP185是一款高精度、小體積、超低能耗的壓力傳感器，可以應(yīng)用在移動設(shè)備中。它的性能卓越，絕對精度最低可以達到0.03 hPa，并且耗電極低，只有3 μA。BMP185采用強大的8?pin陶瓷無引線芯片載體（LCC）超薄封裝，可以通過I2C總線直接與各種微處理器相連。

4） 紅外傳感器[4]

本設(shè)計所用到的紅外探頭是熱釋電紅外傳感器（PIR），這種熱釋電紅外傳感器[5]能以非接觸形式檢測出人體輻射的紅外線， 并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷?。相比于其他紅外傳感器制作的報警器材，基于熱釋電紅外傳感器的報警裝置具有，無需紅外線或電磁波發(fā)射源、靈敏度高、控制范圍大、隱蔽性好等優(yōu)點[6]。該傳感器將兩個極性相反、特性一致的探測元串接在一起， 目的是消除因環(huán)境和自身變化引起的干擾。它利用兩個極性相反、大小相等的干擾信號在內(nèi)部相互抵消的原理來使傳感器得到補償。對于輻射至傳感器的紅外輻射， 熱釋電傳感器通過安裝在傳感器前面的菲涅爾透鏡將其聚焦后加至兩個探測元上，從而使傳感器輸出電壓信號。

2.2 數(shù)據(jù)處理模塊

模擬信號采集控制器負責管理模擬信號，數(shù)字信號則由另一個控制器來進行儲存和管理。控制器的功能主要由適配器的不同命令要求所決定。命令主要由采集命令和啟動停止命令。采集命令主要用于對傳感器采集頻率的一個設(shè)定，啟動停止命令則用于控制采集的啟動和停止。另外，采用的pcDuino V3開發(fā)板具有SD庫[7]，可以提供給用戶在擴展板上對SD卡進行讀/寫等操作。其中SD庫具有SD類和File類兩個類。SD類主要包括一些接口函數(shù)用于對SD卡上的信息進行訪問；File類則用于對SD卡上的文件進行讀/寫等操作。

2.3 通信模塊

通用串行口主要包SPI，UART，I2C和TWI接口，目前市場上大部分傳感器模塊、擴展接口芯片等都是用串行口與CPU通信，在實際應(yīng)用中有著廣泛的應(yīng)用。用戶可以在現(xiàn)場讀取數(shù)據(jù)，實時、快捷、方便，方便用戶對氣象數(shù)據(jù)的進一步處理分析。pcDuino V3添加了板載的無線WiFi，并且此板子上I/O口的接口做成Arduino[8]的標準接口，所有的Arduino擴展版都可以直接插上連接，再也不用轉(zhuǎn)接板去轉(zhuǎn)換接口，非常方便使用。

3 軟件設(shè)計

3.1 傳感器數(shù)據(jù)上傳至云端

Xively是一個物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器。用戶可以把采集到的傳感器數(shù)據(jù)上傳到Xively，然后在這個服務(wù)器上面開發(fā)應(yīng)用。在這個監(jiān)測系統(tǒng)里，用pcDuino作為物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點，采集環(huán)境溫度、濕度和光強上傳到Xively服務(wù)器[9]。此設(shè)計中，使用Python進行開發(fā)，并且安裝必要的軟件包。pcDuino V3的Python庫文件可以在github上使用命令下載，實現(xiàn)在xively.com網(wǎng)頁上查看到數(shù)據(jù)，如圖2所示。

3.2 紅外檢測照片傳至百度云

在此采用百度云/百度網(wǎng)盤的Python客戶端。主要的目的就是在Linux環(huán)境下通過命令行來使用百度云盤2 TB的巨大空間，剛好可以用在pcDuino上。Python提供文件列表、下載、上傳、比較、向上同步、向下同步等操作。在pcDuino中設(shè)置好環(huán)境并安裝百度云就可方便地使用百度云提供的API。授權(quán)成功的百度云如圖3所示[10]。完成了百度云的安裝及授權(quán)，接下來只需要編寫腳本使PIR紅外報警后所拍的照片能夠第一時間傳到個人的百度云賬號，以便實現(xiàn)對私人領(lǐng)域的實時監(jiān)控[11]。腳本內(nèi)容如下：

這種做法簡單、安全并且簡潔。相比于自己維護一個網(wǎng)站，不需要自己編寫后臺腳本也不需要編寫Web代碼，卻能達到相同的效果。該部分系統(tǒng)的框架如圖4所示。

4 結(jié) 語

在物聯(lián)網(wǎng)時代，智能環(huán)境監(jiān)測的出現(xiàn)對于農(nóng)業(yè)、林業(yè)、氣象、科研等都具有重要的作用。無人值守的優(yōu)點也大大減少了人力物力需求，為在偏遠地區(qū)的氣象觀測工作提供了可能。無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸方式保證了數(shù)據(jù)的實時性和有效性，為觀測提供了精確的數(shù)據(jù)支持。通過網(wǎng)頁和百度云的開發(fā)更符合了時代的需求，方便用戶遠程觀測另外一個地方的環(huán)境數(shù)據(jù)，為用戶提供很大的便利。

注：本文通訊作者為張立。

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