基于WIFI環(huán)境的便攜式環(huán)境監(jiān)測儀設(shè)計(jì)

何國東 匡正 李立明

摘要：近年來，在我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的背景下，環(huán)境問題愈發(fā)被我們所關(guān)切，由此而生的各類環(huán)境指標(biāo)為人們所熟知。隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，WIFI變得隨處可見，這意味著大量數(shù)據(jù)的在線交互更為便捷和廉價(jià)，對(duì)各種環(huán)境下的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測成為了可能。本項(xiàng)目承接前述研究，拓寬環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，就此問題設(shè)計(jì)了基于WIFI環(huán)境的便攜式環(huán)境監(jiān)測儀，以STM32單片機(jī)為核心，MQ系列傳感器等收集環(huán)境數(shù)據(jù)，ESP8266模塊連接WIFI傳輸數(shù)據(jù)，電腦主機(jī)接收并處理數(shù)據(jù)，提供一種更為便攜、平臺(tái)化的環(huán)境監(jiān)測方式。

關(guān)鍵詞：環(huán)境監(jiān)測；物聯(lián)網(wǎng)；多節(jié)點(diǎn)采集系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：X85 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2019）02-0269-02

本項(xiàng)目主要承接前述研究“基于WIFI環(huán)境的軌道交通環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)”，對(duì)其拓展了監(jiān)測領(lǐng)域，使之成為勝任多種環(huán)境下復(fù)雜監(jiān)測的便攜式環(huán)境監(jiān)測設(shè)備，其主要特點(diǎn)是平臺(tái)化、模塊化、便攜化，從而能夠讓我們更快速、廣泛的采集環(huán)境數(shù)據(jù)，分析環(huán)境問題。大量數(shù)據(jù)的積累也許能為后期的研究提供經(jīng)驗(yàn)，并且更進(jìn)一步的探索與其他電子設(shè)備進(jìn)行連接，以實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的閉環(huán)控制。

一、設(shè)備的硬件設(shè)計(jì)

（一）系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)未發(fā)生太大的變化，仍然采用WIFI進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。每個(gè)采集節(jié)點(diǎn)可直接向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)。整個(gè)系統(tǒng)為采集節(jié)點(diǎn)——服務(wù)器，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸。采集節(jié)點(diǎn)包括STM32單片機(jī)（數(shù)據(jù)處理）、各種類型傳感器（數(shù)據(jù)采集）、ESP8266WIFI模塊（數(shù)據(jù)傳輸）、服務(wù)器運(yùn)行程序（接收并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)）。考慮到便攜性和小型化的要求，在硬件部分中去掉了顯示屏模塊，采用簡單的燈光進(jìn)行交互（可以考慮使用小型的LED屏幕）。每個(gè)節(jié)點(diǎn)開機(jī)后自動(dòng)搜索WIFI信號(hào)，連接WIFI成果后開始采集并發(fā)送數(shù)據(jù)，同時(shí)給出特定的燈光。電腦服務(wù)器為每一個(gè)節(jié)點(diǎn)打開一個(gè)端口接收數(shù)據(jù)并處理、保存，由于使用平臺(tái)化的采集節(jié)點(diǎn)，并且MQ系列的通用性十分強(qiáng)大，在特定環(huán)境下可以安裝特定型號(hào)傳感器，即插即用。

（二）采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)采用STM32F103系列單片機(jī)作為控制器，具有足夠多的IO口和ADC接口來擴(kuò)展外圍電路。雙列直插的最小系統(tǒng)板造價(jià)低廉，便于更換。ADC轉(zhuǎn)換可直接讀取MQ系列傳感器等模塊輸出的模擬電壓值，IO口可以用于讀取DHT11的溫濕度值。

ESP8266模塊的數(shù)據(jù)傳輸。ESP8266模塊作為目前新興的WIFI網(wǎng)絡(luò)解決方案，擁有強(qiáng)大的WIFI網(wǎng)絡(luò)功能。由于采用和串口輸出相似的接口，可以將其置于幾乎所有單片機(jī)中，比如本設(shè)計(jì)采用的STM32系列，通過SPI/SDIO接口就能連接（幾乎所有單片機(jī)都有這種接口）。ESP8266集成度非常高，所需的外圍電路很少，減少了很多空間占用。

MQ系列傳感器。MQ系列傳感器采用高溫循環(huán)檢測的方式。傳感器中的金屬氧化物半導(dǎo)體被加熱到一定溫度后，遇到相應(yīng)的還原性氣體會(huì)改變其阻值。通過簡單的外圍電路，傳感器將輸出相應(yīng)的電壓模擬量數(shù)值。本設(shè)備所要采用的MQ系列傳感器有MQ-2、MQ-7、MQ-135。

DHT11溫濕度傳感器。DHT11溫濕度傳感器的特點(diǎn)為品質(zhì)卓越、造價(jià)低廉、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高。采用單總線傳輸，數(shù)據(jù)處理同樣十分簡便。

其他傳感器。根據(jù)具體監(jiān)測環(huán)境的不同，還可以選擇其他類型的傳感器，如聲音傳感器、光強(qiáng)傳感器等，可定制性非常高。

整個(gè)采集節(jié)點(diǎn)以ALTIUM DESGINER繪制的PCB底板為基礎(chǔ)，采用3.6V15500型干電池升壓至5V進(jìn)行供電，整體面積為8×10cm，平放高度不超過3cm，實(shí)現(xiàn)真正意義上的便攜。

二、系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

（一）節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)的軟件程序包括環(huán)境數(shù)據(jù)采集程序、WIFI模塊發(fā)送程序以及顯示程序，采用C語言編寫，編譯器為keil v5。STM32F103內(nèi)部自帶ADC模塊，用以采集模擬信號(hào)。啟動(dòng)電源后首先嘗試連接無線網(wǎng)絡(luò)，其次嘗試與服務(wù)器主機(jī)進(jìn)行通訊，然后開始循環(huán)采集環(huán)境數(shù)據(jù)并發(fā)送至服務(wù)器。數(shù)據(jù)通過特定編碼發(fā)送，方便上位機(jī)的處理。

（二）服務(wù)器主機(jī)軟件設(shè)計(jì)

服務(wù)器主機(jī)端采用MATLAB進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，MATLAB作為一款強(qiáng)大的數(shù)學(xué)處理軟件，擁有幾乎涵蓋所有硬件驅(qū)動(dòng)的底層接口。本系統(tǒng)使用其自帶的ICP/IP相關(guān)函數(shù)，開放網(wǎng)絡(luò)端口來實(shí)現(xiàn)與采集節(jié)點(diǎn)的通訊。此外，MATLAB附帶小型數(shù)據(jù)庫，本系統(tǒng)中使用此數(shù)據(jù)庫規(guī)范的存儲(chǔ)了采集的環(huán)境信息，從而更方便后期對(duì)大批量數(shù)據(jù)的處理。MATLAB中還擁有編制GUI交互界面的功能，本系統(tǒng)利用此功能編寫了相關(guān)程序，從而使采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)顯示。GUI的出現(xiàn)也使我們可以實(shí)現(xiàn)諸如彈窗報(bào)警之類的更為生動(dòng)的效果。

關(guān)鍵代碼如下：

t=tcpip（'192.168.xx.xxx'，8234，'NetworkRole'，'server'）；%設(shè)置端口

fopen（t）； %開啟端口

for j1=1：10

if（t.BytesAvailable～=0）

data=fread（t，t.BytesAvailable）； %接收采集設(shè)備發(fā)送的信息

……

A=sscanf（S，'%f'）； %轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)

for i1=1：10

if（A（i1）==0）

humi（j1）= A（i1+1）； %儲(chǔ)存為矩陣

temp（j1）= A（i1+2）；

Q1（j1）= A（i1+3）；

Q2（j1）= A（i1+4）；

……

三、系統(tǒng)的擴(kuò)展

（一）設(shè)備硬件擴(kuò)展

作為模塊化、平臺(tái)化的采集節(jié)點(diǎn)，除了更換不同的傳感器之外，我們對(duì)其預(yù)留了充足的接口，以實(shí)現(xiàn)與其他相關(guān)電子設(shè)備的連接，例如外接小型繼電器即可驅(qū)動(dòng)電機(jī)（可用于自動(dòng)開啟窗簾等場景）。

（二）系統(tǒng)軟件擴(kuò)展

服務(wù)器主機(jī)的軟件程序目前基本滿足了環(huán)境監(jiān)測的需求，但對(duì)于如今的互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，單單有服務(wù)器主機(jī)顯得有點(diǎn)單薄，在后續(xù)的開發(fā)中將嘗試開發(fā)手機(jī)APP，以實(shí)現(xiàn)更廣泛、便捷的環(huán)境監(jiān)測，而這也是本設(shè)備的意義所在。

四、結(jié)語

隨著互聯(lián)網(wǎng)科技的進(jìn)步，我們已經(jīng)悄然步入了物聯(lián)網(wǎng)的時(shí)代，作為當(dāng)代大學(xué)生的我們有幸可以在這樣的項(xiàng)目中深入的學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)，獨(dú)立探索物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，同物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代一起發(fā)展，同時(shí)也感謝導(dǎo)師和同學(xué)們對(duì)我們提供的幫助以及大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目對(duì)于我們的資助，今后我們將在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域不斷探索。

參考文獻(xiàn)：

[1]李麗，錢春燕，張海云.上海市軌道交通系統(tǒng)車站空氣質(zhì)量狀況及其影響因素分析[J].環(huán)境與職業(yè)醫(yī)學(xué)，2011，（4）.

[2]李英杰.MATLAB與CCU之間的TCP/IP通訊技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用[J].計(jì)算技術(shù)與自動(dòng)化，2011，30（4）：126-129.

[3]鄧紅濤.MATLAB數(shù)據(jù)通信與測控應(yīng)用編程實(shí)踐[M].電子工業(yè)出版社，2011.

[4]李幫軍.氣敏傳感器實(shí)驗(yàn)與MQ系列氣敏元件特性研究[J].中國市場，2006，（14）：70.

[5]賈浩強(qiáng)，李耀.基于WiFi無線通信的溫濕度檢測節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2014，（5）：70-72.

Abstract：In recent years，Under the background of the rapid development of China's economy，environmental problems are becoming more and more concerned by us.With the development of wireless network technology，WIFI becomes popular in everywhere，which means the online exchange of huge data is more cheap and convenient.And it provides a possibility to monitor the environmental data.So we design the environment monitoring system based on WIFI for Rail Transit System.We use STM32 series as MCU，monitor the environment data with MQ series sensors and so on，send data with ESP8266.And the computer will receive and process the data，so that we realize the monitor of the environment of Metro system.

Key words：air monitoring；Internet of things；multi-node acquisition system