基于WiFi的移動式環境信息監控系統設計

李敏 簡立明 劉春花 劉歡

摘要：環境信息采集與監控應用于各行各業，針對現有環境信息監控設備成本高，監控信息點單一、監控難度大等問題，設計了1個以安卓手機為控制端和數據接收端，以單片機為處理核心進行電機驅動和信息數據采集，以ESP8266WiFi模塊進行數據通信，對溫度、濕度和光照強度等進行監控的移動式環境信息監控系統。完成并測試證明，系統造價低、安全、穩定性好，能靈活地對環境內的多個測試點進行信息監測，具有較高的實用價值。

關鍵詞：環境信息監控;安卓;單片機;WiFi模塊;移動式

基金項目：湖南省高校思政精品項目—課程育人（19JP019）

隨著智能化水平的逐步提高，各行各業也相繼在實現和加大智能化程度，同時也將工匠精神融入其中，盡量提升和完善其智能化程度。在大多數智能化場所中，環境信息采集和監測是衡量智能化水平的一個重要指標，也是實現智能化的關鍵技術之一。同時，環境信息的實時監測對及時挽救經濟損失和避免造成重大事故具有較大幫助[1-2]，如大棚養殖、大棚種植、食品保存、檔案管理等方面。因此，設計一種穩定、方便、低廉的環境信息采集系統具有較大的實際意義。

一直以來，針對環境信息采集，科研工作者做了大量的研究與實驗，主要歸結為以下幾個方面。

1）傳感器的研究。傳感器是與環境信息直接打交道的參與者，其技術發展和應用直接關系到環境信息采集的準確度和靈敏度。文獻[3-4]在傳感器的使用方面進行了分析與研究，重點分析了多傳感器融合使用。文獻[5]重點闡述了一種新型傳感器，能對液體流量進行測量等。

2）主控器件和交互平臺的研究。在遠程環境信息監測系統中，主控器件是環境信息采集、處理、發送的核心部件，交互平臺是環境信息監測的可視窗口。這兩者的合理選擇，不僅影響系統功能的實現，還關系到系統開發和維護的難易程度。文獻[1，6-7]分別研究了不同的主控器和交互平臺在環境信息監控中的應用。

3）算法的研究。為了提高環境信息監測的效果，對環境信息采集的參數一直在拓寬，并且采集的數據量也在增大。因此，怎樣在大量復雜的數據中提取或者換算出有效的信息，是諸多科研工作者研究的重要方向。文獻[8-9]在環境信息采集中各自應用了算法，取得了較好的實驗效果。

近年來，科研工作者在上述3個方面做了大量的研究工作，并取得了較好的成果。然而，在環境信息監測中，針對多個測試點能進行靈活移動監測的系統研究與實驗還比較少。本文綜合考慮系統開發和維護的難易程度、成本、功能要求等因素，設計了一個基于WiFi的移動式環境信息監控系統，通過實驗證明，系統穩定性好、成本低，能靈活地對環境內多個測試點進行監控，極具應用價值。

1系統總體設計

整個系統主要包括上位機部分和下位機部分。上位機部分主要是安卓人機交互界面設計，能對下位機進行移動控制和實時顯示下位機當前位置的環境信息。下位機部分主要是對環境信息進行采集、處理和發送。系統總體框圖如圖1所示，環境信息采集模塊將采集到的信息數據傳送給主控制模塊，主控制器模塊進行處理后，通過WiFi通信模塊傳送給上位機進行顯示。同時，用戶可操控上位機，經WiFi通信模塊發送指令給主控制器，進而通過移動控制模塊實現下位機移動，進行靈活的信息采集。

2硬件系統設計

系統的硬件電路主要包括主控制器模塊、WiFi通信模塊、移動控制模塊、環境信息采集模塊和電源模塊。各模塊功能的相互協調與配合實現整個下位機功能。2.1主控制器模塊

主控制器是下位機的大腦，其選擇關系到系統下位機開發和維護的難易程度，以及系統設計的成本。本設計對以arm為內核的STM32F103C8T6和以51為內核的STC89C52兩款芯片進行對比分析：STM32F103C8T6在運行速度上優于STC89C52，且存儲量更大，然而本系統在下位機部分其對速度的要求不是特別高;STM32F103C8T6的I/O端口更加豐富，然而本系統的端口主要用于WiFi通信、移動控制和環境信息采集，STC89C52的I/O端口足夠滿足系統需求，并且還留有余量，符合系統設計原則;與后者相比，STM32F103C8T6芯片在本系統的應用成本高、開發和維護難度大，且造成較大的資源浪費。綜合考慮，下位機主控制器采用基于51內核的STC89C52。

2.2WiFi通信模塊

WiFi通信模塊采用樂鑫公司推出的ESP8266WiFi模塊。其價格便宜，只要5～10元;性能高，一般通信距離能達到100m，在空曠的環境下，能在300m內進行可靠連接，完全能滿足本系統需求;開發簡單、資源多，設備商提供了諸多集成開發環境和工程案例。其主要通過串口與單片機進行數據通信，ESP8266電路連接如圖2所示，模塊的1腳和8腳分別與單片機的RXD和TXD引腳相連接。

2.3移動控制模塊

本系統的移動控制采用兩路電機驅動，外加1個萬向輪，從而實現下位機的靈活移動。其采用L293D芯片作為電機驅動芯片，同時驅動兩路直流電機，實現電機的正反轉，且輸入電壓范圍寬，電流最大可達1.2A，直接通過單片機的I/O口進行控制，開發簡單。

2.4環境信息采集模塊

本系統主要是對環境中的溫度、濕度和光照強度進行監測，同時在主控芯片選擇時考慮了端口余量，方便后續其他環境參數監測的拓展。溫度和濕度監測采用數字量輸出的溫濕度傳感器DTH11，其濕度測量范圍20%～90%RH，精度為正負5%RH，溫度測量范圍為（0～50）°C，精度為±2°C。光照強度監測傳感器采用BH1750FVI光照模塊，型號為GY-30，光照范圍為（0～65535）lx。其內置16位A/D轉換，直接數字量輸出，能直接與單片機的I/O口進行連接。環境信息采集模塊電路如圖3所示。

2.5電源模塊

電源模塊主要為其他4個模塊提供電源，WiFi通信模塊需提供3.3V直流電源，其他電路模塊需提供5V直流電源。其主要由ASM1117-3.3V和ASM1117-5V兩款穩壓芯片先進行穩壓，并采用電容濾波得到所需的電源電壓。

3軟件系統設計

系統軟件設計主要包括兩個部分：上位機程序設計和下位機程序設計。上位機程序設計主要實現對下位機傳送的環境信息數據的接收、處理和顯示，以及對用戶操控指令的處理與發送。下位機程序設計由三個部分組成：WiFi通信子程序、環境信息采集子程序和移動控制子程序。WiFi通信子程序主要實現上位機和下位機的數據通信;環境信息采集子程序實現各環境信息的讀取和處理，方便信息通過WiFi模塊發送;移動控制子程序實現下位機系統的靈活移動，方便多點環境信息的采集。各程序塊實現相應的功能，從而實現系統功能。下面對各程序進行詳細介紹。

3.1上位機程序

系統人機交互設備針對應用廣泛的安卓智能機，上位機的開發采用谷歌推出的Android Studio軟件。安卓上位機界面如圖4所示，主要包括通信連接部分、移動控制部分和數據顯示部分。通信連接部分用于實現安卓智能機和下位機WiFi模塊的通信連接，需設置WiFi模塊的IP地址和端口號;移動控制部分設計了上、下、左、右、啟動和停止共計6個控件，實現下位機的靈活移動;數據顯示部分實現對環境溫度、環境濕度、光照強度的監控顯示，同時設計了1個拓展顯示框，方便后續添加要顯示的參數。

3.2WiFi通信子程序

WiFi通信采用ESP8266WiFi通信模塊，其程序流程如圖5所示。程序開始時先進行初始化，通過串口通信設置WiFi模塊為AP模式，作為WiFi熱點供手機或者其他安卓智能設備連接，同時設置其IP和端口號。然后進入while無限循環，一方面判斷是否有環境信息數據更新，如有則通過串口發送出去，否則繼續進行判斷;另一方面，判斷是否有上位機發送數據至WiFi模塊，從而產生串口中斷，如有則接收、處理數據，否則繼續執行判斷程序。

3.3環境信息采集子程序

環境信息采集子程序如圖6所示，下位機上電后，首先對各個信息采集模塊進行初始化處理，然后進入無限循環，對周邊環境信息進行實時數據采集，采集的數據信息傳遞給單片機進行處理，處理完成后，通過WiFi模塊將信息數據發送給上位機顯示。

3.4移動控制子程序

移動控制子程序流程圖如圖7所示，首先對單片機的電機驅動端口做初始化處理，然后進入循環，時刻讀取與判斷串口中斷接收的數據，對得到的數據進行比較處理，從而控制相應的電機，實現下位機的準確和靈活移動。

4測試

系統主要在兩種環境中進行了測試，一種是在封閉場所，通過可透視玻璃觀察現場情況進行測試。另一種是在比較空曠的自然場所進行測試，選擇的測試時間點為同一天相近的時間點，測試的參數主要包括下面幾個：有效監控距離、現場環境溫度、現場環境濕度和當時光照強度。測試結果如表1所示，在封閉場所，穩定移動控制和參數監控的距離約為16m，在空曠環境中能達到35m左右，室內與室外環境溫度相差5°C，濕度相差10%RH，室內光照強度約55lx，室外光照強度約49742lx。上位機顯示界面如圖8所示，測試結果和上位機顯示證明，系統能很好地監控環境參數，并進行有效傳送和顯示。

為驗證數據傳輸的準確性和現場環境信息檢測的有效性，在多個時間點對室內現場溫度信息進行監測，同時人工用溫度計在同一時間點和同一地點進行溫度監測，兩者監測數據如表2所示。根據4次測量數據求誤差平均值小于5%，能滿足應用要求。

5結束語

本文設計了一個基于WiFi的移動式環境信息監控系統，通過實驗測試證明，其能在封閉場所約16m的范圍內進行有效環境信息采集和移動控制，在空曠場所能達到約35m的范圍。溫度監控數據與溫度計監控數據對比分析可得，系統信息數據采集和傳送誤差小于5%，能滿足大多數應用場所。綜上所述，本設計系統穩定性好，成本低，能靈活地對環境內多個測試點進行實時監控，極具應用價值。

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作者簡介：李敏（1989—），男，碩士，講師，研究方向：智能控制。