智能環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

陳宇 戴亮 戚蕊 顧婕妤 何穎

(江蘇師范大學(xué)科文學(xué)院,江蘇徐州 221000)

0 引言

目前關(guān)于環(huán)境監(jiān)測(cè)的便攜式設(shè)備逐步發(fā)展出現(xiàn),但其中大多數(shù)設(shè)備功能單一且受空間限制,此次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可安裝于各類便攜式設(shè)備上并不受空間約束,如無(wú)人機(jī)、無(wú)人車等。該設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與智能分析,對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行智能預(yù)警等功能,符合電子設(shè)備智能化,人性化的發(fā)展趨勢(shì)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。本系統(tǒng)在用戶端采用TFT屏顯示和軟件端查看兩種方式,在可查看環(huán)境質(zhì)量的同時(shí),增加了歷史查詢功能,并通過(guò)生成數(shù)據(jù)曲線,幫助用戶更好地觀看出變化趨勢(shì)。同時(shí)當(dāng)傳感器檢測(cè)到環(huán)境質(zhì)量較差時(shí),會(huì)自動(dòng)進(jìn)行處理,對(duì)其嚴(yán)重情況進(jìn)行預(yù)警和智能分級(jí),同時(shí)在TFT屏上顯示。此時(shí)的操作信息會(huì)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳給軟件端同步顯示[1]。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖Fig.1 System design block diagram

2 硬件設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)由煙霧傳感器、溫濕度傳感器、CO傳感器、氣壓傳感器、光強(qiáng)傳感器、STM32單片機(jī)、FET顯示器、WIFI模塊以及手機(jī)軟件端組成。首先各個(gè)傳感器采集相關(guān)數(shù)據(jù),數(shù)字信號(hào)直接送給單片機(jī)處理,模擬信號(hào)通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后送給單片機(jī)處理,分析處理結(jié)果由TFT顯示,同時(shí)通過(guò)WIFI模塊傳輸?shù)接脩舳薣2-3]。

(1)STM32單片機(jī):本設(shè)計(jì)使用的STM32F103C8T6最小系統(tǒng)單片機(jī)采用MircoUSB接口供電和SWD調(diào)試接口,自帶電壓穩(wěn)壓芯片、24C04數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、復(fù)位及用戶操作按鍵,有電平轉(zhuǎn)換方便、體積小、方便數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和功能開(kāi)發(fā)等特點(diǎn)。STM32實(shí)物圖如圖2所示。

圖2 STM32單片機(jī)Fig.2 STM32 single chip microcomputer

(2)煙霧傳感器:該設(shè)計(jì)采用MQ2煙霧傳感器進(jìn)行煙霧檢測(cè),輸出與AD轉(zhuǎn)換模塊連接。當(dāng)MQ2煙霧傳感器所在環(huán)境中存在煙霧時(shí),其電導(dǎo)率隨空氣中煙霧濃度的增加而增大,通過(guò)電路將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為煙霧濃度對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。同時(shí)具有使用壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定性可靠、響應(yīng)恢復(fù)特性快速等特點(diǎn)。MQ2煙霧傳感器實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 MQ2煙霧傳感器Fig.3 MQ2 smoke sensor

(3)溫濕度傳感器:該設(shè)計(jì)采用數(shù)字式DHT11溫濕度傳感器對(duì)空氣中的溫度和濕度進(jìn)行檢測(cè)。該傳感器是一款由電容式感濕器件和N T C測(cè)溫器件構(gòu)成的復(fù)合傳感器,它與單片機(jī)相連接,其校準(zhǔn)系統(tǒng)以程序的儲(chǔ)存在OTPROM中,通過(guò)調(diào)用校準(zhǔn)系數(shù)的方式對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。傳感器具有數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù),通過(guò)這兩個(gè)技術(shù)來(lái)檢測(cè)周圍環(huán)境的溫度和濕度,其具有反應(yīng)速度快、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、信號(hào)傳輸距離長(zhǎng)、能耗低等特點(diǎn)。DHT11溫濕度傳感器實(shí)物圖如圖4所示。

圖4 DHT11溫濕度傳感器Fig.4 DHT11 temperature and humidity sensor

(4)一氧化碳傳感器:該設(shè)計(jì)采用MQ7傳感器對(duì)空氣中的一氧化碳進(jìn)行檢測(cè)。 由于氣體傳感器的電導(dǎo)率因環(huán)境中一氧化碳濃度的高低變化,進(jìn)而通過(guò)控制電路將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與之對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。又因?yàn)槎趸a具有低電導(dǎo)率的特點(diǎn),所以傳感器具有良好的穩(wěn)定性,主要應(yīng)用于一氧化碳濃度的測(cè)量。MQ7一氧化碳傳感器實(shí)物圖如圖5所示。

圖5 MQ7一氧化碳傳感器傳感器Fig.5 MQ7 carbon monoxide sensor

(5)氣壓傳感器:該設(shè)計(jì)采用BMP180對(duì)氣壓進(jìn)行檢測(cè),該傳感器中的控制單元包含E E P R O M和I I C接口,而EEPROM中儲(chǔ)存的校準(zhǔn)數(shù)據(jù),會(huì)對(duì)壓力值進(jìn)行補(bǔ)償。因此,該傳感器會(huì)先通過(guò)讀取EEPROM校準(zhǔn)值,再讀取溫度值到氣壓值,最后校準(zhǔn)得到氣壓值,具有精度高、體積小、含溫度輸出、安全可靠性高的特點(diǎn),可以在移動(dòng)設(shè)備中使用。BMP180氣壓傳感器實(shí)物圖如圖6所示。

圖6 BMP180氣壓傳感器Fig.6 BMP180 air pressure sensor

(6)光照傳感器:該設(shè)計(jì)采用BH1750傳感器進(jìn)行光照強(qiáng)度的測(cè)量,該傳感器是一種用于兩線式串行總線接口的數(shù)字型光強(qiáng)度傳感器集成電路。傳感器通過(guò)發(fā)送設(shè)備地址并等待ACK,發(fā)送高分辨率測(cè)量指令,等待ACK,停止時(shí)序,等待測(cè)量完成,將結(jié)果發(fā)送到設(shè)備地址,讀取高字節(jié)和低字節(jié)數(shù)據(jù),等待ACK,停止時(shí)序,計(jì)算得到光照強(qiáng)度。具有直接數(shù)字輸出、精度高、計(jì)算簡(jiǎn)便、便于DIY的特點(diǎn)。BH1750光照傳感器實(shí)物圖如圖7所示。

圖7 BH1750光照傳感器Fig.7 BH1750 light sensor

(7)A/D轉(zhuǎn)換模塊:由于煙霧傳感器和CO傳感器為模擬傳感器,因此該設(shè)計(jì)中采用AD0832把模擬傳感器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)之后送給單片機(jī)進(jìn)行分析和處理。AD0832為8 位分辨率、雙通道的轉(zhuǎn)換芯片。具有體積小,兼容性高,轉(zhuǎn)換速度快性等優(yōu)點(diǎn)。

(8)TFT顯示模塊:TFT-LCD液晶顯示器是由薄膜晶體管組成的屏幕。TFT液晶為每個(gè)像素提供一個(gè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān),每一個(gè)像素均由點(diǎn)脈沖直接控制,所以對(duì)于每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都相對(duì)獨(dú)立,可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)控制,因此其具有反應(yīng)速度快、控制精準(zhǔn)、色彩真實(shí)、可顯示24bit色深等特點(diǎn)。TFT顯示模塊實(shí)物圖如圖8所示。

圖8 TFT顯示模塊Fig.8 TFT display module

(9)WIFI模塊:該設(shè)計(jì)采用ESP8266模塊進(jìn)行信號(hào)的傳輸,該模塊是一個(gè)完整并自成體系的WIFI處理器,可以搭載軟件應(yīng)用,并通過(guò)另外一ESP8266個(gè)處理器卸載WIFI網(wǎng)絡(luò)功能,也可以構(gòu)建獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)控制器。ESP8266具有高性能無(wú)線SoC,能用最低成本提供最大實(shí)用性,同時(shí)最少的占用系統(tǒng)資源。ESP8266 WIFI實(shí)物圖如圖9所示。

圖9 ESP8266WIFI模塊Fig.9 ESP8266WIFI module

3 軟件設(shè)計(jì)

(1)開(kāi)發(fā)平臺(tái):Keil5是一套由美國(guó)keilsoftware公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語(yǔ)言軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng),本設(shè)計(jì)中主要還是用于單片機(jī)方面的開(kāi)發(fā),與其他匯編相比,使用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言用于編寫底層各個(gè)傳感器的代碼。設(shè)計(jì)過(guò)程充分利用Keil5中的仿真模擬功能,實(shí)現(xiàn)無(wú)硬件情況下的軟件仿真和連接硬件之后的硬件仿真。最終將調(diào)試完成的代碼經(jīng)過(guò)設(shè)置之后以H E X文件的形式燒錄進(jìn)入STM32芯片進(jìn)行對(duì)各傳感器的總體控制。C語(yǔ)言易學(xué)易用,其在功能、結(jié)構(gòu)、可讀性、可維護(hù)性等方面均有明顯的優(yōu)勢(shì),因此選擇Keil5利用C語(yǔ)言進(jìn)行編程。(2)功能設(shè)計(jì):本系統(tǒng)在開(kāi)始使用時(shí)會(huì)先自動(dòng)初始化,然后開(kāi)始進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè),當(dāng)系統(tǒng)周圍環(huán)境存在MQ2煙霧和MQ7一氧化碳可以檢測(cè)到的相關(guān)參數(shù)時(shí),經(jīng)A/D轉(zhuǎn)化傳送到STM32單片機(jī)中。DHT11溫濕度、BH1750光照檢測(cè)傳感器工作產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)可直接傳送到STM32單片機(jī)中。單片機(jī)接受到信號(hào)后進(jìn)行處理后,會(huì)直接顯示在T F T顯示屏,并通過(guò)WIFI模塊傳送到用戶軟件端。(3)用戶指令采集:用戶向軟件后臺(tái)發(fā)送操作指令,使單片機(jī)接收到操作指令后對(duì)指令進(jìn)行格式化與加密工作,接著發(fā)送到WIFI模塊進(jìn)行交互后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,最后在APP上顯示。后臺(tái)管理數(shù)據(jù)更新:用戶發(fā)送操作指令到WIFI模塊,WIFI模塊收到并進(jìn)行解析后,傳送給后臺(tái)APP進(jìn)行顯示。下位機(jī)操作:在智能控制模塊定期輪詢Access數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器讀取相關(guān)數(shù)據(jù)時(shí),根據(jù)從單片機(jī)上讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。智能控制模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊,模塊接收到數(shù)據(jù)后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,分析完成后,接著對(duì)數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行運(yùn)算匹配,最后相應(yīng)地反饋在安裝的電子元件上[4]。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)選用了STM32和ESP8266作為上位機(jī)和下位機(jī)來(lái)分析處理從周圍環(huán)境采集的數(shù)據(jù)。用戶通過(guò)配置移動(dòng)APP實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶周圍環(huán)境的全閉環(huán)監(jiān)控。該系統(tǒng)可以安裝在各類便攜式設(shè)備上,如無(wú)人機(jī)、無(wú)人車等,有效避免了過(guò)去為監(jiān)控周圍環(huán)境而采取的復(fù)雜措施,并高效的節(jié)省了人力物力等資源。該系統(tǒng)能夠在網(wǎng)絡(luò)狀況不好的情況下,依舊能夠保證基本數(shù)據(jù)的傳輸。在本設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上還可以增加更多的傳感器和電子元器件,適用于用戶進(jìn)行DIY。通過(guò)將每個(gè)模塊細(xì)致地固化與組件化,有助于隨時(shí)拼接到整個(gè)系統(tǒng)中,提高對(duì)周圍環(huán)境的智能監(jiān)測(cè)效果。軟件端可以拓展系統(tǒng)提供的功能和服務(wù),根據(jù)用戶自身的特殊需求,可以開(kāi)發(fā)更多的功能。為了能夠達(dá)到更智能、有準(zhǔn)確環(huán)境監(jiān)測(cè)效果,未來(lái)可以加入機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能的相關(guān)信息技術(shù),使其對(duì)當(dāng)前的室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行更智能的監(jiān)測(cè),及時(shí)應(yīng)對(duì)環(huán)境異常的情況。