基于安卓手机的环境信息采集传输系统设计与实现

张 强，郑 昊

（中国电子科技集团公司第十五研究所，北京100083）

基于安卓手机的环境信息采集传输系统设计与实现

张 强，郑 昊

（中国电子科技集团公司第十五研究所，北京100083）

利用蓝牙无线传输的便利性和互联网传输数据的灵活性，采用安卓手机作为数据汇集与上传中心，使用nRF51822作为数据采集终端控制与蓝牙传输中心，DHT11作为温湿度采集模块，同时利用手机采集图片和GPS信息。安卓手机通过蓝牙连接nRF51822芯片，接收到环境数据后将其打包，通过互联网发送到远程服务器端，可将结果通过微信公众号或网页在客户端上进行分析与展示。数据采集终端采用蓝牙4.0低功耗芯片nRF51822，使用两节5号电池即可工作半年以上。此设计满足了环境采集传感器的实用性和可移动性。

物联网；数据采集；低功耗蓝牙；安卓；互联网

物联网通过智能感知、识别技术与普适计算等通信感知技术，广泛应用于网络的融合中，也因此被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。利用物联网技术监测环境信息是解决环境问题的第一步。其中，监测设备、网络通信、数据库管理与应用或网站的数据处理显示组成此监控系统。硬件与软件的发展，推进着环境监控向着完善前进。

很多学者使用Zigbee模块和单片机网关的组合实现环境信息采集与传输[1-4]，其中单片机网关的设计较为复杂，并且无法给用户提供便捷的操作体验。还有学者采用单片机模块、蓝牙模块实现环境数据的采集与传输，安卓手机作为客户端连接蓝牙芯片进行环境数据的展示[5-9]。但是由于蓝牙传输的近距离限制，这样的设计无法满足环境数据的远程展示与分析。

文中针对环境数据的采集与传输，兼顾其便利性与实用性，采用安卓手机作为传输网关，使用蓝牙4.0作为近距离通信技术，采集温湿度、烟雾、光照、图片、经纬度、地磁强度等信息，并通过互联网传输到远程服务器，便于后续的数据展示。

1 系统功能与架构

1.1 系统功能设计

此系统包含4大功能模块：1）nRF51822驱动环境传感器采集环境数据；2）nRF51822通过蓝牙将环境数据传输到安卓手机。3）安卓手机利用自身的传感器采集环境信息。4）安卓手机通过互联网将数据传输到服务器端。

1.1.1 nRF51822采集环境数据

利用nRF51822的传感器驱动能力，驱动温湿度传感器DHT11采集温湿度信息，驱动烟雾传感器mq-2采集烟雾信息，驱动光传感器采集光照信息。

1.1.2 蓝牙传输

nRF51822搭配低功耗蓝牙4.0芯片，通过在安卓手机上编写蓝牙连接程序可以使用安卓手机发现并连接到nRF51822。安卓端程序通过预先初始化蓝牙连接，可以通过轮询来获得每个nRF51822采集的环境数据。

1.1.3 安卓手机采集环境信息

目前市面上的安卓手机普遍带有摄像头、全球定位系统（GPS）、电子罗盘等传感器，通过编写安卓程序，可以获得图片、经纬度、地磁强度等环境信息。

1.1.4 互联网传输

安卓手机可以通过安装的手机卡所提供的GPRS功能或者通过无线局域网功能访问互联网。安卓端和服务器端约定好数据传输格式和传输接口，通过互联网，可以将通过蓝牙接收到的环境数据和自身采集的环境数据发送到服务器端进行存储保存。

1.2 系统架构设计

本系统依据不同协议的数据传输分为三层架构，总体架构如图1所示。

图1 环境数据采集传输系统架构

数据采集终端由nRF51822、dht11温湿度传感器、mq-2烟雾传感器、光传感器组成，通过蓝牙连接到安卓手机。安卓手机端，通过定时轮询，可以连接多个数据采集终端。安卓手机接收到环境数据后，与自身采集的图片等数据使用http协议通过互联网传输到服务器端。

2 环境数据采集的实现

2.1 环境数据采集终端的硬件实现

环境数据采集终端由nRF51822模块、DHT11温湿度传感器、MQ-2烟雾传感器、光传感器组成，通过编写运行在nRF51822上的程序，可以驱动DHT11、MQ-2、光传感器采集环境数据，并能驱动蓝牙连接模块，进行环境数据的蓝牙传输。

2.1.1 nRF51822硬件电路

nRF51822是芬兰NORDIC公司研发的蓝牙4.0低功耗通信芯片，其搭配有32位的ARM Cortex M0处理器，一个32位定时器，两个16位定时器，31个gpio引脚，支持4路PCM输出[10-11]，电路图如图2所示。

2.1.2 DHT11硬件电路

DHT11是一款有已校准数字信号输出的温湿度传感器。精度湿度+-5%RH，温度+-2摄氏度，量程湿度20～90RH，温度0～50摄氏度。其与nRF51822连接电路图如图3所示。DHT11的数据输出端口连接到nRF51822的口相连接。

2.1.3 MQ-2与光传感器硬件电路

MQ-2烟雾传感器与光传感器都是通过AO（模拟输出）口输出模拟值。MQ-2连接nRF51822的模拟量输入口，光传感器连接nRF51822的模拟量输入口。

2.2 终端数据采集的软件实现

2.2.1 终端开发运行环境

nRF51822搭配有ARM Cortex M0处理器，通过对nRF51822编写程序，可以驱动环境传感器采集数据。nRF51822的开发环境有keil5.13.0.0、Jlink4.96d、nRFgoStudio1.17.1、nRF51SDK6.1.0、SoftDevice7.1.0。Nrf51SDK提供了nRF51822的接口，keil用来编写和调试程序，Jlink是烧录驱动，nRFgoStudio用来烧录程序到nRF51822，SoftDevice烧录到nRF51822中用来驱动蓝牙4.0。

烧录程序时，使用Jlink仿真器连接nRF51822和电脑后，打开nRFgoStudio，首先烧录SoftDevice，然后烧录编译后生成的二进制程序。

图2 nRF51822电路图

图3 DHT11连接nRF51822电路图

2.2.2 采集温湿度

DHT11芯片内置控制器，通过单总线实现双向通信。首先，主机发送开始信号，DHT11等待主机开始信号结束后，开始采集温湿度信息，然后将40 bit的数据传输到主机，数据格式为8 bit湿度整数数据+8 bit湿度小数数据+8 bi温度整数数据+8 bit温度小数数据+8 bit校验和[12-14]。

整个通讯过程如图4所示

图4 DHT11通信时序

nRF51822向DHT11发送开始信号的代码如下：

2.2.3 采集烟雾浓度和光照强度

MQ-2和光传感器的输出为模拟值，nRF51822通过读取模拟值后，根据模拟值与烟雾浓度和光照强度的转换关系，可以将模拟值转换为浓度值和强度值。nRF51822读取模拟数据的代码如下：

2.3 安卓手机端环境数据采集的软件实现

2.3.1 安卓开发环境

开发环境由带有摄像头、GPS、电子罗盘的安卓手机、JDK1.8、AndroidStudio2.2.0.0组成，其中安卓手机中操作系统版本为Android5.0.2。其中，安卓手机运行编写好的软件采集环境信息，JDK提供java开发环境，AndroidStudio用来编写、编译、安装程序到安卓手机。

2.3.2 安卓端实现数据采集

程序需要使用摄像头、GPS、电子罗盘、SD存储卡模块，需要首先在Android的清单文件中添加使用权限。在程序中调用Andoid SDK提供的摄像头接口拍照，然后将照片存储到SD存储卡中，调用GPS接口获得经纬度位置信息，调用电子罗盘接口获得地磁强度。编写好程序后，安装到安卓手机上进行调试。

3 环境数据传输的实现

3.1 蓝牙数据传输

3.1.1 蓝牙4.0概述

蓝牙技术联盟（Bluetooth SIG）2010年7月7日宣布，正式采纳蓝牙4.0核心规范（Bluetooth Core Specification Version 4.0）。蓝牙4.0技术拥有极低的运行和待机功耗，使用一粒纽扣电池甚至可连续工作数年之久。

蓝牙4.0规范定义了通用访问协议（Generic Access Profile，GAP）和通用属性协议（Generic Attribute，GATT）。GAP负责发送广播，建立连接，初始化设别等通信准备工作，GATT负责链接后的数据通信[15-16]。

3.1.2 蓝牙数据传输的实现

nRF51822做为从设备，进行广播，当接收到连接请求后，建立连接，获得连接建立成功事件后，开始驱动传感器采集环境数据，然后将环境数据发送给安卓手机，当获得连接断开事件后，nRF51822进入低功耗，等待下一次的连接。安卓手机首先需要做一次初始化连接，初始化连接的目的是记录后续待连接的nRF51822的物理地址（Media Access Control，MAC）。然后设置一个定时器，定时读取已存储的蓝牙MAC地址，连接蓝牙设备，读取环境数据后断开连接。

3.2 互联网数据传输

安卓手机通过蓝牙获得采集终端传输的环境数据和自身采集的环境数据后，需要通过互联网将数据发送到服务器端，由服务器存储处理。安卓手机通过http协议的post方法，将数值型环境数据和标识符组成键值对，作为传输参数通过一次请求传输到服务器。代码如下：

对于图片这种大二进制文件的传输，使用构造post请求来实现。

4 系统总体实现

安卓手机作为中心点，使用定时轮询通过蓝牙获得分散在周边的多个采集终端的环境数据，结合本身采集的环境数据，通过互联网发送到服务器。整个系统的工作流程如图5所示。

图5 环境采集传输系统流程图

5 结束语

该系统利用蓝牙低功耗技术，实现了具备长达半年以上的采集终端，结合安卓手机作为中心，方便了用户的设置操作，更能够调用安卓手机的摄像头和传感器采集图像、位置、地磁强度等环境信息，利用安卓手机连接互联网的方便性，实现了将环境数据上传到服务器的功能，为最终环境数据的多方面展示、深入分析，提供了基础。本系统所述方案已证明可行，系统的安装便捷性和使用方便性可使其在多领域应用，目前已用于机房监控、仓库监控等领域。后续需要继续完善环境数据采集终端，利用微信和网页实现多种类的环境数据展示，同时，大量数据的积累，为环境数据的深度分析提供了数据来源。

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Design and implementation of environment information acquisition and transmission system based on Android mobile phone

ZHANG Qiang，ZHENG Hao
（The15THResearch Institute Of China Electronics Technology Group Corporation，Beijing100083，China）

The use of Bluetooth wireless transmission convenience and the flexibility of the Internet transmission of data，the use of Android mobile phone as a data collection and upload center，the use of nRF51822 as a data acquisition terminal control and Bluetooth transmission center，DHT11 as a temperature and humidity acquisition module，while using mobile phones to collect pictures and GPS information.Android mobile phone through the Bluetooth connection nRF51822 chip，after receiving the environmental data will be packaged，sent to the remote server through the Internet，the results can be displayed by WeChat public or web page on the client for analysis and display.Data acquisition terminal using Bluetooth 4.0 low-power chip nRF51822，the use of two batteries on the 5th can work more than six months.This design meets the practicality and mobility of the environmental acquisition sensor.

Internet of things；data acquisition；low power bluetooth；Android

TN914

A

1674-6236（2017）22-0069-05

2017-04-10稿件编号：201704052

张强（1992—），男，山东临沂人，硕士研究生。研究方向：地理信息系统。