設計移動環境監測系統

齊京

摘 要：近年來，隨著高等職業教育的快速發展，高職院校開展項目設計成為潮流，加強高職院校師資隊伍的建設成為各院校的重點任務。教師們在企業人員的指導下開展項目設計是一個可行的途徑，這樣可以使教師具備豐富的專業實踐經驗和專業操作技能，有助于提高教師的科技創新和設計能力，這對高職院校教師在科研能力的建設上有著深遠的意義。

關鍵詞：環境監測 傳感器 服務器 客戶端

中圖分類號：G71 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）03（a）-0060-03

環境監測是通過對人類和環境有影響的各種物質的含量、排放量的檢測，跟蹤環境質量的變化，確定環境質量水平，為環境管理、污染治理等工作提供基礎和保證。簡單地說，了解環境水平，進行環境監測，是開展一切環境工作的前提。環境監測的目的是為了準確、及時、全面地反映環境質量現狀及發展趨勢，為環境管理、污染源控制、環境規劃等提供科學依據。

環境監測指通過計算機、傳感器、通信網絡等新技術，動態實時的獲取和監測環境的各項指標。本系統設計重點集中在空氣質量監測，對一個區域內的能夠代表空氣質量的污 染物例如PM2.5等進行監測。

1 環境監測系統的組成部分

（1）客戶端：客戶端運行在平板電腦上，操作系統采用Android系統，用戶可以通過平板電腦實時看到當前環境指標數值，比如co2濃度、PM2.5數值，空氣污染等級等。

（2）服務端：服務端運行在定制實驗箱硬件上，操作系統采用Android系統，服務端一方面接受客戶端數據讀取請求，給予響應；另一方面通過串口讀取外接zigbee模塊，采集到的環境指標數據。

（3）客戶端與服務端連接：通過wifi網絡連接。

（4）協調器：一個單片機，集成了zigbee模塊，與外部各種傳感器以及繼電器通信，傳感器以及繼電器也是集成了zigbee模塊。

（5）協調器與傳感器連接：傳感器和協調器之間通過zigbee通信。

（6）服務端與協調器：通過串口數據線連接。

2 系統架構

服務端系統主要入口在HTTPServerService， 它負責創建HttpServer和串口讀線程，一旦創建完畢，后續的串口讀線程周期采集（頻率依賴外部串口設備），串口數據保存到內存變量中。而Http Server則負責接收來自客戶端的請求，當請求到達時，創建一個線程處理該請求，線程內部首先解析請求，根據請求的參數區分進行后續的業務邏輯處理，業務邏輯處理過程會從內存變量中讀取采集到的串口數據，處理完畢后構造響應消息應答客戶端設備。

3 主要流程

采集串口傳感數據流程，采集串口傳感器數據包裝在SerialportService的CO2SensorTask類中，定時任務。任務開始時，延時一秒發送外設請求，數據通過handler回傳。線程循環讀取外部設備數據，當讀滿一個采樣周期完整的數據時，對該讀到的數據按照接口協議進行解析，解析出每個傳感數據的數值，并將原始采樣數值按照約定算法進行，結果數值轉換成用戶可以理解的數值，處理完畢后將一個采樣周期的串口數據放入內存數據結構。Http Server則負責接收來自客戶端的請求，當請求到達時創建一個線程處理該請求，線程內部首先解析請求，根據請求的參數區分進行后續的業務邏輯處理，業務邏輯處理過程會從消息隊列中讀取采集到的串口數據，處理完畢后構造響應消息應答客戶端設備。設備連接后，應用程序發送0x00， 0x31命令。外設接收到指令后，返回設備物理地址，后續發送數據，解析需要依據這些地址。

4 關鍵類設計

（1）MainActivity類：該類繼承自Activity類，負責服務端界面的繪制，響應來自界面的用戶操作，serverSwitch按鈕負責打開和關閉串口和http服務。控制串口，讀取串口數據有單獨service控制，并與MainActivity綁定，使得系統更穩定。http服務也是有單獨service控制。

（2）JasonHttpServer類：該類繼承自NanoHTTPD類，負責實現android平臺下的http server，在此基礎上完成了客戶端http請求消息的解析處理，并生成響應消息應答客戶端的請求。該類主要重載了NanoHTTPD的serve方法，serve函數負責處理http請求，根據請求的uri、header等信息，解析出body，并依據這些信息獲取相關數據，構造響應應答客戶端。

（3）SerialportService類：該類在OnStart（）處被創建，并啟動串口讀線程，該線程負責讀取來自串口的數據并放入消息隊列。同時從sqlite中讀取用戶之前設置的各個傳感器告警閥值，啟動http服務等待客戶端請求。

（4）DatabaseUtil類：該類基于SQLite編寫，SQLite為手機客戶端提供數據存儲功能，并且有常用的增刪改查功能api，使用便捷。該類負責保存用戶信息，提供用戶登錄驗證和用戶添加。操作串口模塊采用開源項目android-serialport-api進行android平臺下串口數據讀寫操作。

（5）http server模塊：采用開源項目nanohttpd實現android平臺下的http server，在此基礎上完成了客戶端http請求消息的解析處理，并生成響應消息應答客戶端的請求。

5 CO2氣體傳感器

CO2氣體傳感器的特點：對CO2有良好的靈敏度和選擇性，受溫濕度的變化影響較小，具有良好的穩定性、再現性。應用領域包括：空氣質量控制系統，發酵過程控制，溫室CO2濃度檢測。工作原理：本傳感器采用固體電解質電池原理，元件加熱電壓由外電路提供，當其表面溫度足夠高時，元件相當于一個電池，其兩端會輸出一電壓信號，其值與能斯特方程符合得較好。元件測量時放大器的阻抗須在100—1000GΩ之間，其測試電流應控制在1pA以下。

6 溫濕度傳感器

溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。它應用于工業COMS過程微加工技術，確保產品具有極高的可靠性與卓越的長期穩定性。其中包括：一個電容式聚合體測濕元件和一個能隙式測溫元件，并與一個14位的A/D轉換器以及串行接口電路在同一芯片上實現無縫連接。因此，該產品具有品質卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等優點。每個傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進行校準。校準系數以程序的形式儲存在OTP內存中，傳感器內部在檢測信號的處理過程中要調用這些校準系數。兩線制串行接口和內部基準電壓，使系統集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，使其成為各類應用甚至最為苛刻的應用場合的最佳選則。產品提供表面貼片LCC（無鉛芯片）或4針單排引腳封裝。

7 移動客戶端設計

移動客戶端使用Android手機，用戶通過界面點擊注冊按鈕，輸入用戶名、密碼、郵箱地址之后點擊確定觸發用戶注冊流程。注冊將用戶信息提交到服務端，持久化到sqlite數據庫。

注冊部分實現邏輯：

（1）注冊開始。

（2）在界面上輸入用戶名，密碼，郵件等必須信息。

（3）啟動注冊線程。

（4）使用用戶名密碼等數據構造HTTP請求和JASON BODY。

（5）向服務器端發送請求。

（6）服務器應收該請求。

（7）服務器對接到到的HTTP請求，分解JasonBody中的數據。

（8）對注冊信息進行校驗。通過則注冊成功成功。

（9）校驗不成功，是返錯誤代碼。

登錄部分功能說明：用戶通過登錄界面輸入用戶名、密碼之后點擊登錄界面觸發登錄流程。

登錄部分實現邏輯：

（1）用戶在登錄界面輸入用戶名，密碼等信息。

（2）啟動登錄線程。

（3）使用用戶名密碼等數據構造HTTP請求和JASON BODY。

（4）向服務器端發送請求。

（5）服務器應收該請求。

（6）服務器對接到到的HTTP請求，分解JasonBody中的數據。

（7）對注冊信息進行校驗。通過則注冊成功成功。

（8）校驗不成功，是返錯誤代碼。

空氣溫度監測功能說明：提供空氣溫度監測數值曲線顯示：在環境監測主界面能夠動態顯示空氣溫度的狀態曲線，顯示出空氣溫度的變換狀況。每個繪圖點的高度要能夠反映出所對應時間點的數值高度，在每個繪圖點的上方有所對應數值顯示。

空氣溫度監測實現邏輯：

（1）客戶端初始化曲線圖界面。

（2）啟動一個定時線程（定時間隔可調，默認為1秒）。

（3）將空氣溫度查詢指令構造為HTTP請求和JASON BODY。

（4）向服務端發送請求。

（5）服務端響應該請求。

（6）根據指令，讀取空氣溫度傳感器的當時數據。

（7）將空氣溫度傳感器的當時數據構造HTTP請求和JASON BODY。

（8）將HTTP請求返回客戶端。

（9）客戶端接收該數據后，解析該數據，并根據當前的值在界面上畫出對應的曲線。

空氣濕度監測功能說明：提供空氣濕度監測數值曲線顯示：在環境監測主界面能夠動態顯示空氣濕度的狀態曲線，顯示出空氣濕度的變換狀況。每個繪圖點的高度要能夠反映出所對應時間點的數值高度，在每個繪圖點的上方有所對應數值顯示。

空氣濕度監測實現邏輯：

（1）客戶端初始化曲線圖界面。

（2）啟動一個定時線程（定時間隔可調，默認為1秒）。

（3）將空氣濕度查詢指令構造為HTTP請求和JASON BODY。

（4）向服務端發送請求。

（5）服務端響應該請求。

（6）根據指令，讀取空氣濕度傳感器的當時數據。

（7）將空氣濕度傳感器的當時數據構造HTTP請求和JASON BODY。

（8）將HTTP請求返回客戶端。

（9）客戶端接收該數據后，解析該數據，并根據當前的值在界面上畫出對應的曲線。

土壤濕度監測功能說明：提供土壤濕度監測數值曲線顯示：在環境監測主界面能夠動態顯示土壤濕度的狀態曲線，顯示出土壤濕度的變換狀況。每個繪圖點的高度要能夠反映出所對應時間點的數值高度，在每個繪圖點的上方有所對應數值顯示。

土壤濕度監測實現邏輯：

（1）客戶端初始化曲線圖界面。

（2）啟動一個定時線程（定時間隔可調，默認為1秒）。

（3）將土壤濕度查詢指令構造為HTTP請求和JASON BODY。

（4）向服務端發送請求。

（5）服務端響應該請求。

（6）根據指令，讀取土壤濕度傳感器的當時數據。

（7）將土壤濕度傳感器的當時數據構造HTTP請求和JASON BODY。

（8）將HTTP請求返回客戶端。

（9）客戶端接收該數據后，解析該數據，并根據當前的值在界面上畫出對應的曲線。

光照強度功能說明：提供光照強度監測數值曲線顯示：在環境監測主界面能夠動態顯示光照強度的狀態曲線，顯示出光照強度的變換狀況。每個繪圖點的高度要能夠反映出所對應時間點的數值高度，在每個繪圖點的上方有所對應數值顯示。

光照強度實現邏輯：

（1）客戶端初始化曲線圖界面。

（2）啟動一個定時線程（定時間隔可調，默認為1秒）。

（3）將光照強度查詢指令構造為HTTP請求和JASON BODY。

（4）向服務端發送請求。

（5）服務端響應該請求。

（6）根據指令，讀取光照強度傳感器的當時數據。

（7）將光照強度傳感器的當時數據構造HTTP請求和JASON BODY。

（8）將HTTP請求返回客戶端。

（9）客戶端接收該數據后，解析該數據，并根據當前的值在界面上畫出對應的曲線。

二氧化碳濃度監測功能說明：提供二氧化碳濃度監測數值曲線顯示：在環境監測主界面能夠動態顯示二氧化碳濃度的狀態曲線，顯示出二氧化碳濃度的變換狀況。每個繪圖點的高度要能夠反映出所對應時間點的數值高度，在每個繪圖點的上方有所對應數值顯示。

二氧化碳濃度監測實現邏輯：

客戶端初始化曲線圖界面

（1）啟動一個定時線程（定時間隔可調，默認為1秒）。

（2）將二氧化碳濃度查詢指令構造為HTTP請求和JASON BODY。

（3）向服務端發送請求。

（4）服務端響應該請求。

（5）根據指令，讀取二氧化碳濃度傳感器的當時數據。

（6）將二氧化碳濃度傳感器的當時數據構造HTTP請求和JASON BODY。

（8）將HTTP請求返回客戶端。

（9）客戶端接收該數據后，解析該數據，并根據當前的值在界面上畫出對應的曲線。

主動報警功能說明：用戶輸入空氣濕度上限及下限（示例中為0和100）。設置完成后點擊“確定”按鈕，系統記錄該閾值后，當查詢到的數值不在這個區間范圍之內時，能主動修改報警狀態，并觸發對應的報警機構。

主動報警實現邏輯

（1）點擊空氣濕度界面“設置”按鈕，彈出空氣濕度閥值設置界面。

（2）輸入空氣濕度閾值上限及下限數據，點擊確認按鈕。

（3）當空氣濕度超過所設定的上門限或下門限時，主界面中將顯示空氣濕度告警，（示例中空氣濕度數值為212，已經超過上門限100，所以當前狀態為“預警”）

空氣濕度閥值功能說明：用戶輸入空氣濕度閥值上限及下限（示例中為0和100）。設置完成后點擊“確定”按鈕，系統記錄該閾值后，當查詢到的數值不在這個區間范圍之內時，能主動修改報警狀態，并觸發對應的報警機構。

空氣濕度閥值實現邏輯

（1）點擊空氣濕度界面“設置”按鈕，彈出空氣濕度閥值設置界面。

（2）輸入空氣濕度閾值上限及下限數據，點擊確認按鈕。

（3）當空氣濕度超過所設定的上門限或下門限時，主界面中將顯示空氣濕度告警，（示例中空氣濕度數值為212，已經超過上門限100，所以當前狀態為“預警”）。

土壤濕度的閾值功能說明：用戶輸入土壤濕度的閾值上限及下限（示例中為0和100）。設置完成后點擊“確定”按鈕，系統記錄該閾值后，當查詢到的數值不在這個區間范圍之內時，能主動修改報警狀態，并觸發對應的報警機構。

土壤濕度的閾值實現邏輯：

（1）點擊土壤濕度界面“設置”按鈕，彈出土壤濕度閥值設置界面。

（2）輸入土壤濕度閾值上限及下限數據，點擊確認按鈕。

（3）當土壤濕度超過所設定的上門限或下門限時，主界面中將顯示土壤濕度告警，（示例中土壤濕度數值為212，已經超過上門限100，所以當前狀態為“預警”）。

光照強度閥值功能說明：用戶輸入光照強度閥值上限及下限（示例中為0和100）。設置完成后點擊“確定”按鈕，系統記錄該閾值后，當查詢到的數值不在這個區間范圍之內時，能主動修改報警狀態，并觸發對應的報警機構。

光照強度閥值實現邏輯：

（1）點擊光照強度閥值界面“設置”按鈕，彈出光照強度閥值閥值設置界面。

（2）輸入光照強度閥值閾值上限及下限數據，點擊確認按鈕。

（3）當光照強度閥值超過所設定的上門限或下門限時，主界面中將顯示光照強度閥值告警，（示例中光照強度閥值數值為212，已經超過上門限100，所以當前狀態為“預警”）。

二氧化碳的閾值功能說明：用戶輸入二氧化碳的閾值上限及下限（示例中為0和100）。設置完成后點擊“確定”按鈕，系統記錄該閾值后，當查詢到的數值不在這個區間范圍之內時，能主動修改報警狀態，并觸發對應的報警機構。

二氧化碳的閾值實現邏輯

（1）點擊二氧化碳濃度界面“設置”按鈕，彈出二氧化碳濃度閥值設置界面。

（2）輸入二氧化碳濃度閾值上限及下限數據，點擊確認按鈕。

（3）當二氧化碳濃度超過所設定的上門限或下門限時，主界面中將顯示二氧化碳濃度告警，（示例中二氧化碳濃度數值為212，已經超過上門限100，所以當前狀態為“預警”）。

空氣濕度、空氣濕度或二氧化碳濃度觸發對應的報警機構功能說明：當查詢到的空氣濕度、空氣濕度或二氧化碳濃度數值不在這個設定的范圍之內時，客戶端界面上能主動修改報警狀態，并觸發對應的報警機構。

空氣濕度、空氣濕度或二氧化碳濃度觸發對應的報警機構實現邏輯：

（1）定時查詢到空氣濕度、空氣濕度或二氧化碳濃度數值時，將該值與本地存儲的閥值進行對比。

（2）當查詢到數值在這個期間范圍之內時，在客戶端界面顯示“正常”，設置風扇的狀態標志為“關閉”。

（3）當查詢到數值不在這個期間范圍之內時，在客戶端界面顯示“報警”。

（4）設置風扇的狀態標志為“打開”。

（5）用風扇狀態標志構造HTTP請求和JASON BODY。

（6）向服務端發送請求。

（7）服務端接收請求，并分析接收到的數據。

（8）服務端將接收到的狀態，寫入到對應的傳感器狀態。

光照強度觸發對應的報警機構功能說明：當查詢到的光照強度數值不在這個設定的范圍之內時，客戶端界面上能主動修改報警狀態，并觸發對應的報警機構。

光照強度觸發對應的報警機構實現邏輯：

（1）定時查詢到光照強度數值時，將該值與本地存儲的閥值進行對比。

（2）當查詢到數值在這個期間范圍之內時，在客戶端界面顯示“正常”，設置LED燈的狀態標志為“關閉”。

（3）當查詢到數值不在這個期間范圍之內時，在客戶端界面顯示“報警”。

（4）設置LED燈的狀態標志為“打開”。

（5）用LED燈狀態標志構造HTTP請求和JASON BODY。

（6）向服務端發送請求。

（7）服務端接收請求，并分析接收到的數據。

（8）服務端將接收到的狀態，寫入到對應的傳感器狀態。

土壤濕度觸發對應的報警機構功能說明：當查詢到的土壤濕度數值不在這個設定的范圍之內時，客戶端界面上能主動修改報警狀態，并觸發對應的報警機構。

土壤濕度觸發對應的報警機構實現邏輯：

（1）定時查詢到土壤濕度數值時，將該值與本地存儲的閥值進行對比。

（2）當查詢到數值在這個期間范圍之內時，在客戶端界面顯示“正常”，設置水泵的狀態標志為“關閉”。

（3）當查詢到數值不在這個期間范圍之內時，在客戶端界面顯示“報警”。

（4）設置水泵的狀態標志為“打開”。

（5）用水泵標志構造HTTP請求和JASON BODY。

（6）向服務端發送請求。

（7）服務端接收請求，并分析接收到的數據。

（8）服務端將接收到的狀態，寫入到對應的傳感器狀態。

8 結語

通過設計環境監測系統手機客戶端，使我們接觸到了企業的真實項目，為我們的教學帶來了新的內容，同時也提升了教師的實踐能力和科研能力，可以看出項目設計是一條提升教師能力的有效途徑。

參考文獻

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[3] 崔曼，薛惠鋒，卜凡彪，等.基于物聯網與云計算的環境監測系統研究[J].西安工業大學學報，2013（7）.