智能化環境監測系統分析與設計研究

張賢杰

(1.黑龍江省科學院江蘇技術轉移中心，江蘇 鎮江 212000；2.黑龍江省科學院智能制造研究所，哈爾濱 150090)

無線傳輸技術為嵌入式系統提供了新的數據傳輸方式，為新技術時代下的嵌入式物聯網系統發展提供了更多的可能[1,2]。隨著嵌入式物聯網及人工智能技術的發展，環境檢測系統功能更加強大，逐步走向智能化、網絡化[3,4]。

本項目需要對溫度、濕度和光照強度等環境參數進行采集并向用戶展示當前環境參數。用戶可以控制參數的變化范圍，當實時環境參數超過變化范圍時，警報系統就會根據系統設置做出相應反應。本項目研究的物聯網環境檢測系統，利用傳感器、無線網絡來監測環境參數的變化。在居家生活中可以提高人們的生活質量，便捷地隨時檢測家中基本環境參數的變化，當環境異常時可以及時提醒用戶，預防環境中的危險因素。在工業或者特定環境中使用，可準確了解當前的環境參數，為工業控制提供可靠的數據。

1 總體設計

該系統是基于STM32微處理器設計的，以采集環境參數和具有報警功能的微處理器作為下位機，以顯示和控制移動端手機作為上位機，最終實現系統在不同環境下正常工作。智能化環境監測系統上位機及下位機功能劃分如下。

下位機：溫濕度傳感器采集當前環境信息并傳遞給微處理器；光敏電阻根據不同的光照強度向微處理器傳遞不同的參數值；微處理器接收傳感器的數據進行處理，把環境參數信息根據協議約定拼接為數據包由串口發送出去，這些數據信息解碼后設置溫度范圍和報警裝置狀態。上位機：通過下位機藍牙模塊與手機連接，主要負責下位機和手機APP間的數據傳遞。手機APP通過藍牙接收數據信息，解碼這些數據信息保存到APP資源數據中，再根據APP資源數據中的數據信息展示在APP界面。用戶通過手機APP設置環境參數合理變化范圍和控制命令，再使用相對應的協議，將這些數據信息拼接為數據包，通過藍牙發送出去。

為了滿足用戶更好的體驗和實用性，智能化環境監測系統使用Toolbar實現了導航欄圖標、設置標題、自定義控件和Action Menu功能，使得用戶在藍牙連接和環境參數的顯示上切換更加方便。用戶可以在Toolbar直觀地查看到當前連接的藍牙名稱，在不同的界面顯示相對應的標題名稱，支持Action Menu，可以在不同的頁面使用Action Menu，實現一些常用的Activity之間的跳轉。基于Toolbar靈活性實現了上述功能，使得用戶使用手機APP進行交互更加便捷。

2 關鍵技術

關鍵技術主要涉及通信協議的設計、下位機驅動程序的設計、上位機APP應用程序的設計等。

智能化環境監測系統中，下位機與手機APP通過藍牙模塊實現數據傳輸功能。為確保數據在傳送過程中的正確性和有效性，需要自定義設計一套通信協議。自定義的通信協議定義了數據單元使用的格式，通過校驗和的方法來確保傳輸信息的正確性和可靠性。通過分析硬件設備本身的特點以及此系統開發的實際需求，設計的通信協議分為兩種：手機APP向下位機發送數據信息所需要的協議和下位機向手機APP端發送數據信息所需要的協議。每種通信協議都包括三部分，即固定頭碼、數據信息和校驗和。根據系統開發的需求，手機APP可以通過低功耗藍牙向下位機發送數據信息來實現對下位機的設置和控制功能。在傳送的數據中包括溫度上下界信息、濕度上下界信息、光照強度上下界信息和控制警報裝置開光的信息。手機APP可以通過低功耗藍牙接受下位機發送數據信息來實現實時環境參數更新顯示。在傳送的數據中應該包括溫度信息、濕度信息、光照強度信息。

智能化環境監測系統中，驅動軟件主要包括STM32微處理器所需必要資源的驅動、各個傳感器模塊的驅動、報警裝置的驅動和數據處理軟件。這部分軟件設計主要使用C語言在Keil MDK開發平臺上進行軟件設計和軟件測試。在此系統中，以單片機為核心的環境參數采集系統主要負責環境參數的采集、警報裝置控制、數據處理與藍牙數據通信。STM32微處理器作為一個控制中心，需要把各個模塊合理地調用起來共同完成環境參數采集的任務。基本工作過程為：STM32微處理器上電后，首先從存儲芯片中讀取系統資源配制數據，對硬件資源進行初始化設置，如溫濕度傳感器模塊、光敏電阻和與其連接的ADC通道、報警裝置、連接藍牙模塊所需要的串口資源。在初始化完成后，利用溫濕度傳感器模塊和與光敏電阻連接的ADC通道采集當前空間環境的環境參數。采集到的環境參數根據自定義的協議打包成數據包通過串口向藍牙模塊發出。與此同時，STM32微處理器接收來自藍牙的數據包并解碼數據包，根據數據包中的控制和設置信息做出相應的反應，設置數據主要有溫度、濕度和光照強度合理變換范圍，根據環境參數變化范圍和、當前采集的數據和報警裝置的控制狀態做出報警設備的狀態改變控制。

上位機手機APP在Android平臺下開發，移動端APP作為下位機環境數據采集系統的顯示和設置模塊有非常嚴謹的流程和要求。移動端APP是整個環境檢測系統與用戶連接的橋梁，可以接收下位機的數據信息并且展示給用戶，用戶可以通過手機APP向下位機發送控制命令。移動端APP發送的數據包遵循下位機數據發送協議，按字節對應的數據信息位置將其對應的數據填入，并計算校驗和，最后生成String類型的數據包。移動端APP開發中應該滿足以下特點：可以掃描、連接且與藍牙設備進行數據交換；可接受下位機的數據包，且正確解碼數據信息；把解碼后的數據信息通過APP界面向用戶展示；用戶可以用過手機APP設置環境參數變化范圍，可以設置警開關狀態；

3 論證方法

系統設計完成后，需基于模塊測試，集成測試和系統測試順序對系統進行測試。整個系統調試成功后，應該達到以下要求：下位開機后，可正常工作；手機APP打開藍牙并可正常掃描附近藍牙設備；手機可與藍牙設備連接成功并正常通信；手機APP與下位機通信并獲得下位機所發送的環境數據，經過解密后可顯示在APP當前的頁面，且手機APP上所顯示的環境參數與當前環境參數一致；系統不斷比對測得的環境參數是否在所設置的變換范圍內，若超出這個范圍，則系統根據設置參數做出相應反應；手機設置環境參數變換范圍和其他控制數據時，通過藍牙傳向下位機，下位機可做出相應的反應。

4 總結

本項目做了大量的市場調研，設計的智能化環境監測系統可智能監測溫度、濕度和光照強度等環境參數，用戶可控制參數變換范圍，當實時環境參數超過變換范圍時警報系統就會根據系統設置選擇工作狀態，滿足工業、農業、居家生活的實際環境監測需求，具有體積小、節能環保、攜帶便捷及良好的實用價值等特點。