物聯網中基于Wifi和Android平臺的溫度監測系統的開發

潘曄

[摘 要]在通信、互聯網、傳感器等技術的推動下，能夠實現人與人、人與機器、人與物以及物與物之間直接溝通的全新網絡架構——“物聯網”正在普及。本文旨在構建一種“智慧物體”（Things of Intelligence，TOI）模型，它是物聯網中的主體元素，這種TOI不僅具有智能的傳感器及無線通信模塊，而且結構簡單、便捷連入互聯網中。串口無線技術（Uart-Wifi）是實現此模型的關鍵技術，此技術的應用，在“物”與“互聯網”之間搭建了經濟、便捷的橋梁，實現了“物”與“互聯網”間信息發送和共享，同時對“物”即時監測與控制。本文以Android系統下的智能終端監測物體或其周圍環境的溫度為例，研究以串口無線技術為通信手段的“智慧物體”模型，開發此模型下如何應用智能設備（手機等）對其軟硬件進行監測與控制的技術和方法。

[關鍵詞]串口無線;安卓應用;智慧物體;Socket

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2015.11.037

物聯網作為新興的物品信息網絡，其應用領域很廣，其中，對于物品溫度及周圍環境溫度的監測與控制最為廣泛，包括農業大棚測溫、彈藥庫測溫、高爐水循環測溫、機房溫度管理、物品冷藏倉庫及其流通等方面。在這些測溫的系統中要求集中管理、實時管理，實現管理的網絡化和智能化，但存在測溫物體本身的限制、地理環境的限制、網絡環境限制及開發成本等的限制，使這種智能化的推廣很難向中低端應用普及。

物聯網中智能設備的應用存在兩大核心要素，第一是構造“智慧物體”（TOI），即具有感知能力（感知溫度、濕度、壓力等）和自我識別能力（標識，定位）及信息傳輸能力的物體;第二是易于通信的手段。因此，在設計方案、實施開發的過程中，把握智慧、互聯、移動及兼容的特點，設計一種易于維護、易于融合的方案和產品便是本文本的宗旨。

1 溫度監測系統的結構框

2 系統開發的軟件環境及硬件要求

2.1 系統中所涉及的硬件功能及參數

2.1.1 串口無線模塊（Uart-Wifi）

Uart-Wifi 是基于Uart接口的符合Wifi無線網絡標準的嵌入式模塊，內置無線網絡協議IEEE802.11協議棧以及TCP/IP協議棧，通過Uart-Wifi模塊，傳統的串口設備能輕松接入無線網絡。接口類型：通用串口、Uart接口、SPI接口。通過Uart/SPI直接接入單片機的IO引腳上，實現數據通信。這種無線模塊嵌入物體中或環境中，使物體和環境可以直接連入網絡中，進行數據通信（見下表）。體積不會超過一個火柴盒大小，價格十幾元左右。

2.1.2 單片機（MCU）：STC89C52RC

STC89C52RC是采用8051核的ISP（In System Programming）在系統可編程芯片，最高工作時鐘頻率為80MHz，片內含8K Bytes的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器，器件兼容標準MCS-51指令系統及80C51引腳結構，芯片內集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，具有在系統可編程（ISP）特性。具有通用異步串行口（UART），單片機能通過此接口與串口無線模塊連接。

2.1.3 數字溫度傳感器DS18B20

DS18B20數字溫度傳感器接線方便，封裝成后可應用于多種場合。封裝后的DS18B20可用于，鍋爐測溫，機房測溫，農業大棚測溫，冷藏庫測溫等各種場合。耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設備數字測溫和控制領域。DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條DQ引腳即可實現微處理器與DS18B20的雙向通信。測溫范圍 -55℃～+125℃。

2.1.4 智能設備

安卓系統下的各種平板及手機（本系統測試用SAMSUNG I9100）。

2.2 軟件開發、測試集成環境

2.2.1 單片機、無線串口、溫度傳感器驅動開發集成環境Keil C51

Keil C51是51系列兼容單片機C語言軟件開發系統。

2.2.2 Android平臺下APP開發環境

APP（應用程序，Application的縮寫），Android平臺下APP開發語言是JAVA，所以使用eclipse集成開發環境，是一個開放源代碼的、基于Java的可擴展開發平臺。

3 溫度監測系統中各單元之間的通信方式

3.1 Andriod手機與單片機的通信方式

采用基于 AP（無線訪問接入點）組建的基礎無線網絡，這種類型的網絡的特點以AP為整個網絡的中心，網絡中所有的通信都通過 AP 來轉發完成。將串口無線模塊網絡設為服務器模式，IP：192.168.2.1，端口：8000，設置串口無線模塊網絡SSID（無線網絡名稱）為“uartwif”，同時啟用DHCP。手機WLAN設為串口無線網“uartwifi”，獲取動態IP地址（如：192.168.2.2）。

3.2 單片機與數字溫度傳感器DS18B20的通信方式

圖2 單片機與數字溫度傳感器DS18B20的通信方式

4 軟件中監測、通信的算法實現

4.1 Andriod APP中通信算法

（1）通信類TcpSocket設計。網絡上的兩個程序通過一個雙向的通信連接實現數據的交換，這個雙向鏈路的一端稱為一個Socket。Socket通常用來實現客戶端和服務端的連接。本例中使用JAVA提供的Socket技術來設計一個用于通信的TcpSocket類，進行數據通信雙方的連接、發送與接收。

圖3 TcpSocket類的實現

（2）算法實現（見圖3）：

第一，通信類初始化TcpSocket（“192.168.2.1”，8000），并與單片機連接;

第二，使用sendMessage（byte[]）方法發送查詢數據0x02和0xFF;

第三，使用readMessage（byte[]）方法接收單片機返回的溫度數據。

4.2 單片機發送溫度信息算法

（1）串口初始化：void Serial_Reg（u8 BaudRate）。

（2）接收串口信息（UART接收中斷程序）：void Serial_Interrupt（）interrupt 4;if（（Buf[0]==0x02）&&（Buf[1]==0xFF））//通過查詢是否為0x02和0xFF來返回溫濕度采集值。

（3）發送溫度至串口緩沖區buf：void UART_SendData（u8 *data_buf）//串口發送數據。

4.3 單片機讀取數字溫度傳感器算法

Void ReadData（void），功能描述： 溫度讀取子程序。

5 物聯網中“智慧物體”模型的建立

在上述對物聯網中物體環境溫度監測的系統設計中會發現，此類應用中存在幾個要素：第一，感知模塊（傳感器）;第二，通信模塊（Uart-Wifi）;第三，數據處理模塊（單片機MCU）。只要將三者有機集成在一起，嵌入到物體中，就成為網絡中的“智慧物體”。TOI通過傳感器實時采集自身及環境的各種屬性，在MCU協調控制下進行數據的處理，并利用通信模塊將信息發布到互聯網中，實現信息的分析、共享、監控（見圖4）。

圖4 “智慧物體”模型

6 結 論

系統中的傳感器選擇了數字溫度傳感器，如果將其換為其他傳感器，如濕度、壓力、氣體等傳感器，則可以設計出更多的監測控制系統，同時集成流行的APP應用，通過Wifi方式快速、簡單地接入Internet，并充分利用當今互聯網的先進技術與手段，徹底地將被感知物體融入到人們的互聯網生活中，與網中的人一樣平等，這樣互聯網的主體對象不斷增加、應用范圍不斷擴大，那時物聯網即是互聯網，互聯網即是物聯網。