基于Arduino和Android教室移动巡检系统设计

蔡卓凡

(湛江师范学院 信息与教育中心，广东 湛江524048)

随着多媒体教室的广泛应用，越来越多的教学工作均需要使用多媒体设备进行，因此多媒体教室的数量逐年增加。传统的运维模式已不能满足新形势下的工作需求。在多媒体教室中加入移动巡检系统，可在不影响教学工作的同时对教室设备进行非接触式检查和维护。Arduino单片机［1］和Android［2］智能终端具有功能强、性价比高及可定制性等优点，为构建多媒体教室的移动巡检系统提供了良好的开发平台。本文以Arduino Mega 2560为系统控制［3］，结合蓝牙通信模块和Android智能终端实现对多媒体教室的设备进行非接触式检查和维护。系统只需几个传感器、一块Arduino控制板、一个蓝牙通讯从模块和一台Android智能终端便可实现，克服了一般的集中式系统需要专门布线，造价偏高和在检查过程中影响教学使用的缺陷，同时其在功能、扩充能力及二次开发上更具优势。

1 系统的组成

系统由设备状态检测传感器、Arduino Mega 2560单片机数据采集与控制、蓝牙通信模块、Android数据处理等部分组成。

设备状态检测传感器包括光照度、电流、电压、温度和湿度等传感器及接口电路;其将收集多媒体教室各种设备的信息送到Arduino Mega 2560单片机上，所有信号由单片机进行数据的读取和处理，然后通过蓝牙通信模块用无线传输数据方式将处理后的数据发送至Android智能终端作数据显示，以实现监测和检查。系统架构如图1所示。

图1 系统架构图

2 系统的设计与实现

2.1 设备状态检测传感器和蓝牙通信模块

多媒体教室设备的状态检测一般包括光亮度、电流、电压、温度、湿度等多个方面，数量和采集位置可根据实际使用情况灵活配置。一般使用光照传感器1个，主要用于采集教室环境光线的强度和投影设备的亮度;温湿度传感器1个，主要用于采集教室设备的运行环境情况;电流和电压传感器各6个，用于采集教室设备的运行信息;1个蓝牙通讯从模块用于数据的传输通讯。

光照传感器用于采集教室设备的运行环境情况，为避免环境差异容易造成数据采集的误差，光照传感器采用不区分环境光源，接近于视觉灵敏度的分光特性BH1750FVI光照传感器［5］。BH1750FVI是ROHM公司生产的一种内置16 bit A/D转换器的两线式串行总线接口集成电路，可根据收集的光线强度数据来进行投影系统和环境监测，其具有0～65 535 lx的较大范围和1 lx高分辨率。

温湿度传感器主要用于采集教室设备的运行环境情况，文中采用Sensirion公司开发的SHT10数字温湿度传感器［6］，其是一款14 bit两线制，内含已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。测量范围:温度－40～+123.8℃，湿度0～100%RH;测量精度:温度±0.5℃，湿度±4.5%RH;响应时间8 s(tau63%);功耗150μW(typ)。为保证传感器的最高精度，供电电压设为3.3 V，并在电源引脚之间加一个100 nF的退耦滤波电容。另外，为避免信号冲突，系统控制板的驱动DATA在低电平，通过外接上拉电阻将信号提拉至高电平。温湿度传感器用于对教室机柜内的设备运行环境进行监测。

电流和电压传感器主要是采集设备的工作运行情况，采用北京新创四方电子生产的TVA1421系列小型精密交流电压电流通用互感器［7］，其具有隔离能力强、精度高、采样范围宽及应用灵活等优点。在电压≤1 000 V，电流≤18 A的范围内均可实现准确的采集，同时因其绝缘度高、体积小、密封性好、安装方便均为系统提供了良好的应用环境。

为保证巡检系统间的正常匹配，蓝牙模块则使用HC－06从模块。HC－06的工作电压为3.6～6 V，未配对时电流约30 mA，配对后约10 mA，串口接口电平3.3 V，可直接连接系统控制板，其引出接口包括Vcc、Gnd、Txd、Rxd，同时预留了LED状态指示输出端，可通过该输出端状态判断蓝牙连接是否正常。在未建立蓝牙连接时支持通过AT指令设置波特率、名称、配对密码，同时设置的参数掉电保存，蓝牙连接后会自动切换到透传模式［8］。

由于光照传感器、温湿度传感器均是数字式通讯接口，蓝牙模块是使用串口连接，便于与Arduino Mega 2560系统的连接，因此通过传感器扩展板或直接数字接口均可进行信号连接。此外，电流和电压传感器的连接则更为方便，只需简单的外接电阻便可与单片机系统的模拟输入接口连接。

2.2 Arduino Mega 2560数据采集与控制系统

系统采用Arduino Mega 2560单片机作为处理器。其拥有多达54路数字输入输出，符合需大量IO接口的设计需求，且后期的功能扩展性上也尤为突出。其中16路可作为PWM输出，另有16路模拟输入，4路UART接口，1个16 MHz晶体振荡器，并可兼容ArduinoUNO设计的扩展板。选择ArduinoMega2560作为数据采集与控制器，可完全满足2个光照传感器、1个温湿度传感器、6个电流和电压传感器以及1个蓝牙通讯从模块的数据处理需求。另外，其还可通过ATmega16U2芯片组成的USB接口与计算机进行通讯，具有开放源代码与简单易用的设计软硬件开发平台及丰富的外围模块等。近年来在PC、工作站、服务器、专业的家用智能网络控制中心或机器人等领域，Arduino均可实现人工智能控制、现场数据收集、数据分析和数据处理。系统硬件连接如图2所示。

图2 系统硬件的连接

2.3 Arduino系统控制软件及Android终端显示

Arduino系统控制软件使用类似Java.C语言的Processing/Wiring开发环境，由Arduino.cc官方网站提供了基于Eclipse的开源IDE软件开发环境，有免费的软件源码库和开发环境。BH1750FVI、SHT10、HC－06、电流和电压传感器等驱动Arduino都均有相应的代码库，可直接下载使用或可按需求进行修改使用。系统控制软件流程如图3所示。

图3 系统控制软件流程

Android终端是将接收到蓝牙通讯模块发送的数据信息进行显示，完成状态的实时显示与监测。Android智能终端拥有较大的数据存储空间和较强的计算能力，其拥有开放性、便携性、无缝网络通信、待机时间长等特点，可较好地满足移动巡检系统中对数据处理与通信的要求。运用Google Accessory Development Kit标准教程搭建开发环境［9］，数据处理与通信系统程序由3部分组成:后台服务主要完成线程执行与数据交互、状态监测、数据处理;用户界面是完成与用户的交互和相关传感器数据实时显示;数据持久则是存储相关状态信息并实现文件读写。其功能模块如图4所示。

图4 功能模块

3.4 硬件结构和安装设计

由于本巡检系统有多个部件连接到多媒体教室的强电部分线路，同时需在不影响正常教学活动中使用，因此硬件结构需独立于原来的教室中控系统，且需要具有安装方法灵活方便、抗干扰能力强、尽可能减少对原多媒体控制系统的依赖和影响。为此，巡检系统采用独立的全封闭的金属外壳，配置多个独立的供电插口用来采集各设备信息，在安装上仅取代原系统的电源插板，这样既可将强电部分线路进行封闭，且有效地提高干扰能力和安全性能。此外，还可方便灵活地植入原系统中，因此具备了进行建设成本低、可靠性高和实用性强等优点。硬件结构如图5所示。

图5 硬件结构

4 结束语

本文采用Arduino Mega 2560单片机作为系统控制，利用多个传感器采集多媒体教室设备的工作与环境信息，数据通过蓝牙通讯模块传送给Android智能终端，实现了不影响正常教学活动的巡检工作。由于系统采用开源的Arduino软硬件平台，因此在成本控制、可靠性、实用性等方面均有良好表现。在开发初期只在同一教学楼内10间教室内安装测试，系统运行半年基本稳定，达到了预定的巡检监测目标。但系统在测试的过程中也呈现出问题和不足:如功能较少，视频监控、信息共享等扩展功能未能加入;光照度传感器的安装位置和方式对采样数值影响较大;电压、电流数值变化较多且较快，给采集带来了误差;相邻教室蓝牙通讯的匹配区分;数据显示延时过长等，以上缺陷还需进一步改进。

［1］Arduino.Arduino［EB/OL］.(2013－05－15)［2013－11－15］http://zh.wikipedia.org/wiki/Arduino.

［2］Arduino.Android［EB/OL］.(2012－07－07)［2013－10－23］http://www.android.com.

［3］Arduino.Arduino ADK［EB/OL］.(2011－08－28)［2013－12－01］http://arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardADK.

［4］Yeelink.Yeelink API［EB/OL］.(2012－06－15)［2013－11－29］http://www.yeelink.net/develop/api.

［5］ROHM.BH1750FVI光强度传感器数据手册［EB/OL］.(2012－03－07)［2013－11－29］http://www.rohm.com.cn/web/china.

［6］SI.Sensirion SHT10数字温湿度传感器数据手册［EB/OL］.(2012－09－12)［2013－11－29］http://www.sensirion.com/en/home.

［7］ 北京新创四方电子有限公司.TVA1421小型精密交流电压电流通用互感器数据手册［EB/OL］.(2010－02－06)［2013－11－28］http://www.bingzi.com.

［8］ 朱洪涛，吴洪波，李铮.于Android平台的数据采集系统设计［J］.自动化与仪表，2013(3):113－117.

［9］Google.Accessory development Kit［EB/OL］.(2012－03－03)［2013－11－16］http://developer.android.com/tools/adk/index.html.