基于WiFi的移動式環(huán)境信息監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

基金項(xiàng)目：湖南省高校思政精品項(xiàng)目—課程育人（19JP019）

作者簡介：李敏(1989—)，男，碩士，講師，研究方向：智能控制。

隨著智能化水平的逐步提高，各行各業(yè)也相繼在實(shí)現(xiàn)和加大智能化程度，同時(shí)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(shù)智能化場所中，環(huán)境信息采集和監(jiān)測是衡量智能化水平的一個(gè)重要指標(biāo)，也是實(shí)現(xiàn)智能化的關(guān)鍵技術(shù)之一。同時(shí)，環(huán)境信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測對及時(shí)挽救經(jīng)濟(jì)損失和避免造成重大事故具有較大幫助^[1-2]，如大棚養(yǎng)殖、大棚種植、食品保存、檔案管理等方面。因此，設(shè)計(jì)一種穩(wěn)定、方便、低廉的環(huán)境信息采集系統(tǒng)具有較大的實(shí)際意義。

一直以來，針對環(huán)境信息采集，科研工作者做了大量的研究與實(shí)驗(yàn)，主要?dú)w結(jié)為以下幾個(gè)方面。

1）傳感器的研究。傳感器是與環(huán)境信息直接打交道的參與者，其技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用直接關(guān)系到環(huán)境信息采集的準(zhǔn)確度和靈敏度。文獻(xiàn)^[3-4] 在傳感器的使用方面進(jìn)行了分析與研究，重點(diǎn)分析了多傳感器融合使用。文獻(xiàn)^[5] 重點(diǎn)闡述了一種新型傳感器，能對液體流量進(jìn)行測量等。

2）主控器件和交互平臺的研究。在遠(yuǎn)程環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)中，主控器件是環(huán)境信息采集、處理、發(fā)送的核心部件，交互平臺是環(huán)境信息監(jiān)測的可視窗口。這兩者的合理選擇，不僅影響系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)，還關(guān)系到系統(tǒng)開發(fā)和維護(hù)的難易程度。文獻(xiàn)^[1,6-7]分別研究了不同的主控器和交互平臺在環(huán)境信息監(jiān)控中的應(yīng)用。

3）算法的研究。為了提高環(huán)境信息監(jiān)測的效果，對環(huán)境信息采集的參數(shù)一直在拓寬，并且采集的數(shù)據(jù)量也在增大。因此，怎樣在大量復(fù)雜的數(shù)據(jù)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(xiàn)^[8-9] 在環(huán)境信息采集中各自應(yīng)用了算法，取得了較好的實(shí)驗(yàn)效果。

近年來，科研工作者在上述3 個(gè)方面做了大量的研究工作，并取得了較好的成果。然而，在環(huán)境信息監(jiān)測中，針對多個(gè)測試點(diǎn)能進(jìn)行靈活移動監(jiān)測的系統(tǒng)研究與實(shí)驗(yàn)還比較少。本文綜合考慮系統(tǒng)開發(fā)和維護(hù)的難易程度、成本、功能要求等因素，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于WiFi 的移動式環(huán)境信息監(jiān)控系統(tǒng)，通過實(shí)驗(yàn)證明，系統(tǒng)穩(wěn)定性好、成本低，能靈活地對環(huán)境內(nèi)多個(gè)測試點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控，極具應(yīng)用價(jià)值。

1   系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)主要包括上位機(jī)部分和下位機(jī)部分。上位機(jī)部分主要是安卓人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)，能對下位機(jī)進(jìn)行移動控制和實(shí)時(shí)顯示下位機(jī)當(dāng)前位置的環(huán)境信息。下位機(jī)部分主要是對環(huán)境信息進(jìn)行采集、處理和發(fā)送。系統(tǒng)總體框圖如圖1 所示，環(huán)境信息采集模塊將采集到的信息數(shù)據(jù)傳送給主控制模塊，主控制器模塊進(jìn)行處理后，通過WiFi 通信模塊傳送給上位機(jī)進(jìn)行顯示。同時(shí)，用戶可操控上位機(jī)，經(jīng)WiFi 通信模塊發(fā)送指令給主控制器，進(jìn)而通過移動控制模塊實(shí)現(xiàn)下位機(jī)移動，進(jìn)行靈活的信息采集。

2   硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)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(huán)境信息采集模塊和電源模塊。各模塊功能的相互協(xié)調(diào)與配合實(shí)現(xiàn)整個(gè)下位機(jī)功能。

2.1 主控制器模塊

主控制器是下位機(jī)的大腦，其選擇關(guān)系到系統(tǒng)下位機(jī)開發(fā)和維護(hù)的難易程度，以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成本。本設(shè)計(jì)對以arm 為內(nèi)核的STM32F103C8T6 和以51 為內(nèi)核的STC89C52 兩款芯片進(jìn)行對比分析：STM32F103C8T6 在運(yùn)行速度上優(yōu)于STC89C52，且存儲量更大，然而本系統(tǒng)在下位機(jī)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(tǒng)的端口主要用于WiFi 通信、移動控制和環(huán)境信息采集，STC89C52 的I/O 端口足夠滿足系統(tǒng)需求，并且還留有余量，符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則；與后者相比，STM32F103C8T6 芯片在本系統(tǒng)的應(yīng)用成本高、開發(fā)和維護(hù)難度大，且造成較大的資源浪費(fèi)。綜合考慮，下位機(jī)主控制器采用基于51 內(nèi)核的STC89C52。

2.2 WiFi通信模塊

WiFi 通信模塊采用樂鑫公司推出的ESP8266 WiFi模塊。其價(jià)格便宜，只要5~10 元；性能高，一般通信距離能達(dá)到100 m，在空曠的環(huán)境下，能在300 m 內(nèi)進(jìn)行可靠連接，完全能滿足本系統(tǒng)需求；開發(fā)簡單、資源多，設(shè)備商提供了諸多集成開發(fā)環(huán)境和工程案例。其主要通過串口與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)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(jī)的RXD和TXD 引腳相連接。

2.3 移動控制模塊

本系統(tǒng)的移動控制采用兩路電機(jī)驅(qū)動，外加1 個(gè)萬向輪，從而實(shí)現(xiàn)下位機(jī)的靈活移動。其采用L293D 芯片作為電機(jī)驅(qū)動芯片，同時(shí)驅(qū)動兩路直流電機(jī)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，且輸入電壓范圍寬，電流最大可達(dá)1.2 A，直接通過單片機(jī)的I/O 口進(jìn)行控制，開發(fā)簡單。

2.4 環(huán)境信息采集模塊

本系統(tǒng)主要是對環(huán)境中的溫度、濕度和光照強(qiáng)度進(jìn)行監(jiān)測，同時(shí)在主控芯片選擇時(shí)考慮了端口余量，方便后續(xù)其他環(huán)境參數(shù)監(jiān)測的拓展。溫度和濕度監(jiān)測采用數(shù)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(fù)5%RH，溫度測量范圍為（0~50）℃，精度為±2 ℃。光照強(qiáng)度監(jiān)測傳感器采用BH1750FVI 光照模塊，型號為GY-30，光照范圍為（0~65 535）lx。其內(nèi)置16 位A/D轉(zhuǎn)換，直接數(shù)字量輸出，能直接與單片機(jī)的I/O 口進(jìn)行連接。環(huán)境信息采集模塊電路如圖3 所示。

圖3 環(huán)境信息采集模塊電路圖

2.5 電源模塊

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

3   軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括兩個(gè)部分：上位機(jī)程序設(shè)計(jì)和下位機(jī)程序設(shè)計(jì)。上位機(jī)程序設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)對下位機(jī)傳送的環(huán)境信息數(shù)據(jù)的接收、處理和顯示，以及對用戶操控指令的處理與發(fā)送。下位機(jī)程序設(shè)計(jì)由三個(gè)部分組成：WiFi 通信子程序、環(huán)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(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)的數(shù)據(jù)通信；環(huán)境信息采集子程序?qū)崿F(xiàn)各環(huán)境信息的讀取和處理，方便信息通過WiFi 模塊發(fā)送；移動控制子程序?qū)崿F(xiàn)下位機(jī)系統(tǒng)的靈活移動，方便多點(diǎn)環(huán)境信息的采集。各程序塊實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。下面對各程序進(jìn)行詳細(xì)介紹。

3.1 上位機(jī)程序

系統(tǒng)人機(jī)交互設(shè)備針對應(yīng)用廣泛的安卓智能機(jī)，上位機(jī)的開發(fā)采用谷歌推出的Android Studio 軟件。安卓上位機(jī)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(shù)據(jù)顯示部分。通信連接部分用于實(shí)現(xiàn)安卓智能機(jī)和下位機(jī)WiFi 模塊的通信連接，需設(shè)置WiFi 模塊的IP 地址和端口號；移動控制部分設(shè)計(jì)了上、下、左、右、啟動和停止共計(jì)6 個(gè)控件，實(shí)現(xiàn)下位機(jī)的靈活移動；數(shù)據(jù)顯示部分實(shí)現(xiàn)對環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、光照強(qiáng)度的監(jiān)控顯示，同時(shí)設(shè)計(jì)了1 個(gè)拓展顯示框，方便后續(xù)添加要顯示的參數(shù)。

圖4 Android上位機(jī)界面圖

3.2 WiFi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(shí)先進(jìn)行初始化，通過串口通信設(shè)置WiFi 模塊為AP 模式，作為WiFi 熱點(diǎn)供手機(jī)或者其他安卓智能設(shè)備連接，同時(shí)設(shè)置其IP 和端口號。然后進(jìn)入while 無限循環(huán)，一方面判斷是否有環(huán)境信息數(shù)據(jù)更新，如有則通過串口發(fā)送出去，否則繼續(xù)進(jìn)行判斷；另一方面，判斷是否有上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)至WiFi 模塊，從而產(chǎn)生串口中斷，如有則接收、處理數(shù)據(jù)，否則繼續(xù)執(zhí)行判斷程序。

3.3 環(huán)境信息采集子程序

環(huán)境信息采集子程序如圖6 所示，下位機(jī)上電后，首先對各個(gè)信息采集模塊進(jìn)行初始化處理，然后進(jìn)入無限循環(huán)，對周邊環(huán)境信息進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，采集的數(shù)據(jù)信息傳遞給單片機(jī)進(jìn)行處理，處理完成后，通過WiFi 模塊將信息數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)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(jī)的電機(jī)驅(qū)動端口做初始化處理，然后進(jìn)入循環(huán)，時(shí)刻讀取與判斷串口中斷接收的數(shù)據(jù)，對得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較處理，從而控制相應(yīng)的電機(jī)，實(shí)現(xiàn)下位機(jī)的準(zhǔn)確和靈活移動。

4   測試

系統(tǒng)主要在兩種環(huán)境中進(jìn)行了測試，一種是在封閉場所，通過可透視玻璃觀察現(xiàn)場情況進(jìn)行測試。另一種是在比較空曠的自然場所進(jìn)行測試，選擇的測試時(shí)間點(diǎn)為同一天相近的時(shí)間點(diǎn)，測試的參數(shù)主要包括下面幾個(gè)：有效監(jiān)控距離、現(xiàn)場環(huán)境溫度、現(xiàn)場環(huán)境濕度和當(dāng)時(shí)光照強(qiáng)度。測試結(jié)果如表1 所示，在封閉場所，穩(wěn)定移動控制和參數(shù)監(jiān)控的距離約為16 m，在空曠環(huán)境中能達(dá)到35 m 左右，室內(nèi)與室外環(huán)境溫度相差5 ℃，濕度相差10%RH，室內(nèi)光照強(qiáng)度約55 lx，室外光照強(qiáng)度約49 742 lx。上位機(jī)顯示界面如圖8 所示，測試結(jié)果和上位機(jī)顯示證明，系統(tǒng)能很好地監(jiān)控環(huán)境參數(shù)，并進(jìn)行有效傳送和顯示。

圖8 上位機(jī)監(jiān)控效果圖

為驗(yàn)證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和現(xiàn)場環(huán)境信息檢測的有效性，在多個(gè)時(shí)間點(diǎn)對室內(nèi)現(xiàn)場溫度信息進(jìn)行監(jiān)測，同時(shí)人工用溫度計(jì)在同一時(shí)間點(diǎn)和同一地點(diǎn)進(jìn)行溫度監(jiān)測，兩者監(jiān)測數(shù)據(jù)如表2 所示。根據(jù)4 次測量數(shù)據(jù)求誤差平均值小于5%，能滿足應(yīng)用要求。

5   結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于WiFi 的移動式環(huán)境信息監(jiān)控系統(tǒng)，通過實(shí)驗(yàn)測試證明，其能在封閉場所約16 m 的范圍內(nèi)進(jìn)行有效環(huán)境信息采集和移動控制，在空曠場所能達(dá)到約35 m 的范圍。溫度監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)與溫度計(jì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)對比分析可得，系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)采集和傳送誤差小于5%，能滿足大多數(shù)應(yīng)用場所。綜上所述，本設(shè)計(jì)系統(tǒng)穩(wěn)定性好，成本低，能靈活地對環(huán)境內(nèi)多個(gè)測試點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，極具應(yīng)用價(jià)值。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年12月期）