關(guān)于室內(nèi)環(huán)境參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

0 引言

當(dāng)今社會(huì)，隨著科技的不斷發(fā)展，生活水平的提高，人們?cè)絹碓街匾暽眢w健康。由于室內(nèi)環(huán)境參數(shù)嚴(yán)重影響著人們的身體健康，因此空氣檢測(cè)類裝置較為流行，例如檢測(cè)室內(nèi)的溫濕度、空氣質(zhì)量、可燃?xì)怏w濃度等[1]。

面對(duì)這種現(xiàn)狀，各大公司相應(yīng)地推出了具有部分功能的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)裝置，但是大多數(shù)與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)裝置相類似，采集的參數(shù)大多是空氣質(zhì)量的PM值、甲醛、可燃?xì)怏w濃度等，而且一臺(tái)機(jī)器多數(shù)則只能采集1～2種參數(shù)，顯示方式多為通過本地的液晶屏幕為用戶展示，且裝置普遍體積較大，僅有少數(shù)可以和本地的手機(jī)連接，大大降低了產(chǎn)品的實(shí)用性與便攜性。

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)由硬件采集數(shù)據(jù)、軟件遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)兩部分組成的系統(tǒng)。首先，硬件監(jiān)測(cè)端由無線充電或者鋰電池供電，可為各項(xiàng)傳感器、液晶屏幕單元供電；同時(shí)利用充電芯片對(duì)鋰電池進(jìn)行充電，由3.7 V升至5 V的電壓再次經(jīng)過穩(wěn)壓?jiǎn)卧獙? V轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的3.3 V，給Wi-Fi模塊提供穩(wěn)定的電壓。傳感器將采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示到液晶屏幕上，同時(shí)數(shù)據(jù)也通過Wi-Fi模塊傳輸?shù)绞謾C(jī)客戶端進(jìn)行解析和顯示；最后通過瀏覽器端編程，將硬件的數(shù)據(jù)采集后，存到本地服務(wù)器，本地的服務(wù)器和云端的服務(wù)器進(jìn)行通信，用戶通過訪問相應(yīng)的網(wǎng)址獲得想知道地區(qū)的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

1 硬件系統(tǒng)

在硬件設(shè)計(jì)中，以ATmega328P-au為主控芯片，外部傳感器結(jié)合DHT11溫濕度傳感器、BMP180氣壓傳感器、GP2Y1010AU0F灰塵濃度傳感器和MQ-9可燃?xì)怏w傳感器。供電部分采用無線供電和鋰電池兩套供電方案同時(shí)使用，通過一定的升壓、降壓?jiǎn)卧螅瑸檎w系統(tǒng)提供所需的電能。硬件系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

電源設(shè)計(jì)部分分為鋰電池充電單元、5 V升壓?jiǎn)卧约?.3 V穩(wěn)壓電源，采用鋰電池作為電源時(shí)，由于其3.7 V左右的電壓不能使得傳感器和液晶屏幕正常工作，因此需要一個(gè)升壓?jiǎn)卧獙㈦妷禾嵘? V，升壓?jiǎn)卧韴D如圖2所示。

為了方便用戶的使用，硬件系統(tǒng)也加入了鋰電池的充電方案，原理圖如圖3所示。

通信模塊采用的是ESP8266無線Wi-Fi模塊。本設(shè)計(jì)中通信模塊的功能是收發(fā)UDP數(shù)據(jù)，之前單獨(dú)設(shè)計(jì)的3.3 V穩(wěn)壓系統(tǒng)也是為了ESP8266這一款無線通信模塊。采用ESP8266還因?yàn)樗旧砭哂凶越M網(wǎng)的功能[2]。本地的手機(jī)客戶端和本地的服務(wù)器連接ESP8266自組建的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，并通過訪問對(duì)應(yīng)的IP地址將打包的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和獲取，從而在手機(jī)端和本地服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。

GP2Y1010AU0F灰塵傳感器內(nèi)置了一個(gè)紅外發(fā)光二極管（IRED）和一個(gè)光電晶體管，二者采用對(duì)角放置。GP2Y1010AU0F灰塵傳感器檢測(cè)的原理為：通過監(jiān)測(cè)空氣中灰塵在光電晶體管的反射光，并將反射光轉(zhuǎn)換成模擬電壓量的形式輸出，供給單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析處理，內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理如圖4所示。

ATmega328-au這一款處理芯片內(nèi)部設(shè)有SPI總線、IIC總線、UART串行總線、USB控制總線、通用I/O口及模擬量輸入輸出口，相對(duì)于比較常見的51單片機(jī)，其在進(jìn)行通信時(shí)處理得更快，信息顯示更全；同時(shí)，ATmega328p-au具有32個(gè)工作寄存器，克服了單一累加器數(shù)據(jù)處理造成的瓶頸現(xiàn)象。單片機(jī)最小系統(tǒng)與溫濕度傳感器、可燃?xì)怏w傳感器、灰塵傳感器、氣壓傳感器和Wi-Fi模塊連接原理圖如圖5所示。

在本文中，溫濕度模塊選擇的是DHT11這一款通信方式為單總線通信的溫濕度傳感器模塊，相對(duì)于其他種類的傳感器模塊來說，DHT11具有功耗低、體積小、通信方式簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，其輸入輸出端只用到一個(gè)I/O接口，采用串行數(shù)據(jù)的傳輸方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，在一定程度上方便開發(fā)者使用?？扇?xì)怏w檢測(cè)采用的MQ-9傳感器，主要可以監(jiān)測(cè)環(huán)境中的CH4、CO等可燃?xì)怏w，加熱器為氣敏元件提供重要的條件[3]。BMP180是一種監(jiān)測(cè)大氣壓強(qiáng)的傳感器，同時(shí)可以監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度來對(duì)氣壓值進(jìn)行實(shí)時(shí)的校正。它是一款低功耗、低電壓的新一代大氣壓強(qiáng)傳感器，BMP180除了通信方式簡(jiǎn)單之外，體積也比較小，散熱量小，對(duì)整體系統(tǒng)的溫度影響也比較低。整體硬件電路板如圖6所示。

2 軟件系統(tǒng)

系統(tǒng)軟件主要包括三大部分，分別為環(huán)境參數(shù)采集硬件端編程設(shè)計(jì)、與之相對(duì)應(yīng)的Android客戶端軟件編程設(shè)計(jì)以及瀏覽器端環(huán)境搭建和軟件編程的設(shè)計(jì)。

在硬件編程中，首先對(duì)各部分傳感器和主控系統(tǒng)進(jìn)行初始化，將采集到的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行本地液晶屏幕的顯示，并將數(shù)據(jù)通過Wi-Fi模塊發(fā)送出去。

在瀏覽器端軟件設(shè)計(jì)中，本地服務(wù)器接收到Wi-Fi模塊傳過來的數(shù)據(jù)后，將本地?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)皆贫朔?wù)器，將瀏覽器界面掛載到云端Tomcat服務(wù)中，用戶通過訪問網(wǎng)址從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)[4]。系統(tǒng)整體軟件流程圖如圖7所示。

由于灰塵濃度傳感器是通過光學(xué)的原理來進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，一旦有灰塵粘附在傳感器內(nèi)部，那么就會(huì)使檢測(cè)到的數(shù)據(jù)失效不準(zhǔn)。為了避免這種偶然的誤差，所以將卡爾曼濾波算法引入到空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)單元[5]。算法應(yīng)用流程如圖8所示。

DHT11溫濕度傳感器采用單總線的通信方式，即數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收都是通過一根總線來完成，所以要想調(diào)試好這一款傳感器模塊，就要掌握好發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的時(shí)間。

可燃?xì)怏w的數(shù)據(jù)量、灰塵傳感器濃度都是將傳感器采集得到的模擬電壓量通過主控芯片將模擬量的信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，供單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。BMP180傳感器將采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一個(gè)與它相連的176位的E2PROM中，其中存儲(chǔ)著校準(zhǔn)系數(shù)，在計(jì)算氣壓時(shí)，由于溫度的影響也會(huì)導(dǎo)致氣壓值的變化，BMP180本身集成溫度檢測(cè)單元，單片機(jī)將讀取存儲(chǔ)在E2PROM的11個(gè)字的校準(zhǔn)系數(shù)。通過校準(zhǔn)系數(shù)，計(jì)算出溫度和壓強(qiáng)的精確數(shù)據(jù)，將采集到的氣壓數(shù)據(jù)與溫度值進(jìn)行分析處理，最終得到最后大氣壓強(qiáng)值。

采用這幾種傳感器的另外一個(gè)原因是，在使用傳感器時(shí)，涉及的引腳較少，可以在滿足功能實(shí)現(xiàn)的同時(shí)降低處理芯片的壓力，使得整體系統(tǒng)運(yùn)行流暢，提高芯片的資源利用率。

硬件部分將采集的數(shù)據(jù)通過Wi-Fi模塊發(fā)送到本地服務(wù)器端，本地服務(wù)器程序采用Spring+iBATIS混合模式框架，數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)皆贫耍谠贫送ㄟ^JavaWeb編程[6]。

前臺(tái)頁面采用HTML+CSS+JavaScript編寫，數(shù)據(jù)可視化圖表采用Highcharts開源的圖標(biāo)庫(kù)。Highcharts插件具有很好的兼容性能，可以支持目前使用率較高的IE、Chrome等瀏覽器。

瀏覽器端可以顯示當(dāng)前環(huán)境質(zhì)量的參數(shù)、走勢(shì)圖以及根據(jù)已有數(shù)據(jù)計(jì)算出來的預(yù)測(cè)值。該頁面的所有數(shù)據(jù)均為動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，全部采用AJAX異步通信技術(shù)，以每秒一次的請(qǐng)求速率從服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)地繪制，數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)時(shí)序如圖9所示。

3 測(cè)試結(jié)果

本設(shè)計(jì)在灰塵濃度檢測(cè)時(shí)采用了兩套方案，一是灰塵傳感器的正常測(cè)量；二是加入了卡爾曼濾波算法的灰塵傳感器的測(cè)量，可以減弱灰塵濃度傳感器模塊在工作期間降低外界溫濕度、風(fēng)速、振動(dòng)帶來的偶然誤差，使得整體系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定，示波器圖片及波形圖如圖10所示。

圖10中，兩套方案采用的單片機(jī)相同，時(shí)間相同且其他參數(shù)一致，下方波形為加入卡爾曼濾波算法的單片機(jī)連接灰塵濃度傳感器采集的數(shù)據(jù)，波形較為穩(wěn)定，曲線平滑；上方波形為沒有加入卡爾曼濾波算法的單片機(jī)連接灰塵濃度傳感器采集的數(shù)據(jù)，波形毛刺較多，數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，穩(wěn)定性較差。

瀏覽器端調(diào)試主要分為本地服務(wù)器的開啟操作和瀏覽器整體界面UI的顯示。為了使用戶有更好的體驗(yàn)，在本設(shè)計(jì)中，采用了多種過渡樣式來增強(qiáng)人們的交互感，瀏覽器可視化界面如圖11所示，歷史數(shù)據(jù)界面如圖12所示。

4 結(jié)論

本文較完整地描述了室內(nèi)環(huán)境參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的技術(shù)手段，在論述了無線傳感器技術(shù)、JavaWeb等相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上，分析室內(nèi)環(huán)境參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可行性。具體來說，本文設(shè)計(jì)了一種環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置，整體系統(tǒng)可以將采集到的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行處理后，利用無線傳輸模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾C(jī)客戶端和瀏覽器端，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的功能。