基于WiFi的移動式環(huán)境信息監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

李敏 簡立明 劉春花 劉歡

摘要：環(huán)境信息采集與監(jiān)控應(yīng)用于各行各業(yè)，針對現(xiàn)有環(huán)境信息監(jiān)控設(shè)備成本高，監(jiān)控信息點單一、監(jiān)控難度大等問題，設(shè)計了1個以安卓手機為控制端和數(shù)據(jù)接收端，以單片機為處理核心進(jìn)行電機驅(qū)動和信息數(shù)據(jù)采集，以ESP8266WiFi模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，對溫度、濕度和光照強度等進(jìn)行監(jiān)控的移動式環(huán)境信息監(jiān)控系統(tǒng)。完成并測試證明，系統(tǒng)造價低、安全、穩(wěn)定性好，能靈活地對環(huán)境內(nèi)的多個測試點進(jìn)行信息監(jiān)測，具有較高的實用價值。

關(guān)鍵詞：環(huán)境信息監(jiān)控;安卓;單片機;WiFi模塊;移動式

基金項目：湖南省高校思政精品項目—課程育人（19JP019）

隨著智能化水平的逐步提高，各行各業(yè)也相繼在實現(xiàn)和加大智能化程度，同時也將工匠精神融入其中，盡量提升和完善其智能化程度。在大多數(shù)智能化場所中，環(huán)境信息采集和監(jiān)測是衡量智能化水平的一個重要指標(biāo)，也是實現(xiàn)智能化的關(guān)鍵技術(shù)之一。同時，環(huán)境信息的實時監(jiān)測對及時挽救經(jīng)濟損失和避免造成重大事故具有較大幫助[1-2]，如大棚養(yǎng)殖、大棚種植、食品保存、檔案管理等方面。因此，設(shè)計一種穩(wěn)定、方便、低廉的環(huán)境信息采集系統(tǒng)具有較大的實際意義。

一直以來，針對環(huán)境信息采集，科研工作者做了大量的研究與實驗，主要歸結(jié)為以下幾個方面。

1）傳感器的研究。傳感器是與環(huán)境信息直接打交道的參與者，其技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用直接關(guān)系到環(huán)境信息采集的準(zhǔn)確度和靈敏度。文獻(xiàn)[3-4]在傳感器的使用方面進(jìn)行了分析與研究，重點分析了多傳感器融合使用。文獻(xiàn)[5]重點闡述了一種新型傳感器，能對液體流量進(jìn)行測量等。

2）主控器件和交互平臺的研究。在遠(yuǎn)程環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)中，主控器件是環(huán)境信息采集、處理、發(fā)送的核心部件，交互平臺是環(huán)境信息監(jiān)測的可視窗口。這兩者的合理選擇，不僅影響系統(tǒng)功能的實現(xiàn)，還關(guān)系到系統(tǒng)開發(fā)和維護(hù)的難易程度。文獻(xiàn)[1，6-7]分別研究了不同的主控器和交互平臺在環(huán)境信息監(jiān)控中的應(yīng)用。

3）算法的研究。為了提高環(huán)境信息監(jiān)測的效果，對環(huán)境信息采集的參數(shù)一直在拓寬，并且采集的數(shù)據(jù)量也在增大。因此，怎樣在大量復(fù)雜的數(shù)據(jù)中提取或者換算出有效的信息，是諸多科研工作者研究的重要方向。文獻(xiàn)[8-9]在環(huán)境信息采集中各自應(yīng)用了算法，取得了較好的實驗效果。

近年來，科研工作者在上述3個方面做了大量的研究工作，并取得了較好的成果。然而，在環(huán)境信息監(jiān)測中，針對多個測試點能進(jìn)行靈活移動監(jiān)測的系統(tǒng)研究與實驗還比較少。本文綜合考慮系統(tǒng)開發(fā)和維護(hù)的難易程度、成本、功能要求等因素，設(shè)計了一個基于WiFi的移動式環(huán)境信息監(jiān)控系統(tǒng)，通過實驗證明，系統(tǒng)穩(wěn)定性好、成本低，能靈活地對環(huán)境內(nèi)多個測試點進(jìn)行監(jiān)控，極具應(yīng)用價值。

1系統(tǒng)總體設(shè)計

整個系統(tǒng)主要包括上位機部分和下位機部分。上位機部分主要是安卓人機交互界面設(shè)計，能對下位機進(jìn)行移動控制和實時顯示下位機當(dāng)前位置的環(huán)境信息。下位機部分主要是對環(huán)境信息進(jìn)行采集、處理和發(fā)送。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，環(huán)境信息采集模塊將采集到的信息數(shù)據(jù)傳送給主控制模塊，主控制器模塊進(jìn)行處理后，通過WiFi通信模塊傳送給上位機進(jìn)行顯示。同時，用戶可操控上位機，經(jīng)WiFi通信模塊發(fā)送指令給主控制器，進(jìn)而通過移動控制模塊實現(xiàn)下位機移動，進(jìn)行靈活的信息采集。

2硬件系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)的硬件電路主要包括主控制器模塊、WiFi通信模塊、移動控制模塊、環(huán)境信息采集模塊和電源模塊。各模塊功能的相互協(xié)調(diào)與配合實現(xiàn)整個下位機功能。2.1主控制器模塊

主控制器是下位機的大腦，其選擇關(guān)系到系統(tǒng)下位機開發(fā)和維護(hù)的難易程度，以及系統(tǒng)設(shè)計的成本。本設(shè)計對以arm為內(nèi)核的STM32F103C8T6和以51為內(nèi)核的STC89C52兩款芯片進(jìn)行對比分析：STM32F103C8T6在運行速度上優(yōu)于STC89C52，且存儲量更大，然而本系統(tǒng)在下位機部分其對速度的要求不是特別高;STM32F103C8T6的I/O端口更加豐富，然而本系統(tǒng)的端口主要用于WiFi通信、移動控制和環(huán)境信息采集，STC89C52的I/O端口足夠滿足系統(tǒng)需求，并且還留有余量，符合系統(tǒng)設(shè)計原則;與后者相比，STM32F103C8T6芯片在本系統(tǒng)的應(yīng)用成本高、開發(fā)和維護(hù)難度大，且造成較大的資源浪費。綜合考慮，下位機主控制器采用基于51內(nèi)核的STC89C52。

2.2WiFi通信模塊

WiFi通信模塊采用樂鑫公司推出的ESP8266WiFi模塊。其價格便宜，只要5～10元;性能高，一般通信距離能達(dá)到100m，在空曠的環(huán)境下，能在300m內(nèi)進(jìn)行可靠連接，完全能滿足本系統(tǒng)需求;開發(fā)簡單、資源多，設(shè)備商提供了諸多集成開發(fā)環(huán)境和工程案例。其主要通過串口與單片機進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，ESP8266電路連接如圖2所示，模塊的1腳和8腳分別與單片機的RXD和TXD引腳相連接。

2.3移動控制模塊

本系統(tǒng)的移動控制采用兩路電機驅(qū)動，外加1個萬向輪，從而實現(xiàn)下位機的靈活移動。其采用L293D芯片作為電機驅(qū)動芯片，同時驅(qū)動兩路直流電機，實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)，且輸入電壓范圍寬，電流最大可達(dá)1.2A，直接通過單片機的I/O口進(jìn)行控制，開發(fā)簡單。

2.4環(huán)境信息采集模塊

本系統(tǒng)主要是對環(huán)境中的溫度、濕度和光照強度進(jìn)行監(jiān)測，同時在主控芯片選擇時考慮了端口余量，方便后續(xù)其他環(huán)境參數(shù)監(jiān)測的拓展。溫度和濕度監(jiān)測采用數(shù)字量輸出的溫濕度傳感器DTH11，其濕度測量范圍20%～90%RH，精度為正負(fù)5%RH，溫度測量范圍為（0～50）°C，精度為±2°C。光照強度監(jiān)測傳感器采用BH1750FVI光照模塊，型號為GY-30，光照范圍為（0～65535）lx。其內(nèi)置16位A/D轉(zhuǎn)換，直接數(shù)字量輸出，能直接與單片機的I/O口進(jìn)行連接。環(huán)境信息采集模塊電路如圖3所示。

2.5電源模塊

電源模塊主要為其他4個模塊提供電源，WiFi通信模塊需提供3.3V直流電源，其他電路模塊需提供5V直流電源。其主要由ASM1117-3.3V和ASM1117-5V兩款穩(wěn)壓芯片先進(jìn)行穩(wěn)壓，并采用電容濾波得到所需的電源電壓。

3軟件系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括兩個部分：上位機程序設(shè)計和下位機程序設(shè)計。上位機程序設(shè)計主要實現(xiàn)對下位機傳送的環(huán)境信息數(shù)據(jù)的接收、處理和顯示，以及對用戶操控指令的處理與發(fā)送。下位機程序設(shè)計由三個部分組成：WiFi通信子程序、環(huán)境信息采集子程序和移動控制子程序。WiFi通信子程序主要實現(xiàn)上位機和下位機的數(shù)據(jù)通信;環(huán)境信息采集子程序?qū)崿F(xiàn)各環(huán)境信息的讀取和處理，方便信息通過WiFi模塊發(fā)送;移動控制子程序?qū)崿F(xiàn)下位機系統(tǒng)的靈活移動，方便多點環(huán)境信息的采集。各程序塊實現(xiàn)相應(yīng)的功能，從而實現(xiàn)系統(tǒng)功能。下面對各程序進(jìn)行詳細(xì)介紹。

3.1上位機程序

系統(tǒng)人機交互設(shè)備針對應(yīng)用廣泛的安卓智能機，上位機的開發(fā)采用谷歌推出的Android Studio軟件。安卓上位機界面如圖4所示，主要包括通信連接部分、移動控制部分和數(shù)據(jù)顯示部分。通信連接部分用于實現(xiàn)安卓智能機和下位機WiFi模塊的通信連接，需設(shè)置WiFi模塊的IP地址和端口號;移動控制部分設(shè)計了上、下、左、右、啟動和停止共計6個控件，實現(xiàn)下位機的靈活移動;數(shù)據(jù)顯示部分實現(xiàn)對環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、光照強度的監(jiān)控顯示，同時設(shè)計了1個拓展顯示框，方便后續(xù)添加要顯示的參數(shù)。

3.2WiFi通信子程序

WiFi通信采用ESP8266WiFi通信模塊，其程序流程如圖5所示。程序開始時先進(jìn)行初始化，通過串口通信設(shè)置WiFi模塊為AP模式，作為WiFi熱點供手機或者其他安卓智能設(shè)備連接，同時設(shè)置其IP和端口號。然后進(jìn)入while無限循環(huán)，一方面判斷是否有環(huán)境信息數(shù)據(jù)更新，如有則通過串口發(fā)送出去，否則繼續(xù)進(jìn)行判斷;另一方面，判斷是否有上位機發(fā)送數(shù)據(jù)至WiFi模塊，從而產(chǎn)生串口中斷，如有則接收、處理數(shù)據(jù)，否則繼續(xù)執(zhí)行判斷程序。

3.3環(huán)境信息采集子程序

環(huán)境信息采集子程序如圖6所示，下位機上電后，首先對各個信息采集模塊進(jìn)行初始化處理，然后進(jìn)入無限循環(huán)，對周邊環(huán)境信息進(jìn)行實時數(shù)據(jù)采集，采集的數(shù)據(jù)信息傳遞給單片機進(jìn)行處理，處理完成后，通過WiFi模塊將信息數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機顯示。

3.4移動控制子程序

移動控制子程序流程圖如圖7所示，首先對單片機的電機驅(qū)動端口做初始化處理，然后進(jìn)入循環(huán)，時刻讀取與判斷串口中斷接收的數(shù)據(jù)，對得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較處理，從而控制相應(yīng)的電機，實現(xiàn)下位機的準(zhǔn)確和靈活移動。

4測試

系統(tǒng)主要在兩種環(huán)境中進(jìn)行了測試，一種是在封閉場所，通過可透視玻璃觀察現(xiàn)場情況進(jìn)行測試。另一種是在比較空曠的自然場所進(jìn)行測試，選擇的測試時間點為同一天相近的時間點，測試的參數(shù)主要包括下面幾個：有效監(jiān)控距離、現(xiàn)場環(huán)境溫度、現(xiàn)場環(huán)境濕度和當(dāng)時光照強度。測試結(jié)果如表1所示，在封閉場所，穩(wěn)定移動控制和參數(shù)監(jiān)控的距離約為16m，在空曠環(huán)境中能達(dá)到35m左右，室內(nèi)與室外環(huán)境溫度相差5°C，濕度相差10%RH，室內(nèi)光照強度約55lx，室外光照強度約49742lx。上位機顯示界面如圖8所示，測試結(jié)果和上位機顯示證明，系統(tǒng)能很好地監(jiān)控環(huán)境參數(shù)，并進(jìn)行有效傳送和顯示。

為驗證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和現(xiàn)場環(huán)境信息檢測的有效性，在多個時間點對室內(nèi)現(xiàn)場溫度信息進(jìn)行監(jiān)測，同時人工用溫度計在同一時間點和同一地點進(jìn)行溫度監(jiān)測，兩者監(jiān)測數(shù)據(jù)如表2所示。根據(jù)4次測量數(shù)據(jù)求誤差平均值小于5%，能滿足應(yīng)用要求。

5結(jié)束語

本文設(shè)計了一個基于WiFi的移動式環(huán)境信息監(jiān)控系統(tǒng)，通過實驗測試證明，其能在封閉場所約16m的范圍內(nèi)進(jìn)行有效環(huán)境信息采集和移動控制，在空曠場所能達(dá)到約35m的范圍。溫度監(jiān)控數(shù)據(jù)與溫度計監(jiān)控數(shù)據(jù)對比分析可得，系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)采集和傳送誤差小于5%，能滿足大多數(shù)應(yīng)用場所。綜上所述，本設(shè)計系統(tǒng)穩(wěn)定性好，成本低，能靈活地對環(huán)境內(nèi)多個測試點進(jìn)行實時監(jiān)控，極具應(yīng)用價值。

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作者簡介：李敏（1989—），男，碩士，講師，研究方向：智能控制。