基于WiFi 技術的智能環境檢測系統

張 兵 王澤偉 孫曉葉

（防災科技學院，河北 三河065200）

1 概述

在智能互聯的推動下，各種通信技術迅速更新迭代。國內外也涌現出了一大批的以通信和物聯網為基礎的產業。在硬件開發板領域野火、樹莓派、Arduino 成為電子行業快速發展起來的開發板套件；在通訊領域5G 通信、NB-IOT、藍牙5.0 等通信技術的發展也在不斷推動互聯網和物聯網的發展；在云平臺領域阿里云平臺、中國移動云平臺、騰訊云等的云服務也逐步成熟。在智能環境監測領域，物聯網技術作為主要技術被廣泛應用。把物聯網與環境監測結合起來具有十分明顯的優勢。我國空氣污染形勢嚴峻，監測霧霾，有害氣體的含量成為空氣指標的剛需。目前，智能環境監測系統已經有一定的應用，但是仍然具有很大的發展前景。本文就是基于以上背景和理念下，利用Arduino 和中國移動的OneNET 平臺對環境進行智能監測。旨在采用Arduino 對環境數據進行采集，并將數據上傳到云端，從而幫助用戶采集到指定環境條件下的數據，并對環境進行遠程控制。本系統設計擬定采用Arduino 開發板和傳感器模塊，實現環境數據的采集。并將環境數據上傳到OneNET 平臺，通過OneNET 所提供的云服務，和實時數據處理, 實現環境監測和控制。用戶只需要在移動端或在網頁上登錄就可以遠程看到環境的數據，并可以通過頁面上的按鈕遠程對指定的LED 燈和繼電器進行控制。本系統擬定將實現以下開發目標：（1）本系統開發路線清晰，程序可用度高，能夠實現對環境數據的準確采集和直觀的數據展示。（2）在界面上直觀的展示采集到的數據，可以遠程監控指定環境下的溫度、濕度、光照、煙霧氣體等數據。并且可以通過界面上的操作，對指定的繼電器等進行控制。（3）在后臺的管理界面實現用戶的登錄、注銷、修改、授權等操作。（4）可以通過后臺對傳感器信息進行的更新，實現傳感器等管理，以方便管理員對傳感器的維護處理；（5）本系統在注重功能實現的同時，具有頁面簡單整潔，數據傳輸高效準確等目標。

2 系統總體設計

本設計包括下位機部分和管理系統兩部分內容，下位機部分主要是單片機、傳感器、WiFi 模塊的設計，管理系統部分是WEB 管理系統的設計，二者共同組成本系統。

2.1 系統功能描述

本系統是基于Arduino 和傳感器技術進行數據采集，通過WiFi 技術和HTTP 技術進行數據交互，采用OneNET 云平臺進行數據展示。傳感器采集環境的光照、煙霧、溫度、濕度數據，通過HTTP 協議上傳到OneNET 平臺。云平臺收到數據之后，用戶可以再在移動端或者電腦端實現對環境的監測和遠程控制。因為OneNET 不開放數據庫，所以采用Python 爬蟲將數據轉存到本地數據庫，在本地數據庫對環境數據進行管理。并且可以通過管理系統進行用戶管理和對歷史數據進行查看。

圖1 智能環境檢測系統圖

本設計系統結構如圖1 所示。

2.2 硬件部分系統功能描述

本系統硬件部分采用傳感器監測環境數據，并將數據實時上傳到OneNET 云平臺。再通過OneNET 云平臺的返回的數據顯示到顯示屏上。同時移動端或電腦端可以通過網頁或者APP對云平臺進行數據訪問。本設計的硬件部分包括各類Arduino Mega 2560、傳感器、WiFi 模塊、供電電源等實現如下功能：

本設計硬件功能結構圖2。

圖2 硬件功能結構圖

2.3 系統硬件設計

本系統選擇了Arduino Mega 2650 作為主控模塊。Arduino Mega 開發板上集成了54 路數字輸入/輸出端口，16 路模擬輸入端口[1]。本設計中選擇Arduino Mega 的主要原因是其的閃存較大，具有較多的引腳，能夠更好的滿足本設計的需求。本智能環境監測系統在硬件部分主要采用了溫濕度傳感器、光照傳感器、煙霧傳感器，用來采指定環境條件下的溫度、濕度、光照和煙霧氣體的參數。本系統的無線通信模塊采用了由上海樂鑫信息科技開發的，可以作為微控制器使用WiFi 控制芯片ESP8266。選用其的原因是低功耗、高集成度，成本低、且具有完整TCP/IP 協議棧。其常用于串口CH340 轉WiFi、WiFi 遠程監控/控制、安防一體化管理等領域。本設計的數據顯示模塊采用了LCD1602A 液晶顯示屏。用來顯示當前狀態的溫度、濕度、煙霧氣體、光照參數。LCD1602 屏幕為2 行，每行顯示16 個字符，為字符型顯示器，只能顯示數字和字符，不可以顯示漢字[2]。常用于少量字符顯示的電子設計。本設計中采用該模塊顯示從OneNET 端獲得的傳感器數據。本系統中使用了常規的LED 燈和繼電器作為控制器，蜂鳴器作為煙霧超標預警進行報警。LED燈是一種常用的控制發光源，其的基本結構是一個被環氧樹脂封裝好的半導體芯片，在通電后可進行發光。因為其節能、長效、環保等優點被應用于各類場景。繼電器是一種常用的控制器，能夠通過對較小電流去控制較大的電流。可以通過控制電路實現被控電路的通斷。在本設計中為了提高硬件部分的功能可拓展性。所以選擇繼電器為第二個控制器。蜂鳴器是一種常用的警報模塊。其是直流電壓供電的電子訊響設備，發聲原理是通過采用震蕩源發聲。在物聯網和電子設計中。常用于系統警報或作為提示音出現。蜂鳴器分為有源蜂鳴器和無源蜂鳴器兩種：區別主要在于蜂鳴器內部是否有震動源。有源蜂鳴器其內部自帶震蕩源，只需要進行通電就可以發聲，無源蜂鳴器內部不帶震蕩源，具有類似與擴音器一樣的效果，需要接入震蕩源才能進行發聲。本系統中采用了有源蜂鳴器作為煙霧濃度超標的報警。

3 系統功能實現

3.1 OneNET 設計

在硬件部分按照接線圖，搭建完成，并編譯，上傳成功后，將系統接電，在OneNET 云平臺上進行設置相關參數，使得其能夠實現數據的交互。在瀏覽器輸入網址https://open.iot.10086.cn/，或搜索OneNET，搜索到OneNET 中國移動物聯網開放平臺后，點擊進入。在注冊登錄之后，點擊右上角的開發者中心可以跳轉到開發者中心，在這里可以進行添加產品，在此處有已經創建好的產品;點擊進入后，會對單獨的產品有一個特有的產品id和Master-APIkey 和接入的協議，在此處，可以進行一系列的編輯和權限操作，在本系統中，我們采用了HTTP 協議進行通訊。右側點擊選擇數據流模板，確定數據流的模板，在此處根據本系統的規劃，設置了temp，humi，light，smoke，led，relay6 個數據流，分別對應溫度、濕度、光照、煙霧氣體、LED 燈、繼電器,在觸發器管理部分，添加觸發器，當溫度大于80 攝氏度時給指定的郵箱發送郵件，提醒溫度或濕度異常.因為OneNET 云平臺并不開放提供數據庫和數據保存，所以采用Python 腳本程序將網站的數據實時的轉存到MySQL 本地數據庫中去。

3.2 智能環境監測系統設計

智能環境監測系統使用MySQL 數據庫存儲數據，使用MyEclipse 編寫JSP 網頁。網站前臺設置部分主要實現了用戶的登錄、個人信息修改、管理員權限的修改、管理員密碼修改、傳感器的增刪改查、歷史數據的查詢。

登錄頁面:智能監測環境系統的首頁，用戶必須登錄后方能使用系統功能，網站的首頁是也登錄界面，其中內置管理員為admin，密碼為123，且不允許刪除該管理員。

用戶列表頁面:智能監測環境系統在登錄進入后，顯示功能菜單。第一項是用戶列表。本系統不支持用戶注冊，但可以在系統中進行用戶的管理和權限設置。

傳感器管理頁面:智能監測環境系在傳感器界面可以進行傳感器的添加、查詢、修改和刪除。

歷史數據頁面:智能監測環境系在歷史數據界面可以通過傳感器名稱的查詢，查詢歷史的傳感器數據。

4 結論

本文詳細介紹了WiFi 技術的智能環境檢測系統的設計與實現過程，從硬件環境的搭建到實際工作的完成。本設計在硬件組成部分，沒有使用常規的單片機進行開發，而是對已有的開發板上連接傳感器和通訊模塊實現數據傳輸，在數據傳輸中，使用HTTP 請求，將數據傳輸到中國移動OneNET 云平臺。實現了數據的交互。然后在本地服務器，使用Python 語言完成數據請求，將已經在云端的數據傳輸到本地數據庫中，再通過WEB 頁面進行數據展示和管理員的管理操作。