基于物聯(lián)網(wǎng)的家庭環(huán)境檢測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

王方+黃連麗+陳帥+曹鑫堯

摘 要：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是互聯(lián)網(wǎng)的擴展，將人與物、物與物直接鏈接，促進了信息化發(fā)展?；谖锫?lián)網(wǎng)的家庭環(huán)境檢測系統(tǒng)可用于室內(nèi)、養(yǎng)殖種植等環(huán)境指數(shù)的監(jiān)測，滿足環(huán)境的精準數(shù)據(jù)需求。采用ARM MCU+RTOS+傳感器+安卓APP的設(shè)計方案，實現(xiàn)了一種低成本、易擴展、個性化的基于物聯(lián)網(wǎng)的智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)；安卓APP

DOIDOI：10.11907/rjdk.171294

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A 文章編號文章編號：1672-7800（2017）008-0106-02

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)是國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)[1]，環(huán)境監(jiān)測是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域之一，精準的環(huán)境數(shù)據(jù)對提高生活質(zhì)量意義重大。為滿足環(huán)境的精準測量要求，設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)的家庭環(huán)境檢測系統(tǒng)，采用ARM MCU+RTOS+傳感器+安卓 APP的設(shè)計方案，實現(xiàn)了低成本高效率環(huán)境監(jiān)測[2]。該系統(tǒng)可用于家居環(huán)境、辦公室、超市和溫室大棚等室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測。

1 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境及關(guān)鍵技術(shù)

1.1 Android

Android是一種基于Linux的自由及開放源代碼操作系統(tǒng)，采用分層架構(gòu)，由應(yīng)用程序?qū)?、?yīng)用程序框架層、系統(tǒng)運行庫層和Linux內(nèi)核層構(gòu)成，是目前市場占有率最高的移動操作系統(tǒng)。

1.2 ARM Cortex-M3處理器

ARM Cortex-M3處理器具有高性能、低功耗、高實時性等諸多優(yōu)點，采用thumb2指令，代碼密度高，與C語言配合很好， C程序代碼可以輕易地移植和重用。本系統(tǒng)選用意法半導(dǎo)體公司的STM32F103C8T6 ARM Cortex-M3 MCU作為硬件平臺處理器[3]。ESP8266是專為移動設(shè)備、可穿戴電子產(chǎn)品和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計的， SOC能夠作為主控制器獨立運行，也可作為從機搭載于其它主機MCU 運行。本系統(tǒng)選用ESP8266模塊作為STM32-F103C8T6的從機，為系統(tǒng)提供網(wǎng)絡(luò)連接功能與APP通信。

2 系統(tǒng)設(shè)計

基于物聯(lián)網(wǎng)的家庭環(huán)境檢測系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和客戶端APP兩個部分。硬件部分由微處理器+WiFi模塊+多種環(huán)境傳感器+部分輔助裝置構(gòu)成。客戶端APP利用Andorid系統(tǒng)提供的API實現(xiàn)人機交互[4]。

2.1 硬件系統(tǒng)

ARM微控制器采用意法半導(dǎo)體的STM32F-103C8 T6。該MCU芯片尺寸小、資源豐富，有I2C、USART、IrDA、SPI、CAN、USB等接口，方便連接常見傳感器，滿足傳感器連接和通信方面的需要[5]。軟件方面移植RT-Thread，能夠方便模塊化開發(fā)，提高代碼的可閱讀性。系統(tǒng)的配置信息寫入EEPROM或FLASH，上電后讀入SRAM，該配置信息可由用戶在APP端進行配置，通過WiFi傳輸，最后由MCU完成寫入。設(shè)置兩路開關(guān)，確定系統(tǒng)的3種啟動模式，LED及報警裝置作為外圍電路提供報警提示功能，系統(tǒng)架構(gòu)見圖1。

2.2 客戶端APP

客戶端APP分消息通知、場景設(shè)備、設(shè)置3個主功能界面。

消息通知界面可實時顯示當前測得的環(huán)境參數(shù)。該界面由標題欄、搜索欄、消息列表欄、底部菜單欄4部分組成。標題欄用于指示當前界面功能，提供清空消息功能。搜索欄用于搜索設(shè)備，消息列表欄用于顯示當前測得的環(huán)境參數(shù)、場景設(shè)備名稱以及測得數(shù)據(jù)的時間。底部菜單欄可實現(xiàn)功能界面的切換，當前界面為彩色，非當前界面為灰色。

場景設(shè)備界面主要提供設(shè)備管理，實現(xiàn)一個APP連接控制多個設(shè)備，可以添加、刪除、修改、查看設(shè)備場景，以及啟用及關(guān)閉設(shè)備場景，打開界面顯示當前已經(jīng)啟用的設(shè)備等。該界面由頂部的標題欄、搜索欄、工具欄、設(shè)備列表欄、菜單欄5個部分組成。

設(shè)置界面提供了IP地址設(shè)置、通知欄提醒、自動添加設(shè)備、傳感器校正等功能。IP設(shè)置為APP與硬件平臺通信的IP和端口設(shè)置，當接收到新的環(huán)境數(shù)據(jù)時通知欄提醒是否顯示。自動添加設(shè)備用于收到未定義的傳感器時是否自動添加一個匿名設(shè)備。傳感器校正用于傳感器設(shè)備的初始化，當設(shè)備出現(xiàn)異?？梢允褂迷摴δ苓M行初始化，校正信息存放在EEPROM中。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 硬件系統(tǒng)

設(shè)計實現(xiàn)一個硬件系統(tǒng)，首先要設(shè)計出它的最小系統(tǒng)，讓硬件系統(tǒng)能上電啟動。最小系統(tǒng)包括MCU、晶振電路、復(fù)位電路、電源電路。

MUC選用意法半導(dǎo)體的STM32F103C8T6 MCU。該MCU為LQFP64封裝， Proteus元件庫中沒有，需要自己畫封裝，畫封裝時要注意引腳方向，各項電器參數(shù)設(shè)置正確。參考STM32F103C8T6的數(shù)據(jù)手冊給出復(fù)位電路，重新設(shè)計本硬件平臺的復(fù)位電路，確定硬件系統(tǒng)從FLASH啟動、FLASH燒寫ROM從啟動和開發(fā)調(diào)試SRAM從啟動。STM32F103C8T6有多個時鐘源，需要一個8MHz的外部晶振和一個32.768kHz的實時時鐘晶振。為保證時鐘的精準一般采用外部32.768kHz晶振提供時鐘源，完成晶振電路、復(fù)位電路、電源電路的設(shè)計，也即完成最小系統(tǒng)設(shè)計，見圖2。

最小系統(tǒng)設(shè)計成功后開始外圍輔助電路設(shè)計。為使硬件平臺有更好的擴展能力，設(shè)計了CAN收發(fā)器模塊電路，可實現(xiàn)基于CAN協(xié)議的Bootloader給系統(tǒng)升級。同時，為了便于在開發(fā)應(yīng)用程序時把運行的參數(shù)保存下來，添加了EEPROM模塊。雖然增加了系統(tǒng)電路，但避免了使用FLASH保存時頻繁擦寫導(dǎo)致的產(chǎn)品壽命減少。添加一個LED和一個蜂鳴器作為報警裝置。LED燈由PA1控制，蜂鳴器由PC13控制。

系統(tǒng)監(jiān)測功能由多種傳感器構(gòu)成，主要包括溫度、濕度、光照強度傳感器。不同型號傳感器的電路設(shè)計、驅(qū)動設(shè)計均不相同。溫度傳感器DS18B20提供9位二進制溫度讀數(shù)，通過單總線傳輸數(shù)據(jù)，主控與DS18B20之間的連接只需要一條數(shù)據(jù)線。每個DS18B20都擁有一個全球唯一的64位序列號，微處理器能夠讀取該64位序列號辨認總線上的器件，記錄總線上的器件地址，所以多個DS18B20同時連接在一條單線總線上，可輕松地利用一個微處理器去控制分布在不同區(qū)域的DS18B20[6]。溫濕度傳感器DHT11是數(shù)字信號輸出的復(fù)合傳感器，傳感元件與一個8位MCU相連，由MCU控制直接輸出數(shù)字信息。光照強度監(jiān)測采用光敏電阻，光敏電阻連接到STM32F-103C8T6的PB0引腳上，該引腳ADC1的通道8，用于測量光敏電路兩端的電壓進而計算出光照強度。endprint

ESP8266WiFi模塊SOC主控制器獨立運行，上電后自動啟動，通過串口進行固件更新，通過AT指令進行設(shè)置[7]，啟動后可進行UDP或TCP通信。ESP8266一般都需要進行固件更新才能支持最新的功能及指令，使用USB串口改裝連接電腦進行固件升級。

3.2 客戶端APP

客戶端啟動后打開消息通知界面，該界面顯示當前連接設(shè)備提供的實時環(huán)境參數(shù)，界面為一個Fragment控件。該界面在創(chuàng)建時先取得一個Application對象，該對象在APP中是唯一的。為保證Socket連接在整個APP都是唯一的，將socket連接放到Application對象中。

然后啟動一個線程用于監(jiān)視socket是否連接，完成UI設(shè)置、數(shù)據(jù)初始化、listadapter綁定。socket連接后開啟一個新的線程用于接收數(shù)據(jù)，對接收到的數(shù)據(jù)進行解析，獲取該數(shù)據(jù)包中的場景、設(shè)備、傳感數(shù)據(jù)、校驗等。將該數(shù)據(jù)包解析后寫入數(shù)據(jù)庫。由于數(shù)據(jù)包中的場景、設(shè)備是以數(shù)字的形式編碼的，所以需要在事先添加場景設(shè)備，綁定場景名與場景號、設(shè)備名與設(shè)備號。從數(shù)據(jù)庫中查詢到場景號對應(yīng)的場景名、設(shè)備號對應(yīng)的設(shè)備名。如果在listview中查到該場景設(shè)備已存在，就不用創(chuàng)建新的listitem。否則在數(shù)據(jù)庫中查詢該場景設(shè)備是否存在，如果存在就創(chuàng)建新的listitem，并更新數(shù)據(jù)，否則就丟棄該數(shù)據(jù)包。

4 結(jié)語

本文設(shè)計并實現(xiàn)了基于物聯(lián)網(wǎng)的家庭環(huán)境檢測系統(tǒng)，對系統(tǒng)涉及的一些關(guān)鍵技術(shù)進行了介紹與分析。該系統(tǒng)使用時自行組建獨立的局域網(wǎng)絡(luò)，不依賴其它網(wǎng)絡(luò)就能很好地完成環(huán)境參數(shù)監(jiān)測。系統(tǒng)預(yù)留了升級接口，后期可根據(jù)需要添加傳感器實現(xiàn)更多功能，或?qū)ο到y(tǒng)進行升級優(yōu)化，是一個開放的易于擴展的系統(tǒng)。

參考文獻：

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[3] 吳子岳，張帥，侯瑀. 海洋工作平臺的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計[J].測控技術(shù)，2013（8）：63-66.

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