基于pcDuino的環境監測平臺設計

張益菲 張立

摘 要： 針對傳統環境監測平臺的弊端，設計一種基于pcDuino V3的環境監測平臺。該pcDuino單片機由全志A20雙核處理器和對應的電路模塊組成，HDMI接口為使用者提供了界面開發的功能。此設計將先進的計算機技術、各種電子器件、嵌入式系統等有機地結合在一起，是一種小型化的，可移動的環境監測平臺；能檢測溫濕度、光強、大氣壓以及圖片等相關環境數據，測得的數據通過無線網絡傳輸到云端，方便用戶對數據進行分析查看，便于用戶實施移動監測且能自動上傳數據的環境監測平臺。該平臺體積較小，具有一定的便攜性，可實現全自動工作模式，并解決了無人值守地區的環境數據采集、傳輸問題。

關鍵字： pcDuino V3； 環境監測； 數據分析； 無線網絡； 平臺設計； HDMI接口

中圖分類號： TN931+.3?34； TP212 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）20?0110?04

Abstract： In allusion to the disadvantages of the traditional environment monitoring platform， an environment monitoring platform based on pcDuino V3 is designed. The microcontroller pcDuino is composed of the A20 dual?core processor from Allwinner Technology and the corresponding circuit module. The HDMI interface provides the interface development function for users. In the design， the advanced computer technology， various electronic devices， and the embedded system are combined organically. The small?scale and mobile environment monitoring platform can detect related environment data such as temperature， humidity， light intensity， atmospheric pressure and pictures. The measured data is transmitted to the cloud terminal by means of the wireless network so that users can view and analyze the data， conduct mobile monitoring， and automatically upload data. The platform is small in volume， has a certain portability， can achieve a full?automatic working mode， and resolve the problems of environmental data acquisition and transmission in unattended areas.

Keywords： pcDuino V3； environment monitoring； data analysis； wireless network； platform design； HDMI interface

0 引 言

本文的研究目的是在無人值守地區對環境進行監測。用戶可隨時隨地查看監測地區的溫濕度、光強、大氣壓和圖片。以達到在突發事件發生后，讓決策者和負責人收到預警信號，快速介入及時通過環境信息和圖片了解真實情況，這對于應急搶險、解決突發事件、縮短事故蔓延期有著積極重要的意義。目前使用的互聯網設備及其采用的軟件系統都存在一些不合理的細節和集成度不高等缺點，需要各種獨立設備結合使用，且成本高昂。因此，價格低廉且容易開發，擴展方便的pcDuino V3成為互聯網遠程監控的良好選擇。

1 基于pcDuino V3的生態環境監測系統

由于廣泛的需求和優良的性能，嵌入式開發板的應用越來越普遍，現在開發板不再是作為獨立的商品，而是結合硬件、軟件和對應的開發工具及軟件包進行銷售。本設計選用的pcDuino V3采用的全志A20 處理器[1]，是適應現在普遍的平板電腦和智能電視機的需求，其完全支持2160P視頻解碼。

pcDuino V3[2]是當前市面上高性能、低價格的微型計算機，支持Ubuntu 12.04和Android 4.2。pcDuino V3支持多種格式的視頻編碼器和解碼器，并且擁有內置硬件視頻作為處理引擎，綜合性極佳，所以符合設計的要求，也為日后擴展功能提供可能。

本文設計監測系統的基本功能是要實現溫濕度和氣壓等相關環境參數的測量，同時安裝云臺以及攝像頭，實現圖像的實時采集和上傳，達到能直觀查看所處環境情況的目的。本平臺將此系統分為硬件部分和軟件部分分別進行設計。硬件部分主要由數據采集模塊、數據處理模塊、通信模塊以及供電模塊組成，對數據進行實時采集和處理。軟件部分由環境測量系統端的發送數據端和云端接收數據端組成。發送數據端將處理好的數據實時上傳至云服務器，將數據進行保存。用戶可以從云端下載數據，并做處理后呈現給用戶，向用戶呈現環境信息。該監測平臺設計如圖1所示。

2 硬件設計

2.1 數據采集模塊

數據采集模塊的關鍵在于傳感器的選擇，正確合理的選擇傳感器要考慮靈敏度、響應特性、線性范圍、穩定性、精確度和測量方式六個方面，并兼顧結構簡單、體積小、重量輕、價格便宜、易于維修、易于更換等條件。本環境監測平臺的傳感器[1]選擇有以下幾個：

1） 溫濕度傳感器

pcDuino+DHT21可實現全天候的溫度監控[3]，而且由于pcDuino本身的功率也不大，所以即使一直開著也不會很耗電。再配合Xively把傳感器的數據實時傳送到網上，這樣就可以隨時隨地測量環境的溫度。

2） 光強傳感器

光強傳感器選擇的是GY?30，設備主要通過光照強度傳感器進行相關數據的采集，然后通過pcDuino核心板將其接入Xively云平臺，可以通過Web端進行實時數據的查看。

3） 氣壓傳感器

氣壓傳感器選擇的是BMP185。BMP185是一款高精度、小體積、超低能耗的壓力傳感器，可以應用在移動設備中。它的性能卓越，絕對精度最低可以達到0.03 hPa，并且耗電極低，只有3 μA。BMP185采用強大的8?pin陶瓷無引線芯片載體（LCC）超薄封裝，可以通過I2C總線直接與各種微處理器相連。

4） 紅外傳感器[4]

本設計所用到的紅外探頭是熱釋電紅外傳感器（PIR），這種熱釋電紅外傳感器[5]能以非接觸形式檢測出人體輻射的紅外線， 并將其轉變為電壓。相比于其他紅外傳感器制作的報警器材，基于熱釋電紅外傳感器的報警裝置具有，無需紅外線或電磁波發射源、靈敏度高、控制范圍大、隱蔽性好等優點[6]。該傳感器將兩個極性相反、特性一致的探測元串接在一起， 目的是消除因環境和自身變化引起的干擾。它利用兩個極性相反、大小相等的干擾信號在內部相互抵消的原理來使傳感器得到補償。對于輻射至傳感器的紅外輻射， 熱釋電傳感器通過安裝在傳感器前面的菲涅爾透鏡將其聚焦后加至兩個探測元上，從而使傳感器輸出電壓信號。

2.2 數據處理模塊

模擬信號采集控制器負責管理模擬信號，數字信號則由另一個控制器來進行儲存和管理。控制器的功能主要由適配器的不同命令要求所決定。命令主要由采集命令和啟動停止命令。采集命令主要用于對傳感器采集頻率的一個設定，啟動停止命令則用于控制采集的啟動和停止。另外，采用的pcDuino V3開發板具有SD庫[7]，可以提供給用戶在擴展板上對SD卡進行讀/寫等操作。其中SD庫具有SD類和File類兩個類。SD類主要包括一些接口函數用于對SD卡上的信息進行訪問；File類則用于對SD卡上的文件進行讀/寫等操作。

2.3 通信模塊

通用串行口主要包SPI，UART，I2C和TWI接口，目前市場上大部分傳感器模塊、擴展接口芯片等都是用串行口與CPU通信，在實際應用中有著廣泛的應用。用戶可以在現場讀取數據，實時、快捷、方便，方便用戶對氣象數據的進一步處理分析。pcDuino V3添加了板載的無線WiFi，并且此板子上I/O口的接口做成Arduino[8]的標準接口，所有的Arduino擴展版都可以直接插上連接，再也不用轉接板去轉換接口，非常方便使用。

3 軟件設計

3.1 傳感器數據上傳至云端

Xively是一個物聯網服務器。用戶可以把采集到的傳感器數據上傳到Xively，然后在這個服務器上面開發應用。在這個監測系統里，用pcDuino作為物聯網節點，采集環境溫度、濕度和光強上傳到Xively服務器[9]。此設計中，使用Python進行開發，并且安裝必要的軟件包。pcDuino V3的Python庫文件可以在github上使用命令下載，實現在xively.com網頁上查看到數據，如圖2所示。

3.2 紅外檢測照片傳至百度云

在此采用百度云/百度網盤的Python客戶端。主要的目的就是在Linux環境下通過命令行來使用百度云盤2 TB的巨大空間，剛好可以用在pcDuino上。Python提供文件列表、下載、上傳、比較、向上同步、向下同步等操作。在pcDuino中設置好環境并安裝百度云就可方便地使用百度云提供的API。授權成功的百度云如圖3所示[10]。完成了百度云的安裝及授權，接下來只需要編寫腳本使PIR紅外報警后所拍的照片能夠第一時間傳到個人的百度云賬號，以便實現對私人領域的實時監控[11]。腳本內容如下：

這種做法簡單、安全并且簡潔。相比于自己維護一個網站，不需要自己編寫后臺腳本也不需要編寫Web代碼，卻能達到相同的效果。該部分系統的框架如圖4所示。

4 結 語

在物聯網時代，智能環境監測的出現對于農業、林業、氣象、科研等都具有重要的作用。無人值守的優點也大大減少了人力物力需求，為在偏遠地區的氣象觀測工作提供了可能。無線網絡的傳輸方式保證了數據的實時性和有效性，為觀測提供了精確的數據支持。通過網頁和百度云的開發更符合了時代的需求，方便用戶遠程觀測另外一個地方的環境數據，為用戶提供很大的便利。

注：本文通訊作者為張立。

參考文獻

[1] 徐志永，孫笠森，趙勝飛.多傳感器數據采集系統設計[J].儀表技術，2012（4）：52?54.

XU Zhiyong， SUN Lisen， ZHAO Shengfei. Multi?sensor data acquisition system [J]. Instrumentation technology， 2012（4）： 52?54.

[2] 王國芳.基于pcDuino的數字探究實驗課程設計[J].中國信息技術教育，2015（z1）：141?143.

WANG Guofang. Digital inquiry experiment course design based on pcDuino [J]. China information technology education， 2015（S1）： 141?143.

[3] 李長有，王文華.基于DHT11溫濕度測控系統設計[J].機床與液壓，2013，41（13）：107?108.

LI Changyou， WANG Wenhua. Design of humiture measurement and control system based on DHT11 [J]. Machine tool and hydraulics， 2013， 41（13）： 107?108.

[4] 胡大力，朱亞民，劉花麗，等.基于熱釋電傳感器的人體輻射檢測電路設計[J].電子技術，2013，40（2）：33?35.

HU Dali， ZHU Yamin， LIU Huali， et al. Design of an infrared radiation detection circuit for human body based on pyroelectric infrared sensor [J]. Electronic technology， 2013， 40（2）： 33?35.

[5] 晏勇，周相兵.基于物聯網礦井瓦斯動態監測與預警系統設計[J].實驗室研究與探索，2016，35（1）：93?96.

YAN Yong， ZHOU Xiangbing. Dynamic monitoring and early warning system of mine gas based on Internet of Things [J]. Research and exploration in laboratory， 2016， 35（1）： 93?96.

[6] 王子豪，田杰，魏玉宏.無線PIR的人體目標追蹤方法研究綜述[J].傳感器與微系統，2016，35（4）：8?10.

WANG Zihao， TIAN Jie， WEI Yuhong. Review of human body target tracking methods based on wireless PIR [J]. Transducer and microsystems technologies， 2016， 35（4）： 8?10.

[7] 秦華，孫曉松.基于Arduino/Android的環境狀況監測系統設計[J].無線互聯科技，2013（1）：59?61.

QIN Hua， SUN Xiaosong. Design of environmental condition monitoring system based on Arduino/Android [J]. Wireless internet technology， 2013（1）： 59?61.

[8] 張子木.基于Arduino的物聯網接入技術的研究[D].北京：北京工業大學，2015.

ZHANG Zimu. Research on access technology of Internet of Things based on Arduino [D]. Beijing： Beijing University of Technology， 2015.

[9] 張丹，王建華，吳玉華.物聯網技術在農業溫室大棚中的應用研究[J].安徽農業科學，2013，41（7）：3218?3219.

ZHANG Dan， WANG Jianhua， WU Yuhua. Application and research of Internet of Things in agricultural greenhouse [J]. Journal of Anhui Agricultural Sciences， 2013， 41（7）： 3218?3219.

[10] 周小仨.基于嵌入式WEB服務器的設計與實現[J].電子制作，2014（12）：79?80.

ZHOU Xiaosa. Design and implementation of embedded WEB server [J]. Practical electronics， 2014（12）： 79?80.

[11] 劉建輝.嵌入式Linux環境下基于OpenCV的人臉檢測跟蹤系統研究[D].石家莊：河北科技大學，2014.

LIU Jianhui. Face detection and tracking system based on OpenCV in embedded Linux environment [D]. Shijiazhuang： Hebei University of Science & Technology， 2014.