面向Android和Web平臺的溫濕度云端監(jiān)測系統(tǒng)

俞 聰，范 恩，俞哲彤，邱云明，胡珂立

（1.紹興文理學院，浙江 紹興 312000；2.深圳大學 物理與光電工程學院，廣東 深圳 518060）

0 引 言

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對監(jiān)視環(huán)境中的物理量精確感知，并對數(shù)據(jù)進行智能處理和可靠傳輸已成為一種重要的監(jiān)測手段[1-4]。在硬件方面，傳感器技術(shù)能夠為物聯(lián)網(wǎng)提供便利的數(shù)據(jù)采集條件[5]。在軟件方面，Android技術(shù)和Web技術(shù)能夠為物聯(lián)網(wǎng)提供便捷的編程方式、良好的用戶交互界面以及豐富的數(shù)據(jù)展現(xiàn)方式[6]。因此，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)被廣泛應用于不同領域。目前，大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)搭建成本較高，擴展性有待提高，且主要面向大平臺。面向小用戶、低成本的物聯(lián)網(wǎng)平臺技術(shù)仍十分缺乏[7]。

在實際環(huán)境監(jiān)測中，對溫濕度的實時測量和調(diào)控非常重要[8-10]。然而，應用場景種類多、測量范圍廣、數(shù)據(jù)采集量大、實時性要求高，為傳統(tǒng)的人工監(jiān)測帶來一定困難。傳統(tǒng)人工測量主要利用傳感器采集數(shù)據(jù)，采用人工分析，導致人力成本居高不下，同時，人工分析具有明顯的滯后性，無法滿足實時性要求較高的監(jiān)測領域。雖然大型應用系統(tǒng)會采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、分析與監(jiān)測，但搭建成本較高，使其應用范圍受到很大約束。考慮到CC2530單片機在搭建傳感網(wǎng)絡方面的優(yōu)勢以及傳感器模塊成本低、數(shù)據(jù)采集方便等優(yōu)點，選擇利用傳感器模塊和CC2530單片機搭建物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測平臺[11]。此外，考慮到Android智能手機的便攜性、可編程性及良好的用戶界面，以及Web程序的低成本、可操作性強等特點，因此借助Android端、Web端實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)在無線平臺和有線平臺的可視化監(jiān)測[12-14]。

本文開發(fā)了一套基于Android和Web平臺的溫濕度云端監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)首先利用搭載DHT11模塊的CC2530單片機實時采集溫濕度數(shù)據(jù)，同時通過串口將監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送至PC主機；然后在PC端編寫串口接收函數(shù)解析數(shù)據(jù)，并上傳至云端MySQL數(shù)據(jù)庫；最后，利用所開發(fā)的Android程序和Web程序通過請求本地Apache服務器獲取云數(shù)據(jù)庫溫濕度數(shù)據(jù)，分別在Android端和Web端繪制曲線。通過實測實驗，本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)測環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)的實時采集以及多樣化動態(tài)圖表顯示，同時能夠?qū)崿F(xiàn)在不同時段對圖表的主動或被動更新，提高數(shù)據(jù)采集和分析效率。

1 系統(tǒng)的設計思想

為了降低溫濕度測量成本，減輕測量人員的監(jiān)測負擔，系統(tǒng)將自動完成監(jiān)測環(huán)境的溫濕度測量與數(shù)據(jù)傳輸，并通過Android平臺與Web瀏覽器實現(xiàn)無線環(huán)境和有線環(huán)境的溫濕度實時監(jiān)測。本系統(tǒng)主要包括以下功能：

（1）利用DHT11溫濕度傳感器實時采集溫濕度數(shù)據(jù)，并通過串口發(fā)送至PC主機；

（2）通過Java程序編寫串口數(shù)據(jù)接收窗體，同時將溫濕度數(shù)據(jù)上傳至云端MySQL數(shù)據(jù)庫；

（3）本地上傳的數(shù)據(jù)由云端MySQL數(shù)據(jù)庫存儲；

（4）Android APP程序通過請求本地的Apache服務器獲取云數(shù)據(jù)庫中的溫濕度數(shù)據(jù)，通過動態(tài)曲線實時顯示溫濕度變化情況；

（5）Web瀏覽器通過請求本地Apache服務器獲取云端數(shù)據(jù)后，在瀏覽器中以動態(tài)曲線的形式實時顯示溫濕度變化情況。

2 系統(tǒng)開發(fā)與實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)組成

如圖1所示，系統(tǒng)的搭建主要由6部分組成。

圖1 系統(tǒng)功能架構(gòu)

（1）搭載傳感器模塊的CC2530單片機：該單片機采用C語言編程，使用IAR Systems公司開發(fā)的IAR作為嵌入式開發(fā)的編輯器，具有開發(fā)套件齊全且調(diào)試方便等優(yōu)勢。

（2）PC串口接收窗體程序：使用Java語言編寫，采用IntelliJ IDEA作為代碼編輯器。

（3）騰訊云平臺MySQL數(shù)據(jù)庫：配合Navicat作為數(shù)據(jù)管理工具，成本低廉且管理方便。

（4）Apache本地服務器：作為中間代理，部署方便，后臺使用PHP編程，編譯器為Visual Studio Code，負責編寫API數(shù)據(jù)調(diào)用接口。

（5）Android端APP：采用Android Studio作為開發(fā)工具，以Java作為開發(fā)語言。

（6）Web端程序：采用HTML+JS+CSS的形式，使用Visual Studio Code開發(fā)。

2.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設計

為提高監(jiān)測平臺的擴展性，數(shù)據(jù)表除了設計溫濕度字段外，還預留了空氣質(zhì)量字段，如圖2所示。此外，還可以根據(jù)實際需求添加一些需要輔助測量的數(shù)據(jù)字段，配合相關傳感器。通過數(shù)據(jù)庫能夠?qū)崿F(xiàn)采集數(shù)據(jù)的實時存儲與管理，滿足平臺后期的擴展需求。

圖2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設計

2.3 系統(tǒng)工作流程

2.3.1 數(shù)據(jù)采集

考慮到CC2530單片機成本低、擴展性好，故采用單片機搭建測量平臺。該平臺利用DHT11采集溫濕度數(shù)據(jù)，傳感器配合CC2530單片機每5 s測量1次。然后，測量的溫濕度數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送至PC端。

2.3.2 串口接收

在傳感器獲取數(shù)據(jù)后，通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送至PC端，在PC端使用Java編寫的串口接收窗體函數(shù)接收數(shù)據(jù)。當窗體程序接收到數(shù)據(jù)時，窗體函數(shù)可以實時顯示溫濕度數(shù)據(jù)，同時，窗體程序能夠在后臺對接收的數(shù)據(jù)采用正則表達式進行清理和選取，并上傳至騰訊云端MySQL數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)實時存儲。此外，該程序還預留了接口，可以連接本地數(shù)據(jù)庫，并將數(shù)據(jù)存儲在本地MySQL中。

2.3.3 本地服務器

由于Apache服務器部署方便、運行穩(wěn)定，系統(tǒng)的本地服務器以其為基礎進行布署。為了便于開發(fā)，選擇XAMPP集成開發(fā)環(huán)境。圖3為服務器8080端口開啟狀態(tài)。服務器端程序采用PHP開發(fā)，主要負責從云端MySQL數(shù)據(jù)庫獲取溫濕度數(shù)據(jù)，再將其封裝成JSON格式的數(shù)據(jù)，編寫API接口，方便Web瀏覽器或者Android客戶端通過訪問獲取數(shù)據(jù)。

圖3 服務器端口開啟狀態(tài)

2.3.4 Android端溫濕度實時監(jiān)控

Android客戶端通過第三方網(wǎng)絡通信框架Okhttp在局域網(wǎng)內(nèi)請求本地Apache服務器的API接口，并從接口中獲取JSON格式的數(shù)據(jù)；成功獲取數(shù)據(jù)后，在后臺完成解析和匹配，并通過Android第三方圖表庫MPAndroidChart繪制溫濕度折線圖。圖4所示為APP的初始化狀態(tài)。

圖4 Android溫濕度監(jiān)控初始化

2.3.5 Web端溫濕度實時監(jiān)控

Web端程序采用HTML+CSS+JS實現(xiàn)頁面設計，JS使用JQuery庫編寫Ajax，請求本地Apache服務器上的JSON數(shù)據(jù)。訪問機制與Android端相似，數(shù)據(jù)來源于云端數(shù)據(jù)庫。采用JS圖表繪制庫HighCharts繪制折線圖，折線圖每秒自動刷新一次。Web端程序的初始狀態(tài)如圖5所示。

圖5 Web溫濕度監(jiān)控初始化

3 系統(tǒng)測試

3.1 傳感器數(shù)據(jù)獲取測試

完成物聯(lián)網(wǎng)平臺搭建后，將單片機控制程序燒錄至節(jié)點板；接通電源后，溫濕度采集節(jié)點開始采集數(shù)據(jù)，并向PC端程序發(fā)送采集的實時溫濕度數(shù)據(jù)；同時，在PC端運行Java串口接收窗體程序，在窗體中可以顯示發(fā)送的溫濕度數(shù)據(jù)，如圖6所示；最后，通過該程序后臺將數(shù)據(jù)上傳至云端MySQL數(shù)據(jù)庫。

圖6 串口數(shù)據(jù)接收測試結(jié)果

3.2 APP數(shù)據(jù)獲取測試

Android端APP是本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可視化模塊之一。在手機安裝該程序，與本地服務器處于同一局域網(wǎng)內(nèi)，打開APP后就可以向本地Apache服務器請求溫濕度數(shù)據(jù)，并完成解析，同時將相關圖表呈現(xiàn)在屏幕上。如圖7所示，用戶點擊屏幕就可以刷新當前數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)自動更新設定周期為5 s/次。

圖7 APP數(shù)據(jù)獲取結(jié)果

3.3 Web瀏覽器數(shù)據(jù)獲取測試

Web端監(jiān)控程序是本系統(tǒng)數(shù)據(jù)可視化模塊的另一部分。在同一局域網(wǎng)內(nèi)，瀏覽器向服務器發(fā)起Ajax請求獲取數(shù)據(jù)；完成數(shù)據(jù)解析后，在瀏覽器中以動態(tài)折線圖的形式顯示。數(shù)據(jù)自動更新周期設定為1 s/次。網(wǎng)頁端監(jiān)控只需運行HTML頁面即可實現(xiàn)實時監(jiān)控。服務器返回數(shù)據(jù)結(jié)果如圖8所示，Web數(shù)據(jù)獲取結(jié)果如圖9所示。

圖8 服務器返回數(shù)據(jù)結(jié)果

圖9 Web數(shù)據(jù)獲取結(jié)果

4 結(jié) 語

溫濕度數(shù)據(jù)是環(huán)境監(jiān)測應用中的重要參數(shù)。考慮到傳統(tǒng)人工監(jiān)測方式難以做到環(huán)境的實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)的可視化，使得數(shù)據(jù)分析存在一定的滯后性；且隨著數(shù)據(jù)量的增大，數(shù)據(jù)管理十分困難。為此，本系統(tǒng)根據(jù)實際需求，開發(fā)了一套基于多平臺的溫濕度云端監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用硬件實現(xiàn)對溫濕度的實時采集，利用軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和可視化。硬件部分采用搭載DHT11溫濕度傳感器的CC2530單片機采集溫濕度數(shù)據(jù)，通過串口發(fā)送至PC主機監(jiān)測程序，監(jiān)測程序接收數(shù)據(jù)后上傳至云端MySQL數(shù)據(jù)庫。對于云端數(shù)據(jù)，可以分別通過Android APP與Web程序訪問本地Apache服務器，從而實現(xiàn)Android端、Web端的數(shù)據(jù)實時訪問，并通過折線圖動態(tài)顯示，以方便用戶對數(shù)據(jù)進行分析。因此，本文開發(fā)的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)在環(huán)境監(jiān)測中具有一定的應用價值和借鑒意義。同時，由于CC2530單片機良好的網(wǎng)絡搭建能力以及MySQL數(shù)據(jù)庫友好的操作方式，使得該系統(tǒng)具有良好的可拓展性。