基于STM32的車間環境質量監測系統設計與實現

王勛　陶銘

摘? 要： 生產車間的環境質量監測僅靠傳統的手持式儀器儀表及手工記錄無法保證數據的即時性和準確性。因此，設計并實現了一種綜合傳感器技術、無線通信技術和移動應用開發技術的車間環境質量監測系統。以STM32F103C8T6單片機為核心，搭載傳感器器件實現環境質量監測數據采集，采用ESP8266 Wi-Fi模塊進行數據傳輸，并同步開發了安卓應用以展示車間環境質量監測數據。黑盒測試表明，該系統實現了預設功能，達到了預期目標。

關鍵詞： 車間環境質量監測; STM32; ESP8266; 安卓應用

中圖分類號：TP393? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ?文章編號：1006-8228（2022）02-36-03

Design and implementation of STM32 based workshop environmental

quality monitoring system

Wang Xun， Tao Ming

（School of Computer Science and Technology， Dongguan University of Technology， Dongguan， Guangdong 523808， China）

Abstract： The environmental quality monitoring of production workshop cannot guarantee the immediacy and accuracy of data only by traditional hand-held instruments and manual records. Therefore， a workshop environmental quality monitoring system integrating sensor technology， wireless communication technology and mobile application development technology is designed and implemented. Taking STM32F103C8T6 single chip microcomputer as the core， sensor devices are adapted to realize environmental quality monitoring data acquisition， ESP8266 WiFi module is used for data transmission， and Android applications are synchronously developed to display workshop environmental quality monitoring data. The black box test shows that the system realizes the preset function and achieves the expected goal.

Key words： workshop environmental quality monitoring; STM32; ESP8266; Android application

0 引言

電子元件、原料及食物等產品，都需要在一個條件適合的環境中生產和保存，因此生產車間環境質量監測的即時性和準確性關乎一個車間以至整個工廠的效率、盈利等各個方面，也與員工的健康保障息息相關[1-2]。本文綜合傳感器技術、無線通信技術以及移動應用開發技術，設計并實現了一種車間環境質量監測系統。系統包括硬件設計及軟件設計。硬件部分以STM32F103C8T6單片機為核心板，搭載傳感器器件實現環境質量監測數據采集[3-4]，采用ESP8266 WiFi模塊進行數據傳輸[5]，同步開發了安卓應用客戶端展示及統計分析車間環境質量監測數據。通常在生產車間中，環境質量數據的監測容易受到外界環境的干擾[6-7]，為使系統監測數據更加精確，本系統結合應用場景的需求，采用了中位值數字濾波算法對監測數據進行篩選處理[8]。系統總體設計框架如圖1所示。

1 系統硬件設計

硬件系統主要由四個子系統組成，分別為傳感器信息采集子系統、通信子系統、控制子系統、顯示子系統。四個子系統之間相互協調，構成車間環境監測硬件系統，系統硬件設計架構如圖2所示。

圖2中數據采集子系統采用STM32F103C8T6單片機為核心板，搭載WIFI通信模塊、LCD模塊、溫濕度傳感器、光敏電阻傳感器、粉塵傳感器、甲醛傳感器、報警處理模塊，對生產車間環境中的氣體、溫濕度、光照強度及粉塵濃度等信息進行實時采集，并將采集到的數據進行過濾處理[3-4]?？刂谱酉到y通過指令集的發送和接受，控制車間內燈、風扇、蜂鳴器等設備，實現警報和緊急事件處理等功能。顯示子系統主要通過安卓應用客戶端展示和統計分析車間環境質量監測數據。通信子系統主要實現上述子系統之間的數據傳遞功能[5]。

2 系統軟件設計

系統后臺軟件采用MVP（Model-View-Presenter，即：模型層-視圖層-表現層）架構開發[9]，客戶端使用Android Studio原生開發的Android應用程序。客戶端主要實現了登錄、注冊，以及監測數據展示、統計分析等功能。在用戶個人中心還實現了新聞、天氣等第三方功能模塊。系統軟件設計架構如圖3所示。

3 數據庫關系模型設計

從功能設計出發，本系統的關系數據庫模型如下所述（其中“主鍵”下劃線表示，“外鍵”雙下劃線表示）。

管理員：（用戶ID，用戶賬號，用戶密碼，角色）

用戶實體：（用戶ID，用戶昵稱，用戶性別，省份，城市，注冊時間，政治面貌，出生年月，婚姻狀態）

用戶信息：（用戶名，用戶密碼，郵箱，頭像）

設備實體：（設備ID，設備類型，設備類型ID，當前數據，設備單位，設備圖片，所屬用戶，備注信息）

數據類型實體：（數據ID，當前數值，當前時間，警報閾值，單位）

設備日志信息：（設備ID，設備圖片，操作類型，操作時間，設備類型，是否已讀）

警報信息：（信息ID，所屬用戶ID，警報圖片，警報標題，警報描述，警報時間）

地理位置信息：（名稱，位置ID，經度，緯度，國家，省份，城市）

當前天氣信息：（報導時間，溫度，濕度，圖片，天氣描述，風速，規模，氣壓，云密度，降水量等）

意見反饋實體：（意見編號ID，反饋用戶的賬號，反饋內容，反饋時間，反饋圖片）

4 數字濾波算法設計

在采用STM32F103C8T6單片機為核心板搭載各類傳感器進行生產車間環境質量數據采集時，通常會遇到非人為的誤差，呈現出不可預料的不規律數值。為減弱甚至是消除外界環境帶來的干擾，使得系統監測數據更加精確，本系統采用中位值數字濾波算法對監測數據進行篩選處理[8]。實際應用效果表明該算法能夠有效克服因偶然因素引起的波動干擾，對溫度、液位等變化緩慢的被測參數有良好的濾波效果。算法流程圖如圖4所示。

算法實現過程如算法1所示，實現過程大致描述如下：連續采樣數值N次（N一般為奇數），然后把N個數值按從小到大的順序進行排列，最后將這個序列中排在中間的數值作為本次采樣的數據。計算公式如公式⑴所示。

5 系統測試

連接系統軟、硬件各模塊進行聯調。系統硬件部分效果如圖5所示。經測試發現，系統的開關電路、電源電路穩定輸出3.3V，主控制器能夠正常工作，能夠經過USB與STM32F103C8T6通信，并通過串口下載程序，也可以通過J-Link下載程序。

Android客戶端展示效果如圖6所示。對軟件程序測試發現，定時器正常工作，實時采集的生產車間環境中的氣體、溫濕度、光照強度及粉塵濃度等信息可發給客戶端并且通過LCD液晶屏幕展示出來。當監測的數據超過預設閾值時，系統發出警報，并通過執行相關指令集控制相關設備作出應急響應。

6 結束語

本文綜合傳感器技術、無線通信技術，以及移動應用開發技術設計并實現了一種車間環境質量監測系統。硬件系統以STM32F103C8T6單片機為核心板搭載傳感器器件完成生產車間環境質量監測數據的采集，并采用ESP8266 Wi-Fi模塊進行數據傳輸。軟件系統采用MVP架構開發了后臺軟件，以及采用Android Studio開發了Android客戶端，安卓客戶端主要實現車間環境質量監測數據的展示及統計分析。同時采用了中位值數字濾波算法對監測數據做篩選處理，使得系統監測數據更加精確。本系統雖然實現了預設的功能，但仍需進一步完善[10]。

參考文獻（References）：

[1] 劉燕，張永平，朱成，等.基于大數據和物聯網的空氣質量預測監測研究[J].通信學報，2017，38（S2）：129-138

[2] 葉建新，武斌，王安瀾.糧倉環境監測系統設計與實現[J].計算機時代，2020（8）：42-44，48

[3] 邵延華，羅燕楊，楚紅雨，等.基于STM32的便攜式環境質量監測儀設計[J].自動化儀表，2020，41（7）：7-10，14

[4] 毛偉成.基于單片機的列車車廂環境實時監測控制系統[J].物聯網技術，2018，8（4）：23-24

[5] 錢久春，王小冬，李振杰.基于WiFi傳輸的環境質量實時監測系統[J].科學技術創新，2019（35）：89-90

[6] 云慧，郭繼勇，張大偉，等.環境空氣質量自動監測系統中動態校準儀臭氧濃度的復現性研究[J]. 中國環境監測，2015，31（6）：147-152

[7] 原忠虎，李沐，杜英魁，等.云誤差修正與復合濾波的空氣質量監測系統設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2019，19（12）：76-80

[8] 王穎，金志軍.常用數字濾波算法[J].中國計量， 2012（3）：99-100

[9] Z Yang， Y Luo. An architecture and implement model forModel-View-Presenter pattern [C]. Proceedings of 3rd IEEE International Conference on Computer Science and Information Technology，2010，8：553-557

[10] 宋麗.黑盒測試在環境質量監測系統測試中的應用[J].電子技術與軟件工程，2019（12）：54-56