基于WIFI環境的便攜式環境監測儀設計

何國東 匡正 李立明

摘要：近年來，在我國經濟高速發展的背景下，環境問題愈發被我們所關切，由此而生的各類環境指標為人們所熟知。隨著無線網絡技術的發展，WIFI變得隨處可見，這意味著大量數據的在線交互更為便捷和廉價，對各種環境下的數據進行實時監測成為了可能。本項目承接前述研究，拓寬環境監測領域，就此問題設計了基于WIFI環境的便攜式環境監測儀，以STM32單片機為核心，MQ系列傳感器等收集環境數據，ESP8266模塊連接WIFI傳輸數據，電腦主機接收并處理數據，提供一種更為便攜、平臺化的環境監測方式。

關鍵詞：環境監測；物聯網；多節點采集系統

中圖分類號：X85 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）02-0269-02

本項目主要承接前述研究“基于WIFI環境的軌道交通環境監測系統設計”，對其拓展了監測領域，使之成為勝任多種環境下復雜監測的便攜式環境監測設備，其主要特點是平臺化、模塊化、便攜化，從而能夠讓我們更快速、廣泛的采集環境數據，分析環境問題。大量數據的積累也許能為后期的研究提供經驗，并且更進一步的探索與其他電子設備進行連接，以實現對環境的閉環控制。

一、設備的硬件設計

（一）系統整體設計

系統整體設計未發生太大的變化，仍然采用WIFI進行數據傳輸。每個采集節點可直接向服務器發送數據。整個系統為采集節點——服務器，點對點數據傳輸。采集節點包括STM32單片機（數據處理）、各種類型傳感器（數據采集）、ESP8266WIFI模塊（數據傳輸）、服務器運行程序（接收并存儲數據）。考慮到便攜性和小型化的要求，在硬件部分中去掉了顯示屏模塊，采用簡單的燈光進行交互（可以考慮使用小型的LED屏幕）。每個節點開機后自動搜索WIFI信號，連接WIFI成果后開始采集并發送數據，同時給出特定的燈光。電腦服務器為每一個節點打開一個端口接收數據并處理、保存，由于使用平臺化的采集節點，并且MQ系列的通用性十分強大，在特定環境下可以安裝特定型號傳感器，即插即用。

（二）采集節點設計

節點采用STM32F103系列單片機作為控制器，具有足夠多的IO口和ADC接口來擴展外圍電路。雙列直插的最小系統板造價低廉，便于更換。ADC轉換可直接讀取MQ系列傳感器等模塊輸出的模擬電壓值，IO口可以用于讀取DHT11的溫濕度值。

ESP8266模塊的數據傳輸。ESP8266模塊作為目前新興的WIFI網絡解決方案，擁有強大的WIFI網絡功能。由于采用和串口輸出相似的接口，可以將其置于幾乎所有單片機中，比如本設計采用的STM32系列，通過SPI/SDIO接口就能連接（幾乎所有單片機都有這種接口）。ESP8266集成度非常高，所需的外圍電路很少，減少了很多空間占用。

MQ系列傳感器。MQ系列傳感器采用高溫循環檢測的方式。傳感器中的金屬氧化物半導體被加熱到一定溫度后，遇到相應的還原性氣體會改變其阻值。通過簡單的外圍電路，傳感器將輸出相應的電壓模擬量數值。本設備所要采用的MQ系列傳感器有MQ-2、MQ-7、MQ-135。

DHT11溫濕度傳感器。DHT11溫濕度傳感器的特點為品質卓越、造價低廉、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高。采用單總線傳輸，數據處理同樣十分簡便。

其他傳感器。根據具體監測環境的不同，還可以選擇其他類型的傳感器，如聲音傳感器、光強傳感器等，可定制性非常高。

整個采集節點以ALTIUM DESGINER繪制的PCB底板為基礎，采用3.6V15500型干電池升壓至5V進行供電，整體面積為8×10cm，平放高度不超過3cm，實現真正意義上的便攜。

二、系統的軟件設計

（一）節點軟件設計

節點的軟件程序包括環境數據采集程序、WIFI模塊發送程序以及顯示程序，采用C語言編寫，編譯器為keil v5。STM32F103內部自帶ADC模塊，用以采集模擬信號。啟動電源后首先嘗試連接無線網絡，其次嘗試與服務器主機進行通訊，然后開始循環采集環境數據并發送至服務器。數據通過特定編碼發送，方便上位機的處理。

（二）服務器主機軟件設計

服務器主機端采用MATLAB進行軟件設計，MATLAB作為一款強大的數學處理軟件，擁有幾乎涵蓋所有硬件驅動的底層接口。本系統使用其自帶的ICP/IP相關函數，開放網絡端口來實現與采集節點的通訊。此外，MATLAB附帶小型數據庫，本系統中使用此數據庫規范的存儲了采集的環境信息，從而更方便后期對大批量數據的處理。MATLAB中還擁有編制GUI交互界面的功能，本系統利用此功能編寫了相關程序，從而使采集到的環境數據實時、動態顯示。GUI的出現也使我們可以實現諸如彈窗報警之類的更為生動的效果。

關鍵代碼如下：

t=tcpip（'192.168.xx.xxx'，8234，'NetworkRole'，'server'）；%設置端口

fopen（t）； %開啟端口

for j1=1：10

if（t.BytesAvailable～=0）

data=fread（t，t.BytesAvailable）； %接收采集設備發送的信息

……

A=sscanf（S，'%f'）； %轉換數據

for i1=1：10

if（A（i1）==0）

humi（j1）= A（i1+1）； %儲存為矩陣

temp（j1）= A（i1+2）；

Q1（j1）= A（i1+3）；

Q2（j1）= A（i1+4）；

……

三、系統的擴展

（一）設備硬件擴展

作為模塊化、平臺化的采集節點，除了更換不同的傳感器之外，我們對其預留了充足的接口，以實現與其他相關電子設備的連接，例如外接小型繼電器即可驅動電機（可用于自動開啟窗簾等場景）。

（二）系統軟件擴展

服務器主機的軟件程序目前基本滿足了環境監測的需求，但對于如今的互聯網時代，單單有服務器主機顯得有點單薄，在后續的開發中將嘗試開發手機APP，以實現更廣泛、便捷的環境監測，而這也是本設備的意義所在。

四、結語

隨著互聯網科技的進步，我們已經悄然步入了物聯網的時代，作為當代大學生的我們有幸可以在這樣的項目中深入的學習相關知識，獨立探索物聯網架構，同物聯網時代一起發展，同時也感謝導師和同學們對我們提供的幫助以及大學生創新項目對于我們的資助，今后我們將在物聯網領域不斷探索。

參考文獻：

[1]李麗，錢春燕，張海云.上海市軌道交通系統車站空氣質量狀況及其影響因素分析[J].環境與職業醫學，2011，（4）.

[2]李英杰.MATLAB與CCU之間的TCP/IP通訊技術開發與應用[J].計算技術與自動化，2011，30（4）：126-129.

[3]鄧紅濤.MATLAB數據通信與測控應用編程實踐[M].電子工業出版社，2011.

[4]李幫軍.氣敏傳感器實驗與MQ系列氣敏元件特性研究[J].中國市場，2006，（14）：70.

[5]賈浩強，李耀.基于WiFi無線通信的溫濕度檢測節點設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2014，（5）：70-72.

Abstract：In recent years，Under the background of the rapid development of China's economy，environmental problems are becoming more and more concerned by us.With the development of wireless network technology，WIFI becomes popular in everywhere，which means the online exchange of huge data is more cheap and convenient.And it provides a possibility to monitor the environmental data.So we design the environment monitoring system based on WIFI for Rail Transit System.We use STM32 series as MCU，monitor the environment data with MQ series sensors and so on，send data with ESP8266.And the computer will receive and process the data，so that we realize the monitor of the environment of Metro system.

Key words：air monitoring；Internet of things；multi-node acquisition system