基于CortexM4與AndroidAPP的遠端家庭環境監控系統設計

侯昌華 包敬海 梁燕葵 陸民飛 楊祥 覃紹勝

摘 要：設計基于ARM Cortex M4 （STM32F407ZGT6）的微型控制器，完成對設備端傳感器（溫度、濕度、光強、煙霧等）輸入信號的采集（模擬量轉數字量算法、條件組數字量濾波算法）與機械設備（門、窗、燈）的輸出控制，并通過SIM-GPRS網關與騰訊云端主機建立網絡連接;Android APP完成對客戶端用戶登錄、信息查看以及對下控制交互頁面，且通過HTTP網絡通信與騰訊云主機上Tomcat7服務器承載的自定義Java Web服務程序實現訪問，采用C/S架構，使客戶端程序與服務器數據庫直接建立連接，實現對智能設備端遠程數據的查看與向下控制。

關鍵詞：Cortex M4;遠程網絡;環境監控;Android APP;濾波算法;Tomcat7

中圖分類號：TP277文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）10-0-03

0 引 言

隨著信息智能化的迅速發展與應用管理水平的不斷提高，人們對智能一體化設備以及自身安全信息管理平臺的需求與關注度日趨增長[1]，智能且安全的應用系統的需求日益增強。近年來，智能物聯網領域涌現出一批具有影響力的企業和團隊，研發出一系列應用產品，主要涵蓋智能家居、車載電子、農林養殖及消費類電子等，在通信協議層主要采用藍牙，WiFi，ZigBee，Z-wave，VESP等方案[2-3]。

然而，集成度較高的智能家居系統成本太高，而簡單的控制系統難以滿足遠程控制的需求。為此，本文基于Cortex M4與Android APP設計一個遠端家庭環境監控系統[4]，利用ARM處理器對家居中的環境數據進行實時監控，并通過SIM900A網關設備與云端進行通信。同時，為方便用戶使用，通過Android Studio設計APP應用軟件程序。

1 系統組成框架

系統在正常網絡設備的基礎上可實現全天候、無季節、遠距離的監測與控制，完成對設備端、云端以及客戶端系統設備的搭建與數據通信關聯。整體功能系統包括傳感器輸入、處理器輸入輸出、網絡通信傳輸、基站中轉、云端服務器、移動客戶端Android APP，可用于對遠端家庭環境室內安全信息傳感器數據（溫度、濕度、光強、煙霧等）的檢測及對機械設備（門、窗、燈）的控制。整體框架可分為設備端、云端、客戶端三部分，具體如圖1所示。

2 系統實現原理

2.1 設備端系統實現

基于ARM Cortex M4 STM32F407ZGT6處理器，通過使用VC/C++計算機程序語言，在Keil MDK5嵌入式集成開發工具上實現對處理器邏輯應用I/O驅動程序的開發[5-7]。程序總體結構可分為硬件設備初始化塊、多任務創建塊、觸摸屏響應塊、圖形化界面顯示塊、傳感器數據更新塊、網絡通信塊等。設備端系統軟件程序設計采用模塊化面向功能函數編程的設計，同時加入了多任務實時操作系統μC/OS-III與圖形化界面庫STemWin。

（1）初始化程序完成對硬件設備寄存器驅動、GUI庫、μC/OS-III實時操作系統[8]的初始配置。

（2）Touch任務函數是μC/OS-III多任務系統下創建的子任務函數，調用STemWin接口API，對觸摸屏觸摸輸入的有效命令進行檢測與響應。

（3）EmWin任務函數是μC/OS-III多任務系統下創建的子任務函數，調用STemWin接口API實現LCD的界面顯示，包括鼠標游標、主體界面（窗口、Logo圖片、傳感實時數據文本、觸摸控鍵Button圖片）的顯示。

（4）Test任務函數是μC/OS-III多任務系統下創建的子任務函數，調用自定義的邏輯接口API函數實現對底層的控制訪問，包括傳感器數據的輸入更新、機械設備的輸出控制及網絡服務的通信傳輸。

設備端系統軟件程序流程如圖2所示。

2.2 云端服務器系統實現

騰訊云Windows Server 2012R2主機搭載Tomcat7服務器，通過Java Web技術實現云端應用服務程序，并完成對智能設備端設備及客戶端應用的網絡請求、響應服務，以及網絡數據傳輸、交互。網絡端通信遵循HTTP協議，采用輕量級的“名值對”集合JSON數據格式封裝、存儲數據流[9-10]。云端系統軟件程序框架如圖3所示。

2.3 客戶端系統實現

基于Android系統配置集成開發的移動應用軟件，其UI界面設計與組件設置融合成型[11-12]。應用軟件實現用戶登錄，獲取傳感器數據，利用控制命令進入個人信息頁面。首先程序開啟進入Logo登錄界面，等待用戶輸入賬號、密碼并點擊登錄，后臺服務程序獲取用戶賬號、密碼文本字符傳送云端服務器數據庫匹配校驗，用戶賬號、密碼由開發者在云端MySQL數據庫自定義存入，用戶無權更改。校驗到用戶存在后，云端服務器回饋登錄成功代碼，登錄成功后進入默認界面（信息頁面），底部控件欄可切換、選擇查看頁面。進入信息頁面：定時更新及顯示從云端服務器程序獲取到的傳感器數據信號量。進入控制頁面：圖形狀態可由控鍵顯示，并將當前狀態傳送至云端服務器程序。進入個人頁面：靜態文本字符顯示用戶個人信息。客戶端系統軟件程序流程如圖4所示。

3 設計與研究

3.1 直流電源

利用LM2596和AMS1117核心器件組合成典型的穩壓電路，調制出5 V/3.3 V的直流穩壓電源供給設備系統的各個子模塊。

3.2 傳感器

系統采用接觸式測溫器件DS18B20測量溫度，經測試分析，溫度示數取決于器件表面感應到的熱量。采用電阻式感濕器件DHT11測量濕度，采集到的數據信息量與空氣濕潤度成正比關系。采用數字集成器件BH1750測量光照強度。采用表面電離子式N型半導體氣體敏感器件MQ-2測量煙霧濃度，從而進行模擬量輸出。傳感器指標數據見表1所列。

3.3 TFT LCD模組

設備端交互界面選用4.3寸觸摸顯示一體LCD電容屏顯示，采用控制驅動屏數據/命令總線FSMC，通過調用STemWin GUI庫，實現交互界面的主體框架窗口、位圖、文本顯示和觸摸點擊響應。

3.4 網絡通信

設備端網絡通信網關選用SIM900A（GSM/GPRS）模塊（串口（RXD/TXD）），需提供12 V工作電源。插入有數據流量支持GPRS通信的SIM卡（物聯卡/普通電話卡），通過配套的AT指令集配置SIM900A模塊為HTTP通信模式，使本地設備與公網IP云主機服務器建立網絡訪問，最終實現設備端數據的遠程網絡傳輸。

3.5 云服務器

遠程在線操作公網IP的騰訊云主機，安裝并配置Tomcat7服務器與MyEclipse 集成開發工具，將Tomcat7配置綁定于MyEclipse，由MyEclipse工具操縱Tomcat7。啟動Tomcat7服務器后，在PC瀏覽器輸入云主機Tomcat7 服務器的URL參數（IP+端口），測試并驗證服務器通網訪問是否成功。使用MyEclipse環境創建Java Web 工程，通過HttpServlet實現客戶端與服務器、設備端與服務器的交互[13-14]。

3.6 Android APP

在PC機上使用Android Studio 3.0集成開發工具與Android 6.0版智能手機開發者模式進行USB通信ADB在線調試，通過C/S架構完成用戶登錄網路服務器數據驗證[15-16]，用戶點擊界面Button控制命令進行網絡數據上傳，可實時獲取并更新溫濕度、光照強度及個人用戶信息。

3.7 模擬量轉換數字量算法

4 結 語

本文設計了一套綜合性聯網控制設備系統，軟件方面應用Android APP軟件開發技術、Java Web后端服務器程序開發技術、中級嵌入式驅動系統開發技術、網絡編程TCP/HTTP技術等;硬件方面應用電源管理技術、數字模擬量傳感器技術、嵌入式硬件系統技術等，實現對溫濕度、光照強度、煙霧濃度的采集，以及對機械開關的輸出控制，并可實現遠端監控。本文系統具有一定的實用性，值得深入研究及應用推廣。

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