基于Android终端的便携式温湿度监测警示系统设计

刘建国，严利雄，向官腾，常聚忠

（国网湖北省电力有限公司检修公司，湖北 武汉 430050）

0 引言

在电力检修运维的过程中，温度与湿度的检测和控制是安全保障的重要环节。变压器、GIS等变电（换流）站主设备开盖或解体时对温湿度有严格的限制条件，现场施工过程中若出现湿度超标时违规冒险施工，极易导致设备本体内部受潮，影响设备正常投运，带来负面影响，严重者可能会导致设备投运后故障、非停等问题。因此，实时监测现场工作环境的温湿度，保障工作环境合格，可以有效避免温湿度异常带来的负面影响，从而保障设备的正常使用及使用寿命。

由于电力施工现场设备类型多，施工条件复杂，温湿度环境监测点的位置选取对监测效果有重要影响，需要监测设备具备良好性能与可移动性。目前大多数温湿度监测装置都能实现数据的实时采集与处理功能，但装置往往具有体积大、可视化低、功能少、移动性差等缺点。本文设计了一种基于Android终端的便携式智能温湿度监测警示系统，其脱离了插线电源，能放置于电力施工现场各个监测位置，实现温湿度数据的实时采集显示、曲线分析、多途径告警等功能，解决了传统装置的不足，为作业现场的安全提供更加便捷智能的保障[1]。

1 系统总体架构及功能设计

便携式智能温湿度监测警示系统是一种由硬软件结合的多功能装置，其物理结构仅由Android终端、传感器与硬件电路构成并组装成整体，具有体积小、重量轻、能耗少、移动性好的优点。按功能架构可分为数据采集层、传输层和表达层三层结构[2]，如图1所示。

图1 系统总体架构及功能设计图Fig.1 The overall architecture and functional design of system

该装置放置于现场，实时温湿度连续监测记录，自动生成温湿度曲线，并带有影像记录和存储功能，方便查看和调用，能够直观、清楚地观察出温湿度的变化趋势，有利于温湿度的预测；数据存储功能可以用于分析总结温湿度变化的规律，做出相应的预防和应对措施。出现温湿度异常或超范围时，能够发出声音警报并弹出醒目的红色吊牌指示，警示现场立即停工采取有效措施，同时通过点对点（或多点）向指定负责人发出短信提醒，规范现场作业，做到责任可追溯，同时减轻现场人员工作量。

2 数据采集层设计

数据采集层主要完成现场温湿度数据的实时采集与格式转换，该层主要由温湿度传感器、单片机控制模块和电源模块构成，采集层设计思路如图2所示。

图2 数据采集层逻辑设计图Fig.2 Logical design of data acquisition layer

2.1 温湿度复合传感器模块

为了提高装置便携性，本文采用了DHT11温湿度复合传感器，该传感器由电阻式感湿单元和NTC测温单元构成，能与一个高性能8位单片机连接，具备响应快速、稳定性强、信号传输距离远等特点。

当收到单片机传发的采集信号后，首先传感器由低耗待命模式转为高速响应模式，开始采集数据，然后将采集到的数据发送给单片机，单片机通过计算将处理后的数据通过蓝牙指令发送至Android终端，传感器再次进入低耗模式，这样便进行一次完整采集，整个通讯过程耗时5 ms左右。数据采集为40 bit二进制格式，包含16 bt湿度数据、16 bt温度数据与8 bit校验数据[3]。

2.2 单片机控制模块

为了适应上述符合传感器输出接口，在控制电路中采用的是目前比较流行的Arduino UNO R3控制板，该板拥有高分辨率的AVR ATmega 328型8位数模转换芯片，14个基于USB接口的数字I/O口，以及6个10bit的模拟输入脚，开发人员可以通过USB接口快速更新程序[4]。该系统中，控制模块主要对传感器采样进行信号控制，并将传入数据进行计算，将二进制数据转换成在Android终端内读取的十进制格式，同时，该模块具备识别终端蓝牙设备及数据加密运算功能，采集数据在进行非对称算法加密后通过蓝牙模块将数据发送至Android终端。

2.3 电源模块

由于该系统中Android终端自带电池，故电源模块只需对数据采集层中硬件进行供电。传感器模块和单片机控制模块设计中均考虑了间歇响应，因此耗电量基本很小，为达到便携式效果，此处采用多节CR2032纽扣电池作为直流输入源，并利用78L05型与AS1117型电源稳压芯片进行降压稳压。78L05型稳压芯片稳压后的输出电压为5 V，可为控制模块及传感器模块供电，AS1117型电源稳压芯片稳压后输出电压为3.3 V，可为蓝牙通讯模块供电。

3 数据传输层设计

目前大多数设备数据传输采用的是无线WIFI技术或蓝牙技术，前者传输距离远、传输容量大、支持一对多传输，但其能耗也大，连接较为繁琐，并需要单独网卡和路由器设备。在本系统中传感器、控制板与Android终端直接封装，数据传输距离非常短，容量小，且使用纽扣电池作为电源，故本数据传输层采用简单快速的蓝牙通讯，其支持近距离、小容量、低能耗的点对点传输。蓝牙模块采用TI CC2540/1芯片，可以同各种带蓝牙功能的移动终端配对，配置256 KB空间，支持AT指令，兼容3.3 V单片机系统，可以很方便与系统进行连接，使用非常灵活、简单。采集数据以广播包的形式通过蓝牙传入Android终端，广播包中加入了MAC地址，方便用统一MAC地址在Android设备上识别。

考虑到蓝牙传输的安全性，本文提出一种安全传输方案，即在数据采集完毕后，首先将搜寻到Android终端的基本信息（包括终端识别码、应用程序ID及终端蓝牙MACp）通过蓝牙发送至控制模块并进行匹配，验证该终端和程序的合法性，若不匹配则断开其连接，若匹配则反馈握手信息（即同意将数据发送至对应终端设备的信息），并利用控制模块ID及时间动态生成AES密钥于采集数据前，故传输的数据应为“密钥+40bit数据”格式，最后在Android终端应用程序中进行解密运算后得到有效数据。本系统采用的终端识别码为终端设备通讯号，应用程序ID为程序标识码，终端的基本信息均提前录入至控制模块方便每次匹配。

4 数据表达层设计

表达层功能流程设计如图3所示。

图3 App软件功能及流程设计图Fig.3 App software function and process design

表达层的载体为带有4G通讯卡的Android设备，核心在于Android APP界面、功能及接口开发。本系统采用基于Java的Eclipse可拓展开发平台进行Android软件开发，相关模块界面（身份确认界面、报警参数设置界面、生成报告界面、数据记录界面）如图4中各分图所示，该软件在接收蓝牙传入的数据后进行简单处理并存储于Android设备内存后，以实时数据和曲线的形式显示，并与信息、微信、百度地图、拍照等APP建立接口，通过调用实现相应报警功能[5]。

图4 系统软件各模块界面设计图Fig.4 System software interface design of each module

4.1 数据记录与表达功能

本系统可以实现实时温湿度连续监测记录，自动生成温湿度曲线，实现现场监控管理。工作人员可以随时查看现场数据或者曲线图，明确当前环境是否可以工作。同时能够根据得到的温湿度曲线，预测接下来一段时间内的温湿度，提前做好防范措施。

4.2 软件后台自启动功能

为保证温湿度数据记录全面，软件使用后台自启动技术自动读取温湿度数据并使用文件记录。Android系统提供了很多Broadcast广播，用于获取系统的状态。当软件接收到本系统的启动广播时，软件的Receiver类开始运行，后台开始记录温湿度数据。要实现这个功能，需在AndroidManifest.xml文件中注册广播接收器，并配置权限。

4.3 定位功能

本系统使用百度地图的开放接口，采用GPS与基站定位相结合的方式，当信号强时优先采用GPS定位，当GPS信号弱时使用网络基站定位，这样增强了定位的准确性并扩大了定位功能的使用范围。通过调用百度地图接口，利用定位系统自动获取GPS坐标信息和时间信息，现场拍摄的照片上有GPS信息和时间信息水印，报告中也会包含GPS坐标和时间。

4.4 拍照功能

本系统带有影像记录功能，拍照记录负责人照片，作为记录存档。开始工作前拍摄照片发送给负责人，确认身份。工作过程中定时拍摄现场照片，并推送至微信群。工作结束后将拍摄的负责人照片和现场照片自动整理成报告存档。

为实现该功能，首先需要注册调用相机的权限，要将拍摄的照片进行存储还需要注册读写存储器权限，通过Android API中OpenCamera函数方法打开相机设备，通过Parameters函数设置拍照的参数如亮度、对比度、闪光灯等，调整拍摄的照片。最后拍摄照片，生成图片文件并存储。

4.5 报警功能

该功能主要实现当温湿度数据异常时，除了设备屏幕上显示告警图像和发出警报，还将异常信息通过4G网络发送到现场或相关人员的手机上。图像和声音报警在软件层可以很容易实现，但在Android系统下，告警信息的发送是一个难点，因为系统是采用后台服务的方式来发送，因此不能调用Android的界面，必须先构造出要发送的内容，即构建一个pdu，并要把需要的类从Android源码的MMS应用包中复制出来[6]。

当异常数据产生时，本系统通过调用信息程序，通过点对点（或多点）向指定负责人发出短信提醒，同时调用微信程序，发送告警信息至微信群，规范现场作业，整个过程软件可自动完成，无需人工操作。其中，微信不提供开放接口，需要人工编译实现。

由于使用的4G移动通信本身安全性较高，报警信息传输在此基础上也设置相应安全机制，在短信通讯中，首先采用非对称加密交换信息，利用密钥进行通信过程中信息的加密和解密，为了保证消息在传递过程中没有被篡改，使用加密Hash编码来确保信息的完整性。在报警信息微信传播的安全方案中，主要是使用了微信的消息交互方式以及生成签名的方式进行加密，本系统中把报警信息的MD5值也参与到了签名运算中，增加了被仿冒的难度。

4 系统功能实现

将调试机器首次运用于湖北某变电站检修大厅现场进行功能测验。设置传感器温度分辨率1℃，湿度分辨率1%RH；温度量程0-60℃，湿度量程0-95%RH；精度温度+-2℃，湿度+-5%RH，系统采样频率为10 min/次，设置温度正常范围0-50℃，湿度正常范围20-80%RH，现场首先为硬件电路板安装纽扣电池，使得传感器红色指示灯常亮，然后打开软件搜索蓝牙设备，搜索到设备后选择连接，连接成功后传感器蓝色指示灯常亮，如图5所示，采集数据以数字和曲线形式显示于屏幕。用专业温湿度检测设备对最后一次采样环境进行测试，得到湿度和温度值分别为37.6%与29.6℃，说明该系统温湿度测量误差较小。

图5 数据实时采集界面及现场工作采集照片Fig.5 Real-time data acquisition interface and field work image

图6 屏幕报警提示及短信报警信息图Fig.6 Screen alarm prompt and SMS alarm information diagram

人工改变环境湿度至89%测试报警功能，图6中屏幕显示出报警图样，现场发出“滴”急促报警音，并进行现场拍照，标记有现场定位信息，且先前设置的联系人收到报警短信与微信提醒，说明该系统异常数据报警功能正常，达到设计要求。

5 结语

本文结合计算机技术、传感器技术及蓝牙技术，设计了便携式智能温湿度监测警示系统，该系统体积小，方便使用与携带，能够实时监测温湿度，并绘制温湿度曲线，并带有报警提示功能，能够发送定位信息迅速确定温湿度异常地点，为电力现场施工提供一个简单可靠、安全经济的温湿度监测平台，对现场作业安全评估提供有效支撑，具有较高的应用价值。

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[1]黎才添.变电站设备无线温度监测系统的研究与应用[D].华南理工大学,2015.LI Caitian.The research and application of temperature wireless observation system in substations[D].South China University of Technology,2015.

[2]毛敏.基于Arduino和LabVIEW的温湿度监测系统设计[J].工业仪表与自动化装置,2017,(02)：84-87.MAO Min.Designoftemperatureand humidity monitoring system based on Arduino and LabVIEW[J].Industrial Instrumentation&Automation,2017,(02)：84-87.

[3]王登宏,厉佳男,贺雪辉,等.基于Arduino的手机同步显示温湿度检测系统的设计与实现[J].工业控制计算机,2016,29(07)：42-43，45.WANG Denghong,LI Jianan,HE Xuehui,et al.Temperature and humidity detection system for mobile phone synchronous display based on Arduino[J].Industrial Control Computer,2016,29(07)：42-43,45.

[4]吴年京,黄波,张汗聪,田兴发.基于Android手机平台的远程温度查询系统[J].数字通信,2013,40(03)：88-90，94.WU Nianjing，HUANG Bo，ZHANG Hancong，et al.R emote temperature monitoring based on android mobile platform[J].Digital Communication,2013,40(03)：88-90，94.

[5]邹峥嵘.一种智能手机获取监测环境温度、湿度的实现方法[J].电子产品世界,2015,22(06)：63-66.ZHOU Zhengrong.The method of monitoring ambient temperature&humidity by smart phone[J].Qutlook of Electronic Technology,2015,22(06)：63-66.

[6]韩凯.温度湿度检测控制仪的设计与实现[D].吉林大学,2015.HAN Kai.A design and implementation of measure and control module of temperature and humidity[D].Jilin University,2015.