基于开源硬件的环境监测系统的设计与实现

吴波涛，孟晓静，孔金平

（1.中国卫星海上测控部 江苏 江阴214431；2.北京易地斯埃东方环境景观设计研究院有限公司 北京100015）

基于开源硬件的环境监测系统的设计与实现

吴波涛1，孟晓静2，孔金平1

（1.中国卫星海上测控部 江苏 江阴214431；2.北京易地斯埃东方环境景观设计研究院有限公司 北京100015）

为实现环境监测的自动化、实时化和网络化，设计了一种基于开源硬件的环境监测系统。将该系统架构设计为三层：感知层、网络层和应用层。感知层为基于开源硬件和传感器技术开发的智能终端，负责温湿度、PM2.5等环境数据的采集、封装处理和显示，并具备网络连接功能；网络层依托以太网传递监测数据；应用层采用Apache/Tomcat+Java+MySQL的B/S架构，实现数据的存储、分析和展示功能。运行结果表明该系统实时性好、数据采集精确、扩展性好，无线连网易于部署，可广泛应用于工农业、军事监测等领域。

开源硬件；智能终端；环境监测；B/S架构

工农业生产、商业活动和军事等领域对环境监测具有大量的需求。在摩尔定律的推动下，随着计算能力价格的下降和互联网、通信技术、传感器技术的发展，网络化、智能化的监测设备正越来越多地应用于人们的日常生活和工业生产中[1-3]。环境监测对数据的准确性、实时性有较高要求；根据其应用需求，往往要求监测系统的监测节点易于部署，采集的数据能够顺畅地传输，并且数据便于处理、获取和展示。为此本文开发智能化、网络化的环境监测系统，基于开源硬件和传感器技术开发智能终端，实现环境数据的采集和智能终端的网络连接功能，便于监测节点的广泛部署；开发基于Apache/Tomcat+Java+MySQL的B/S数据服务系统，便于数据的存储、分析处理、获取和展示。

1 环境监测系统的设计

为了降低系统开发的难度，并使系统具备良好的扩展性和通用性，将系统整体架构设计为3个层级[4-7]：底层感知层—基于开源硬件和传感器技术开发的智能监测终端，主要完成环境数据的采集、处理，同时具备网络连接功能，为便于监测节点的部署，同时具备有线和无线网络连接功能；第二层网络层—直接依托互联网/以太网传输数据，通过WiFi和以太网技术实现检测节点的泛在接入[8-10]；最顶层的应用层—搭建基于Apache/Tomcat+Java+MySQL技术的B/S架构数据服务系统，对数据进行存储、分析及展示[11-13]。系统的智能终端和应用层都具备超限报警功能，当监测到的环境数据如温湿度或PM2.5值超过设定值，则系统将发出声光告警，提醒相关人员及时处理。

系统三层架构中的网络层依托互联网或单位局域网传递数据，因此主要的设计和开发工作集中在感知层和应用层。系统感知层、应用层设计框图如图1所示。

图1 监测系统感知层、应用层设计框图

感知层以开源硬件Arduino UNO R3和树莓派为开发平台，通过Arduino丰富的硬件接口连接传感器，采集环境数据并实现数据的显示和声光告警功能；通过串口连接Arduino板与Raspberry Pi板，将Arduino采集的数据传递给Raspberry Pi板；Raspberry Pi通过无线网络扩展模块以无线模式经以太网上传数据至数据库服务器或监控端。感知层的智能终端可大量部署并通过以太网组网，最终形成监测网络。

应用层部署MySQL数据库服务器，存储监测数据；Apache/Tomcat服务器实现对数据的处理、分析，并通过可视化技术和Ajax技术实现数据的可视化展示，实现数据实时展示、历史数据查询和数据分析功能[14-15]。此外，开发C#或MFC的窗口监测终端软件，同样实现上述功能和告警信息展示、合成语音告警功能，给用户更多选择。

2 感知层硬件设计

感知层以智能监测终端为主体，该监测终端主要包含Raspberry Pi和Arduino UNO控制板、DHT11温湿度传感器、SHARP GP2Y1010AU0F光学粉尘传感器、数字蜂鸣器、LED灯、1602LCD显示器和WiFi扩展模块。Arduino与传感器、LED、LCD及蜂鸣器电路图如图2所示，智能终端硬件原型实物图如图3所示。Arduino UNO板通过串口转USB与Raspberry Pi板USB口连接，通过串口协议通信；Raspberry通过网络扩展板实现无线网络连接功能，同时其本身具有10/100以太网接口。

2.1 控制板

控制板采用Raspberry Pi+Arduino UNO板，其中Raspberry Pi板采用ARM11架构CPU，工作频率达700 MHz，内存512 MB，具备强大的计算能力，采用SD卡作为存储介质，系统可运行基于Linux的Raspbian操作系统，具有图形化桌面系统，方便编程及操作，同时具备多个GPIO、USB接口和10/100以太网接口，可直接接入以太网，利用EP-N8508GS无线网络模块可接WiFi。Arduino UNO控制板采用ATMega328控制器，工作频率16 MHz，拥有GPIO、I2C、SPI、UART等接口，满足多样化硬件接入需求，可连接多样化的传感器。

图2 智能监测终端数据采集部分电路图

图3 智能硬件终端原型实物图

2.2 温湿度传感器

文中采用DHT11温湿度传感器采集环境温湿度数据。DHT11集成了温度、湿度传感器和一个8位的微控制器，实际使用中接3根引脚（电源引脚、数据引脚、接地）即可工作，通过数据引脚输出经校准的数字信号，具备高的可靠性和稳定性，采用单总线串行接口与微处理器通讯，系统集成便捷。连线长度小于20 m时可连接5 kΩ上拉电阻。

2.3 光学粉尘传感器

采用SHARP GP2Y1010AU0F传感器，检测空气粉尘颗粒。该传感器是光学空气质量传感器，包含一个红外发射二极管和光学传感器。该传感器功耗低，根据空气中的粉尘密度输出模拟电压值，敏感度达0.5 V/0.1 mg/m3。

3 软件设计

环境监测系统的软件部分根据前文的架构设计可以分为智能终端部分和应用层部分，智能终端部分实现环境数据的采集、解析、显示、告警、封装和上传，应用层部分实现数据的存储、分析和显示告警等功能。系统总体软件流程设计如图4所示。

3.1 温湿度传感器

DHT11传感器每一次传递的数据含40位，一次传输的数据包括8位湿度值整数部分、8位湿度小数部分、8位温度整数部分、8位温度小数部分、8位校验和。DHT11传感器数据引脚默认为高电平，Arduino与DHT11传感器开始通信时，由Arduino向DHT11传感器发送一个至少18 ms长的低电平信号作为“开始信号”，之后 Arduino 输出 20～40 μs的高电平等待DHT11传感器的响应。DHT11传感器在检测到开始信号之后，在数据引脚输出持续80 μs的低电平信号作为 “响应信号”，之后输出持续80 μs的高电平准备发送数据。数据传送期间，每一位数据的发送以50 μs的低电平开始，之后持续一段时间的高电平。高电平持续的时间决定该位数据是“0”还是“1”。 若高电平持续时间为 26～28 μs，则数据位为“0”；若高电平持续时间为70 μs，则数据位为1。Arduino读取DHT11数据程序设计如图5所示。

图4 系统软件设计流程图

图5 Arduino读取DHT11数据程序设计

3.2 粉尘传感器

每次测量开始后传感器触发红外管发光，并由光学传感器捕获，如果光被灰尘遮挡则会引起PWM波形的高低变化，经过外部220 μF电容平滑方波，形成可被测量模拟波形，传感器输出模拟电压值。由传感器输出模拟电压值与灰尘密度关系曲线，可拟合出Arduino读取的模拟电压voMeasured与灰尘密度的线性关系式：

calcVoltage=voMeasured*(5.0/1024.0)

dustDensity=0.172*calcVoltage-0.099

dustDensity=0.172*voMeasured*（5.0/1024.0）-0.099

其中，calcVoltage为实际电压值，由Arduino读取的模拟电压值voMeasured转换得到。

应用层客户端网页运行效果如图6所示，可实时展示检测网络各节点数据采集情况和查询历史数据。

图6 应用层客户端网页运行效果图

4 结束语

文中设计了一种基于开源硬件的环境监测系统，实现环境监控的自动化、实时化、网络化。该系统 分为感知层、网络层和应用层，感知层为基于开源硬件和传感器技术开发的智能终端，实现环境数据的采集、上传、实时显示和告警功能；应用层采用B/S架构，实现数据的存储、分析和查询、展示功能。系统易于网络化部署、可扩展性强，可广泛应用于多个领域的环境监测，实际部署使用效果良好。

[1]雷文礼，任新成，曹新亮.基于单片机的自动气象监测系统的设计与实现[J].现代电子技术，2015，38（19）:121-124.

[2]张冬林，李鑫，戴梅，等.基于 DHT11的低成本蚕室温湿度自动控制系统的设计[J].现代农业科技，2010（18）:14-15.

[3]曾晓英，姜虹，罗朝斌，等.温湿度对普通蚕品种吐平面丝成绩的影响 [J].贵州农业科学，2009，37（5）:126-127.

[4]Chang K D，Chen C Y，Chen J L，et al.Internet of things and cloud computing for future internet[C]//Security-Enriched Urban Computing and Smart Grid.Springer Berlin Heidelberg，2011:1-10.

[5]GUBBI J,BUYYA R,MARUSIC S,et al.Internet of Things (IoT):A vision,architectural elements,and future directions [J].Future Generation Computer Systems,2013,29(7):1645-1660.

[6]黄玉兰，物联网概论[M].北京：人民邮电出版社，2011.

[7]ITU-T Y.Overview of ubiquitous networking and of its support in NGN[J].ITU-T Recommendation,2009.

[8]常英亮.基于嵌入式 Linux的物联网网关研究与实现 [D].北京：北京交通大学，2014.

[9]CHEN H，JIA X，LI H.A brief introduction to IoT gateway[C]//IET International Conference on Communication Technology and Application（ICCTA 2011），2011:610-613.

[10]Zahariadis T B，Trakadas P，Leligou H C，et al.Securing wireless sensor networks towards a trusted"Internet of Things"[C]//Future Internet Assembly，2009:47-56.

[11]Song B，Zhang Y，Zhou C S.Implementation on network teaching system based on Java EE architecture [C]//Information Technology and Computer Science （ITCS），2010 Second International Conference on.IEEE，2010:227-231.

[12]Guinard D.A web of things application architecture-Integrating the real-world into the web[D].ETH Zurich，2011.

[13]吴振宇.基于Web的物联网应用体系架构和关键技术研究[D].北京：北京邮电大学，2013.

[14]Roalter L，Kranz M，Möller A.A middleware for intelligent environments and the internet of things[C]//Ubiquitous Intelligence and Computing.Springer Berlin Heidelberg,2010:267-281.

[15]Luo J，Chen L，Chen L.A tactic agent middleware in wireless sensor networks based on associative monitoring scheme[J].International Journal of Digital Content Technology& its Applications,2011，5（11）.

Design and implementation of environment monitoring system based on open source hardware

WU Bo-tao1，MENG Xiao-jing2，KONG Jin-ping1
（1.China Satellite Maritime Tracking and Control，Jiangyin 214431，China； 2.Beijing EDSA Orient Ltd.，Beijing 100015，China）

To realize an automatic，real-time and networking environment monitoring system，a monitoring system based on open source hardware is designed，whose architecture contains three layers，sensing domain，network domain and application domain.The sensing domain consists of intelligent terminals based on open source hardware and sensors，which measures environment data of temperature，humidity and PM2.5，and packages，analyzes，displays data，and also has network connection function.The network domain is based on Ethernet to transmit data.The application domain is based on B/S architecture of Apache/Tomcat+Java+MySQL to implement functions of data storage，analysis and display.The system has the feature of real-time，high accuracy of data measuring，good extensibility，and easy for deployment due to its wireless network connection function.The system can be widely applied in environment monitoring of agriculture，industry，military and many other fields.

open source hardware；intelligent terminal； monitoring system； B/S architecture

TN871

：A

：1674－6236（2017）14-0167-05

2016-05-20稿件编号：201605196

吴波涛（1987—），男，江西南城人，硕士，工程师。研究方向：自动控制、物联网。