智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計*

陳宇 戴亮 戚蕊 顧婕妤 何穎

(江蘇師范大學科文學院,江蘇徐州 221000)

0 引言

目前關(guān)于環(huán)境監(jiān)測的便攜式設(shè)備逐步發(fā)展出現(xiàn),但其中大多數(shù)設(shè)備功能單一且受空間限制,此次設(shè)計的系統(tǒng)可安裝于各類便攜式設(shè)備上并不受空間約束,如無人機、無人車等。該設(shè)計可實現(xiàn)信息實時監(jiān)測與智能分析,對異常數(shù)據(jù)進行智能預警等功能,符合電子設(shè)備智能化,人性化的發(fā)展趨勢。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。本系統(tǒng)在用戶端采用TFT屏顯示和軟件端查看兩種方式,在可查看環(huán)境質(zhì)量的同時,增加了歷史查詢功能,并通過生成數(shù)據(jù)曲線,幫助用戶更好地觀看出變化趨勢。同時當傳感器檢測到環(huán)境質(zhì)量較差時,會自動進行處理,對其嚴重情況進行預警和智能分級,同時在TFT屏上顯示。此時的操作信息會通過無線網(wǎng)絡(luò)傳給軟件端同步顯示[1]。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計框圖Fig.1 System design block diagram

2 硬件設(shè)計

硬件系統(tǒng)由煙霧傳感器、溫濕度傳感器、CO傳感器、氣壓傳感器、光強傳感器、STM32單片機、FET顯示器、WIFI模塊以及手機軟件端組成。首先各個傳感器采集相關(guān)數(shù)據(jù),數(shù)字信號直接送給單片機處理,模擬信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換后送給單片機處理,分析處理結(jié)果由TFT顯示,同時通過WIFI模塊傳輸?shù)接脩舳薣2-3]。

(1)STM32單片機:本設(shè)計使用的STM32F103C8T6最小系統(tǒng)單片機采用MircoUSB接口供電和SWD調(diào)試接口,自帶電壓穩(wěn)壓芯片、24C04數(shù)據(jù)存儲器、復位及用戶操作按鍵,有電平轉(zhuǎn)換方便、體積小、方便數(shù)據(jù)存儲和功能開發(fā)等特點。STM32實物圖如圖2所示。

圖2 STM32單片機Fig.2 STM32 single chip microcomputer

(2)煙霧傳感器:該設(shè)計采用MQ2煙霧傳感器進行煙霧檢測,輸出與AD轉(zhuǎn)換模塊連接。當MQ2煙霧傳感器所在環(huán)境中存在煙霧時,其電導率隨空氣中煙霧濃度的增加而增大,通過電路將電導率的變化轉(zhuǎn)換為煙霧濃度對應(yīng)的輸出信號。同時具有使用壽命長、穩(wěn)定性可靠、響應(yīng)恢復特性快速等特點。MQ2煙霧傳感器實物圖如圖3所示。

圖3 MQ2煙霧傳感器Fig.3 MQ2 smoke sensor

(3)溫濕度傳感器:該設(shè)計采用數(shù)字式DHT11溫濕度傳感器對空氣中的溫度和濕度進行檢測。該傳感器是一款由電容式感濕器件和N T C測溫器件構(gòu)成的復合傳感器,它與單片機相連接,其校準系統(tǒng)以程序的儲存在OTPROM中,通過調(diào)用校準系數(shù)的方式對信號進行處理。傳感器具有數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù),通過這兩個技術(shù)來檢測周圍環(huán)境的溫度和濕度,其具有反應(yīng)速度快、可靠性高、抗干擾能力強、信號傳輸距離長、能耗低等特點。DHT11溫濕度傳感器實物圖如圖4所示。

圖4 DHT11溫濕度傳感器Fig.4 DHT11 temperature and humidity sensor

(4)一氧化碳傳感器:該設(shè)計采用MQ7傳感器對空氣中的一氧化碳進行檢測。 由于氣體傳感器的電導率因環(huán)境中一氧化碳濃度的高低變化,進而通過控制電路將電導率的變化轉(zhuǎn)換為與之對應(yīng)的輸出信號。又因為二氧化錫具有低電導率的特點,所以傳感器具有良好的穩(wěn)定性,主要應(yīng)用于一氧化碳濃度的測量。MQ7一氧化碳傳感器實物圖如圖5所示。

圖5 MQ7一氧化碳傳感器傳感器Fig.5 MQ7 carbon monoxide sensor

(5)氣壓傳感器:該設(shè)計采用BMP180對氣壓進行檢測,該傳感器中的控制單元包含E E P R O M和I I C接口,而EEPROM中儲存的校準數(shù)據(jù),會對壓力值進行補償。因此,該傳感器會先通過讀取EEPROM校準值,再讀取溫度值到氣壓值,最后校準得到氣壓值,具有精度高、體積小、含溫度輸出、安全可靠性高的特點,可以在移動設(shè)備中使用。BMP180氣壓傳感器實物圖如圖6所示。

圖6 BMP180氣壓傳感器Fig.6 BMP180 air pressure sensor

(6)光照傳感器:該設(shè)計采用BH1750傳感器進行光照強度的測量,該傳感器是一種用于兩線式串行總線接口的數(shù)字型光強度傳感器集成電路。傳感器通過發(fā)送設(shè)備地址并等待ACK,發(fā)送高分辨率測量指令,等待ACK,停止時序,等待測量完成,將結(jié)果發(fā)送到設(shè)備地址,讀取高字節(jié)和低字節(jié)數(shù)據(jù),等待ACK,停止時序,計算得到光照強度。具有直接數(shù)字輸出、精度高、計算簡便、便于DIY的特點。BH1750光照傳感器實物圖如圖7所示。

圖7 BH1750光照傳感器Fig.7 BH1750 light sensor

(7)A/D轉(zhuǎn)換模塊:由于煙霧傳感器和CO傳感器為模擬傳感器,因此該設(shè)計中采用AD0832把模擬傳感器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號之后送給單片機進行分析和處理。AD0832為8 位分辨率、雙通道的轉(zhuǎn)換芯片。具有體積小,兼容性高,轉(zhuǎn)換速度快性等優(yōu)點。

(8)TFT顯示模塊:TFT-LCD液晶顯示器是由薄膜晶體管組成的屏幕。TFT液晶為每個像素提供一個半導體開關(guān),每一個像素均由點脈沖直接控制,所以對于每一個節(jié)點都相對獨立,可以實現(xiàn)連續(xù)控制,因此其具有反應(yīng)速度快、控制精準、色彩真實、可顯示24bit色深等特點。TFT顯示模塊實物圖如圖8所示。

圖8 TFT顯示模塊Fig.8 TFT display module

(9)WIFI模塊:該設(shè)計采用ESP8266模塊進行信號的傳輸,該模塊是一個完整并自成體系的WIFI處理器,可以搭載軟件應(yīng)用,并通過另外一ESP8266個處理器卸載WIFI網(wǎng)絡(luò)功能,也可以構(gòu)建獨立的網(wǎng)絡(luò)控制器。ESP8266具有高性能無線SoC,能用最低成本提供最大實用性,同時最少的占用系統(tǒng)資源。ESP8266 WIFI實物圖如圖9所示。

圖9 ESP8266WIFI模塊Fig.9 ESP8266WIFI module

3 軟件設(shè)計

(1)開發(fā)平臺:Keil5是一套由美國keilsoftware公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng),本設(shè)計中主要還是用于單片機方面的開發(fā),與其他匯編相比,使用C語言和匯編語言用于編寫底層各個傳感器的代碼。設(shè)計過程充分利用Keil5中的仿真模擬功能,實現(xiàn)無硬件情況下的軟件仿真和連接硬件之后的硬件仿真。最終將調(diào)試完成的代碼經(jīng)過設(shè)置之后以H E X文件的形式燒錄進入STM32芯片進行對各傳感器的總體控制。C語言易學易用,其在功能、結(jié)構(gòu)、可讀性、可維護性等方面均有明顯的優(yōu)勢,因此選擇Keil5利用C語言進行編程。(2)功能設(shè)計:本系統(tǒng)在開始使用時會先自動初始化,然后開始進行環(huán)境監(jiān)測,當系統(tǒng)周圍環(huán)境存在MQ2煙霧和MQ7一氧化碳可以檢測到的相關(guān)參數(shù)時,經(jīng)A/D轉(zhuǎn)化傳送到STM32單片機中。DHT11溫濕度、BH1750光照檢測傳感器工作產(chǎn)生的數(shù)字信號可直接傳送到STM32單片機中。單片機接受到信號后進行處理后,會直接顯示在T F T顯示屏,并通過WIFI模塊傳送到用戶軟件端。(3)用戶指令采集:用戶向軟件后臺發(fā)送操作指令,使單片機接收到操作指令后對指令進行格式化與加密工作,接著發(fā)送到WIFI模塊進行交互后對數(shù)據(jù)進行分析處理,最后在APP上顯示。后臺管理數(shù)據(jù)更新:用戶發(fā)送操作指令到WIFI模塊,WIFI模塊收到并進行解析后,傳送給后臺APP進行顯示。下位機操作:在智能控制模塊定期輪詢Access數(shù)據(jù)庫服務(wù)器讀取相關(guān)數(shù)據(jù)時,根據(jù)從單片機上讀取的數(shù)據(jù)進行操作。智能控制模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給環(huán)境監(jiān)測模塊,模塊接收到數(shù)據(jù)后對數(shù)據(jù)進行分析,分析完成后,接著對數(shù)據(jù)內(nèi)容進行運算匹配,最后相應(yīng)地反饋在安裝的電子元件上[4]。

4 結(jié)語

本文設(shè)計的智能監(jiān)測系統(tǒng)選用了STM32和ESP8266作為上位機和下位機來分析處理從周圍環(huán)境采集的數(shù)據(jù)。用戶通過配置移動APP實現(xiàn)對用戶周圍環(huán)境的全閉環(huán)監(jiān)控。該系統(tǒng)可以安裝在各類便攜式設(shè)備上,如無人機、無人車等,有效避免了過去為監(jiān)控周圍環(huán)境而采取的復雜措施,并高效的節(jié)省了人力物力等資源。該系統(tǒng)能夠在網(wǎng)絡(luò)狀況不好的情況下,依舊能夠保證基本數(shù)據(jù)的傳輸。在本設(shè)計的基礎(chǔ)上還可以增加更多的傳感器和電子元器件,適用于用戶進行DIY。通過將每個模塊細致地固化與組件化,有助于隨時拼接到整個系統(tǒng)中,提高對周圍環(huán)境的智能監(jiān)測效果。軟件端可以拓展系統(tǒng)提供的功能和服務(wù),根據(jù)用戶自身的特殊需求,可以開發(fā)更多的功能。為了能夠達到更智能、有準確環(huán)境監(jiān)測效果,未來可以加入機器學習和人工智能的相關(guān)信息技術(shù),使其對當前的室內(nèi)環(huán)境進行更智能的監(jiān)測,及時應(yīng)對環(huán)境異常的情況。