基于藍牙技術的實驗室環境監測系統設計

張慧穎， 田東生

(吉林化工學院 信息與控制工程學院，吉林 吉林 132022)

0 引 言

實驗室是實驗和實踐教學環節順利進行的重要場所，也是大學生鍛煉動手能力的重要基地[1-2]。遵循我校“三三式”實踐與創新能力培養體系，為更好培養學生工程實踐能力和創新能力，我院實驗室采取開放式管理，除了滿足基礎和專業實驗教學及實習、畢業設計等環節外，鼓勵學生組建科技活動小組。因此，我院電類實驗室逐漸成為大學生創新創業的孵化基地。為便于實驗室管理，降低實驗室安全隱患，對實驗室環境信息實時監測具有重要意義。

隨著無線技術的快速發展，監測手段也逐步向智能化方向發展。尤其是無線藍牙通信技術興起，在短距離內取代了傳統有線連接方式，解決布線復雜等缺點[3-5]。將無線藍牙技術應用于實驗室管理系統，實時監測實驗室內各類環境信息，及時對實驗室內異常隱患做出判斷，協助實驗室管理人員進行處理，最大程度地降低環境等因素對實驗設備或人員所帶來的傷害，減小直接經濟損失，具有一定的創新性和實際意義。

1 系統總體設計

實驗室環境監測系統采用藍牙通信構建網絡模型，以單片機STM32作為核心控制器，監測終端節點采用溫濕度傳感器、光照強度傳感器及煙霧濃度傳感器實現室內環境信息采集。采集終點節點由單片機、溫濕度模塊SHT11、光照強度模塊BH1750、煙霧濃度模塊MQ2構成。其中，煙霧濃度傳感器輸出電壓信號，采用STM32自帶的AD轉換轉化成數字信號后進行后續處理。無線數據傳輸采用藍牙模塊HC-05上傳給手機或工作站等監控設備，實現遠程監控[6-7]。基于藍牙技術的實驗室監控系統如圖1所示。系統可完成室內環境參數測量；實現室內環境參數分析處理、設置及監控；實現采集數據實時無線傳輸，在上位機上完成相應控制操作。

圖1 實驗室監測系統框圖

2 系統硬件電路設計

系統由電源電路、光感電路、溫濕度檢測電路、煙霧濃度檢測電路及藍牙通信電路、串口電路、顯示電路組成。電源電路為系統供電，傳感器采集電路用于采集室內溫度、濕度、煙霧濃度和光照強度等信息；顯示電路用于顯示當前檢測參數的數值；藍牙電路用于實現與手持終端或工作站之間的信息數據交換。

2.1 傳感器檢測單元設計

溫濕度檢測電路采用數字化溫濕度傳感器SHT11。SHT11具有I2C總線接口，內部集成14位AD，設計溫濕度檢測電路時，將SHT11的數據和時鐘引腳(SCK和DATA)與STM32的I/O口相連[8]。采用兩線式串行總線接口的光強度傳感器BH1750FVI設計光強度檢測電路。BH1750FVI內部集成16位AD轉換器，將傳感器的時鐘端SCL和數據端SDA分別與STM32的I/O口相接實現室內光強的采集。注意BH1750FVI采用3.3V供電。為有效監測實驗室火災險情發生，采用煙霧傳感器MQ2設計煙霧濃度檢測電路，煙霧傳感器檢測出的微弱電壓信號進行放大處理，由于STM32自帶AD，放大后的信號與STM32引腳相連，實現室內煙霧濃度采集[9]。傳感器數據采集電路如圖2所示。

(a) 溫濕度檢測電路設計

(b) 光照強度檢測電路設計

(c) 煙霧檢測電路設計

2.2 藍牙無線通信電路設計

無線通信電路采用HC05藍牙一體模塊。圖3所示為藍牙模塊接口電路。圖4所示為藍牙模塊內部電路。HC-05的RXD引腳、TXD引腳分別與MCU的TXD引腳、RXD引腳相接。特別注意，藍牙模塊與單片機進行通訊時，不能通過MAX232電路，由于藍牙模塊采用的是TTL電平，RS-232電平會導致藍牙內部電路器件損壞。藍牙模塊正常上電后，指示燈快速閃爍(1 s閃爍2次)，表明為可配對狀態；如果指示燈雙閃(1次閃爍2次，間隔2 s再次重復)，表明處于成功配對狀態[10]。

圖3 藍牙模塊接口電路

圖4 藍牙模塊電路

2.3 主控電路及輔助電路設計

主控芯片采用高性能STM32F407VET6型單片機，具有12位ADC，全雙工I2S，高速USART，可達10.5 Mbit/s，高速SPI，可達37.5 Mbit/s。在下位機上設置聲光報警電路、LCM12864顯示電路及功能按鍵設置電路，分別用于超限報警、采集數據實時顯示及設置閾值等。系統中需要5 V和3.3 V 2種供電電源，分別設計出5 V和3.3 V直流電源電路。在設計時，需考慮到抗干擾能力。

3 軟件設計

監測系統軟件完成室內參數信息采集、無線傳輸、實時顯示、報警等功能。系統程序主要包括：主程序、監測節點子程序、無線通信子程序、顯示子程序、報警子程序及按鍵子程序等[11]。采用模塊化編程思想， C語言進行程序編寫。

3.1 主程序設計

通電運行后，進入初始化子程序，通過功能鍵進入報警值設置界面。設置完成后，每隔5 s，系統采集一次數據。為減少功耗，設置系統工作在低功耗模式。在顯示界面，按下確認鍵可查看當前設置的報警值，再次按下確認鍵，可以對數值進行重新設置。在系統運行期間，若收到來自手機的控制指令，系統會根據指令作出相應的應答，若接收的數據為1，則向手機發送當前溫度值；若接收的數據為2，則向手機發送當前濕度值；若接收的數據為3，則向手機發送當前光照強度值；若收到數據為4，則系統向手機發送出當前室內煙霧濃度值。系統總體流程圖如圖5所示。

圖5 系統總體流程框圖

3.2 藍牙子程序設計

初始化階段，單片機先發送HCI命令，藍牙設備先復位再啟動然后進行查詢地址、自動巡檢和跳頻算法等初始化步驟，最后完成與上位機建立鏈路。藍牙設備之間的無線數據通信通過HCI分組(包括數據分組、命令分組和事件分組)實現。通過系統的MCU給藍牙設備發送命令進行分組。單片機在發送HCI命令分組后，接收從藍牙設備返回的判斷命令、分析命令執行情況、事件分組，直到藍牙模塊完成初始化操作。在藍牙手機助手軟件中，若手機與單片機配對完成，向單片機發送不同的指令，會收到不同數據反饋，藍牙數據處理流程如圖6所示[12-13]。

圖6 藍牙數據處理流程圖

3.3 檢測模塊子程序設計

檢測模塊完成實驗室內溫濕度、光照強度、室內煙霧的采集。先將ADC完成初始化并開啟轉換器。ADC從煙霧檢測傳感器模擬輸出端讀出采集到的電壓值，并進行可燃氣體濃度轉換。其工作過程如圖7所示[14-15]。

光強檢測模塊通電后，將BH1750先掛起11 ms后進入休眠狀態，掛起時不能對模塊發送任何命令或采集數據，發送命令時需要先“啟動傳輸”時序，完成數據傳輸初始化。溫度和濕度檢測命令發出后，單片機要等待數據采集完成，才能執行下一條程序。這個過程大約需要20/80/320 ms，分別對應8/12/14 bit測量。實際時間隨單片機時鐘不同會有一些變化。檢測獲得的數據先存儲在STM32單片機內部RAM中，以便單片機能夠繼續處理其它任務，在需要的時候取出數據。

4 實驗測試與分析

為驗證系統正確性，選取檢測技術實驗室完成實驗測試。根據系統設計指標要求，搭建系統實驗測試平臺。一天中選取4個時間段對實驗室內的溫濕度、光照強度和室內氣體濃度進行測試。將高精度溫濕度計、便攜式大氣煙霧濃度檢測儀、智能光度計測試數據作為參考值。8：20時，標準儀器測得室內溫度為15.4 ℃，濕度為16.3%RH，光照強度為43 lx，煙霧濃度為62 μg/m3。系統測得室內環境為：溫度15.5 ℃，濕度為16.1%RH，光照強度檢測值為50 lx，煙霧濃度為64 μg/m3。10∶00點時，室內剛剛有人吸過一根煙。標準儀器測得數據為：溫度為20.5 ℃，濕度為39.3%RH，室內照度為97 lx，煙霧濃度為502 μg/m3。采用本系統測試環境數據為：室內溫度20.7 ℃，濕度為39.5%RH，光照強度檢測值為103 lx，煙霧濃度為480 μg/m3。

(a) 溫濕度檢測流程圖(b) 光照強度檢測流程圖(c) 可燃氣體濃度檢測流程圖

經過多次反復測量，并與標準測量儀測得值進行對比，測得溫度誤差范圍約為±0.5 ℃，濕度誤差范圍約為±0.4%，光照強度誤差范圍為±6 lx，煙霧濃度誤差范圍為±30 μg/m3。對藍牙通信模塊進行測試，分別選取Android系統、iOS系統的配對手機及工作電腦，結果表明，該系統均可很好實現無線通信，并且通信距離可達10 m左右，無誤碼率及丟包率，通信質量良好。由此說明系統設計方案具有可行性，而且測量誤差范圍較小，滿足設計要求。

5 結 論

本文設計了一款基于藍牙技術的實驗室環境監測系統。該系統可以完成實驗室內溫濕度、光照強度、煙霧濃度等環境信息的采集，并借助藍牙模塊完成檢測信息的無線傳輸及遠程控制。解決了傳統有線網絡布局的弊端，具有組網靈活、傳輸數據準確、采集數據誤差小、低功耗等優點，便于實驗室管理，具有實際的應用價值。