實(shí)驗(yàn)室溫濕度及有害氣體監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

丁　濤，劉祥吉

(延安大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，陜西 延安 716000)

0　引言

實(shí)驗(yàn)室是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的搖籃，許多試驗(yàn)都要求在嚴(yán)格的環(huán)境下完成，而溫濕度是實(shí)驗(yàn)室的基本環(huán)境條件之一[1]。它影響著試驗(yàn)數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確、試驗(yàn)設(shè)備能否正常運(yùn)行。傳統(tǒng)的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)一般采用臺(tái)式機(jī)作為監(jiān)控終端，需要在指定的地點(diǎn)以及專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的支持下對(duì)目標(biāo)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控，大大限制了監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用范圍和靈活性[2-3]。

本文設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)室溫濕度及有害氣體監(jiān)控系統(tǒng)，采用了能夠校準(zhǔn)輸出信號(hào)的溫濕度復(fù)合傳感器DHT21。該傳感器具有單總線接口輸出數(shù)字信號(hào)以及精度高、價(jià)格低、外圍元件少、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，傳輸距離約為20 m。本系統(tǒng)采用WiFi模塊ESP8266進(jìn)行組網(wǎng)，并與互聯(lián)網(wǎng)中的遠(yuǎn)程服務(wù)器進(jìn)行連接。只要能上網(wǎng)(有線或無(wú)線)，該系統(tǒng)就能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，因而擴(kuò)大了監(jiān)控范圍。

1　監(jiān)控系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

1.1　監(jiān)控系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)室溫濕度及有害氣體監(jiān)控系統(tǒng)分為溫濕度采集器、云服務(wù)器、手機(jī)應(yīng)用程序(application,APP)或計(jì)算機(jī)監(jiān)控端3個(gè)部分。監(jiān)控系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖1所示。監(jiān)控系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)特性，對(duì)溫濕度采集器進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控。

圖1　監(jiān)控系統(tǒng)拓?fù)鋱D

由圖1可知：溫濕度采集器連接網(wǎng)絡(luò)使用的是目前較為成熟的無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)，其具有組網(wǎng)簡(jiǎn)單、設(shè)備成本低、布線少等特點(diǎn)。溫濕度采集器使用預(yù)設(shè)程序，將采集到的溫濕度數(shù)據(jù)上傳到云服務(wù)器中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)，并轉(zhuǎn)發(fā)至手機(jī)APP，或在計(jì)算機(jī)監(jiān)控端進(jìn)行顯示。

1.2　采集器硬件設(shè)計(jì)

1.2.1DHT21傳感器

DHT21是溫濕度復(fù)合傳感器，由存儲(chǔ)在一次性可編程(one time programmable,OTP)內(nèi)存的校準(zhǔn)系數(shù)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)，并以單總線的方式輸出數(shù)字信號(hào)。其溫度的量程為-40～+80 ℃，分辨率達(dá)0.1 ℃，精度為±1 ℃；濕度的分辨率為0.1%，精度受溫度影響較大，在25 ℃時(shí)為±3%RH，0～50 ℃時(shí)為±5%RH。它們的輸出數(shù)字分辨率都為16 bit。只有單片機(jī)ESP8266 對(duì)DHT21采樣的周期間隔大于1.7 s時(shí)，才能得到正確的數(shù)值。DHT21與ESP8266連接電路如圖2所示，連接引腳為GPIO5。

圖2　連接電路圖

1.2.2有害氣體檢測(cè)傳感器

有害氣體檢測(cè)傳感器MQ-7使用氣敏材料 SnO2。該傳感器工作原理為空氣中CO濃度的增加使其電導(dǎo)率增大，故可通過(guò)高低溫循環(huán)檢測(cè)方式檢測(cè)CO。MQ-7可以用于檢測(cè)多種含有CO的氣體，如煤氣等，因此廣泛應(yīng)用于工業(yè)、家庭氣體泄漏報(bào)警裝置中。其加熱功耗小于350 mW，加熱電壓為5.0 V±0.2 V(高溫時(shí))、1.5 V±0.1 V(低溫時(shí))，靈敏度大于5，能檢測(cè)濃度范圍在12.5～1 250 g/L的CO。MQ-7電路原理如圖3所示。其與ESP8266連接的引腳為GPIO13(軟件上為引腳7)。

圖3　MQ-7電路原理圖

在測(cè)量前，應(yīng)預(yù)加熱5 min，否則數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。當(dāng)輸出值為1時(shí)，表示CO濃度正常；當(dāng)輸出值為0時(shí)，表示CO濃度異常。在軟件上觸發(fā)下降沿事件，發(fā)送報(bào)警命令至服務(wù)器告知相關(guān)人員，并控制報(bào)警器進(jìn)行報(bào)警。

1.2.3溫濕度及有害氣體報(bào)警模塊

本設(shè)計(jì)采用的聲光報(bào)警器，其具體參數(shù)為：工作電壓220 V，功率1～3 W，音量90 dB，工作濕度范圍10%～90%。ESP8266的引腳GPIO15(軟件引腳8)通過(guò)繼電器與報(bào)警器連接來(lái)控制報(bào)警器啟停。當(dāng)其引腳GPIO15輸出1時(shí)，繼電器關(guān)閉，報(bào)警器也關(guān)閉；當(dāng)其引腳GPIO15輸出0時(shí)，繼電器開(kāi)啟，報(bào)警器開(kāi)始報(bào)警。

1.2.4采集器顯示模塊

由于ESP8266的引腳資源有限，所以采用顯示屏模塊SSD1306。在使用中，其只需2根電線就能實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)的通信，減少了對(duì)單片機(jī)的引腳使用。該模塊工作電壓范圍為3.3～5 V，使用的是標(biāo)準(zhǔn)I2C總線協(xié)議，大小為0.96英寸(1英寸=25.4 mm)，分辨率為128×64。ESP8266的GPIO14與顯示模塊的SDA引腳連接，GPIO12與顯示模塊的SCL引腳連接。

1.2.5采集器硬件結(jié)構(gòu)

溫濕度采集器硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4　硬件結(jié)構(gòu)框圖

首先，由ESP8266芯片讀取DHT21測(cè)得的實(shí)驗(yàn)室溫濕度值，并將其顯示在OLED顯示屏上；然后，通過(guò)無(wú)線通信，將數(shù)據(jù)傳送至遠(yuǎn)程服務(wù)器，進(jìn)行存儲(chǔ)、計(jì)算、分析；最后，轉(zhuǎn)發(fā)至監(jiān)控端APP。

根據(jù)前文介紹，設(shè)計(jì)制作了電路板和外殼。該電路板使用5 V的電源，并采用USB供電。電路板由OLED顯示模塊、開(kāi)關(guān)按鈕、MICO電源接口、DHT21溫濕度傳感器、ESP8266芯片、5 V轉(zhuǎn)3.3 V電源模塊以及MQ-7氣體傳感器組成。

2　監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1　溫濕度數(shù)據(jù)采集器軟件設(shè)計(jì)

軟件部分使用Lua腳本語(yǔ)言編寫(xiě)，并采用模塊化設(shè)計(jì)。根據(jù)系統(tǒng)功能，軟件劃分為主程序、采集器配網(wǎng)程序、溫濕度采集程序、溫濕度顯示程序、有害氣體濃度檢測(cè)程序等。

溫濕度采集器的軟件流程如圖5所示。

圖5　軟件流程圖

系統(tǒng)開(kāi)機(jī)后，先檢測(cè)其是否能連接WiFi網(wǎng)絡(luò)。如不能開(kāi)啟APP配網(wǎng)模式，則需等待網(wǎng)絡(luò)連接成功后開(kāi)啟MQTT客戶端；讀取溫濕度后，將數(shù)據(jù)送往顯示器，并上傳服務(wù)器。系統(tǒng)未連接網(wǎng)絡(luò)時(shí)，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在Flash中，等待網(wǎng)絡(luò)連接后再全部上傳。

2.2　遠(yuǎn)程服務(wù)器程序設(shè)計(jì)

服務(wù)器程序主要完成對(duì)采集器的認(rèn)證，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、處理、存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)發(fā)等功能。該程序采用Node.js編程語(yǔ)言編寫(xiě)。

本服務(wù)器程序分為HTTP服務(wù)器和MQTT服務(wù)器2部分，監(jiān)控系統(tǒng)在APP實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)時(shí)采用MQTT通信協(xié)議，溫濕度數(shù)據(jù)的歷史查詢(xún)采用HTTP協(xié)議傳輸至APP客戶端。在HTTP服務(wù)器中，采用RESTful API標(biāo)準(zhǔn)接口進(jìn)行設(shè)計(jì)，并使用JSON Web Token技術(shù)對(duì)用戶身份驗(yàn)證并授權(quán)。在MQTT服務(wù)器中，采用了權(quán)限控制技術(shù)，使采集器和APP客戶端需輸入用戶名和密碼進(jìn)行連接，并對(duì)發(fā)布及訂閱進(jìn)行了權(quán)限限制，使其在允許的權(quán)限內(nèi)運(yùn)行，保證了通信的安全、可靠[4-6]。

2.3　安卓APP監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

安卓APP監(jiān)控端通過(guò)API Cloud移動(dòng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)平臺(tái)，采用HTML/CSS和JavaScript等Web技術(shù)進(jìn)行編碼，并且在云端進(jìn)行編譯，生成APK應(yīng)用文件，降低了用戶在本地搭建編譯環(huán)境的難度。其具有與原生APP一樣的流暢度，且能跨平臺(tái)。該APP監(jiān)控端的主要界面列表如表1所示。

表1　APP監(jiān)控端主要界面列表

根據(jù)該系統(tǒng)HTTP服務(wù)器的RESTful API以及MQTT服務(wù)器權(quán)限要求，設(shè)計(jì)了設(shè)備監(jiān)控界面、數(shù)據(jù)查詢(xún)界面、個(gè)人用戶界面等，實(shí)現(xiàn)了APP實(shí)時(shí)監(jiān)控。其采集間隔為10 s。監(jiān)控一段時(shí)間后，發(fā)現(xiàn)其溫濕度數(shù)據(jù)變化較小，幾乎無(wú)變化。

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的溫濕度及有害氣體測(cè)量，驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫濕度設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并可按條件查詢(xún)數(shù)據(jù)庫(kù)中已經(jīng)存儲(chǔ)的溫濕度數(shù)值，達(dá)到了預(yù)期效果。

此外，該系統(tǒng)還可實(shí)現(xiàn)設(shè)備分組管理，并對(duì)設(shè)備進(jìn)行批量監(jiān)控,同時(shí)可為用戶配置網(wǎng)絡(luò)。

其發(fā)送的JSON數(shù)據(jù)格式為：

{

"cmd":"sta",

"data":{

"ssid":"wifi name",

"pwd":"wifi password"

}

}

JSON數(shù)據(jù)中，cmd字段為采集器要執(zhí)行的命令，data字段為WiFi賬號(hào)信息數(shù)據(jù)。

2.4　監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)警功能設(shè)計(jì)

該監(jiān)控系統(tǒng)除了聲光報(bào)警器外，還具有短信報(bào)警、APP報(bào)警等功能。當(dāng)氣體濃度不正常、溫濕度值高于或低于預(yù)設(shè)報(bào)警值時(shí)，溫濕度采集器將會(huì)啟動(dòng)聲光報(bào)警器進(jìn)行報(bào)警，并將報(bào)警信號(hào)上傳至服務(wù)器；服務(wù)器根據(jù)預(yù)設(shè)程序?qū)ζ溥M(jìn)行判斷處理，下發(fā)報(bào)警消息至APP客戶端，并發(fā)送報(bào)警短信[7-12]。

本文設(shè)計(jì)的溫濕度及有害氣體監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)警流程如圖6所示。

圖6　監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)警流程圖

3　結(jié)束語(yǔ)

本文基于云服務(wù)器、物聯(lián)網(wǎng)及大數(shù)據(jù)等背景，通過(guò)對(duì)智能化監(jiān)控系統(tǒng)的研究，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫濕度及有害氣體監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)等基本功能。

此監(jiān)控系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性?xún)r(jià)比高、易于實(shí)現(xiàn)、監(jiān)控方便等特點(diǎn)[3],實(shí)現(xiàn)了設(shè)備與用戶的綁定、設(shè)備列表顯示、設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、設(shè)備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、設(shè)備歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)、設(shè)備異常數(shù)據(jù)報(bào)警、用戶注冊(cè)、用戶登錄等諸多功能，解決了大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)問(wèn)題。該監(jiān)控系統(tǒng)在智能家居、農(nóng)業(yè)情況監(jiān)測(cè)、污水監(jiān)測(cè)等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

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