物联网中基于Wifi和Android平台的温度监测系统的开发

潘晔

[摘 要]在通信、互联网、传感器等技术的推动下，能够实现人与人、人与机器、人与物以及物与物之间直接沟通的全新网络架构——“物联网”正在普及。本文旨在构建一种“智慧物体”（Things of Intelligence，TOI）模型，它是物联网中的主体元素，这种TOI不仅具有智能的传感器及无线通信模块，而且结构简单、便捷连入互联网中。串口无线技术（Uart-Wifi）是实现此模型的关键技术，此技术的应用，在“物”与“互联网”之间搭建了经济、便捷的桥梁，实现了“物”与“互联网”间信息发送和共享，同时对“物”即时监测与控制。本文以Android系统下的智能终端监测物体或其周围环境的温度为例，研究以串口无线技术为通信手段的“智慧物体”模型，开发此模型下如何应用智能设备（手机等）对其软硬件进行监测与控制的技术和方法。

[关键词]串口无线;安卓应用;智慧物体;Socket

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2015.11.037

物联网作为新兴的物品信息网络，其应用领域很广，其中，对于物品温度及周围环境温度的监测与控制最为广泛，包括农业大棚测温、弹药库测温、高炉水循环测温、机房温度管理、物品冷藏仓库及其流通等方面。在这些测温的系统中要求集中管理、实时管理，实现管理的网络化和智能化，但存在测温物体本身的限制、地理环境的限制、网络环境限制及开发成本等的限制，使这种智能化的推广很难向中低端应用普及。

物联网中智能设备的应用存在两大核心要素，第一是构造“智慧物体”（TOI），即具有感知能力（感知温度、湿度、压力等）和自我识别能力（标识，定位）及信息传输能力的物体;第二是易于通信的手段。因此，在设计方案、实施开发的过程中，把握智慧、互联、移动及兼容的特点，设计一种易于维护、易于融合的方案和产品便是本文本的宗旨。

1 温度监测系统的结构框

2 系统开发的软件环境及硬件要求

2.1 系统中所涉及的硬件功能及参数

2.1.1 串口无线模块（Uart-Wifi）

Uart-Wifi 是基于Uart接口的符合Wifi无线网络标准的嵌入式模块，内置无线网络协议IEEE802.11协议栈以及TCP/IP协议栈，通过Uart-Wifi模块，传统的串口设备能轻松接入无线网络。接口类型：通用串口、Uart接口、SPI接口。通过Uart/SPI直接接入单片机的IO引脚上，实现数据通信。这种无线模块嵌入物体中或环境中，使物体和环境可以直接连入网络中，进行数据通信（见下表）。体积不会超过一个火柴盒大小，价格十几元左右。

2.1.2 单片机（MCU）：STC89C52RC

STC89C52RC是采用8051核的ISP（In System Programming）在系统可编程芯片，最高工作时钟频率为80MHz，片内含8K Bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器，器件兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，具有在系统可编程（ISP）特性。具有通用异步串行口（UART），单片机能通过此接口与串口无线模块连接。

2.1.3 数字温度传感器DS18B20

DS18B20数字温度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合。封装后的DS18B20可用于，锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，冷藏库测温等各种场合。耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条DQ引脚即可实现微处理器与DS18B20的双向通信。测温范围 -55℃～+125℃。

2.1.4 智能设备

安卓系统下的各种平板及手机（本系统测试用SAMSUNG I9100）。

2.2 软件开发、测试集成环境

2.2.1 单片机、无线串口、温度传感器驱动开发集成环境Keil C51

Keil C51是51系列兼容单片机C语言软件开发系统。

2.2.2 Android平台下APP开发环境

APP（应用程序，Application的缩写），Android平臺下APP开发语言是JAVA，所以使用eclipse集成开发环境，是一个开放源代码的、基于Java的可扩展开发平台。

3 温度监测系统中各单元之间的通信方式

3.1 Andriod手机与单片机的通信方式

采用基于 AP（无线访问接入点）组建的基础无线网络，这种类型的网络的特点以AP为整个网络的中心，网络中所有的通信都通过 AP 来转发完成。将串口无线模块网络设为服务器模式，IP：192.168.2.1，端口：8000，设置串口无线模块网络SSID（无线网络名称）为“uartwif”，同时启用DHCP。手机WLAN设为串口无线网“uartwifi”，获取动态IP地址（如：192.168.2.2）。

3.2 单片机与数字温度传感器DS18B20的通信方式

图2 单片机与数字温度传感器DS18B20的通信方式

4 软件中监测、通信的算法实现

4.1 Andriod APP中通信算法

（1）通信类TcpSocket设计。网络上的两个程序通过一个双向的通信连接实现数据的交换，这个双向链路的一端称为一个Socket。Socket通常用来实现客户端和服务端的连接。本例中使用JAVA提供的Socket技术来设计一个用于通信的TcpSocket类，进行数据通信双方的连接、发送与接收。

图3 TcpSocket类的实现

（2）算法实现（见图3）：

第一，通信类初始化TcpSocket（“192.168.2.1”，8000），并与单片机连接;

第二，使用sendMessage（byte[]）方法发送查询数据0x02和0xFF;

第三，使用readMessage（byte[]）方法接收单片机返回的温度数据。

4.2 单片机发送温度信息算法

（1）串口初始化：void Serial_Reg（u8 BaudRate）。

（2）接收串口信息（UART接收中断程序）：void Serial_Interrupt（）interrupt 4;if（（Buf[0]==0x02）&&（Buf[1]==0xFF））//通过查询是否为0x02和0xFF来返回温湿度采集值。

（3）发送温度至串口缓冲区buf：void UART_SendData（u8 *data_buf）//串口发送数据。

4.3 单片机读取数字温度传感器算法

Void ReadData（void），功能描述： 温度读取子程序。

5 物联网中“智慧物体”模型的建立

在上述对物联网中物体环境温度监测的系统设计中会发现，此类应用中存在几个要素：第一，感知模块（传感器）;第二，通信模块（Uart-Wifi）;第三，数据处理模块（单片机MCU）。只要将三者有机集成在一起，嵌入到物体中，就成为网络中的“智慧物体”。TOI通过传感器实时采集自身及环境的各种属性，在MCU协调控制下进行数据的处理，并利用通信模块将信息发布到互联网中，实现信息的分析、共享、监控（见图4）。

图4 “智慧物体”模型

6 结 论

系统中的传感器选择了数字温度传感器，如果将其换为其他传感器，如湿度、压力、气体等传感器，则可以设计出更多的监测控制系统，同时集成流行的APP应用，通过Wifi方式快速、简单地接入Internet，并充分利用当今互联网的先进技术与手段，彻底地将被感知物体融入到人们的互联网生活中，与网中的人一样平等，这样互联网的主体对象不断增加、应用范围不断扩大，那时物联网即是互联网，互联网即是物联网。