实验室温湿度及有害气体监控系统设计
2018-04-11刘祥吉
丁 涛，刘祥吉
(延安大学化学与化工学院，陕西 延安 716000)
0 引言
实验室是科学技术发展的摇篮，许多试验都要求在严格的环境下完成，而温湿度是实验室的基本环境条件之一[1]。它影响着试验数据是否准确、试验设备能否正常运行。传统的温湿度监控系统一般采用台式机作为监控终端，需要在指定的地点以及专用网络设备的支持下对目标环境进行监控，大大限制了监控系统的应用范围和灵活性[2-3]。
本文设计的实验室温湿度及有害气体监控系统，采用了能够校准输出信号的温湿度复合传感器DHT21。该传感器具有单总线接口输出数字信号以及精度高、价格低、外围元件少、使用方便等优点，传输距离约为20 m。本系统采用WiFi模块ESP8266进行组网，并与互联网中的远程服务器进行连接。只要能上网(有线或无线)，该系统就能对现场环境进行实时监控，因而扩大了监控范围。
1 监控系统软硬件设计
1.1 监控系统整体设计
本文设计的实验室温湿度及有害气体监控系统分为温湿度采集器、云服务器、手机应用程序(application,APP)或计算机监控端3个部分。监控系统拓扑图如图1所示。监控系统利用物联网特性，对温湿度采集器进行联网监控。
图1 监控系统拓扑图
由图1可知：温湿度采集器连接网络使用的是目前较为成熟的无线组网技术，其具有组网简单、设备成本低、布线少等特点。温湿度采集器使用预设程序，将采集到的温湿度数据上传到云服务器中进行数据处理、存储，并转发至手机APP，或在计算机监控端进行显示。
1.2 采集器硬件设计
1.2.1DHT21传感器
DHT21是温湿度复合传感器，由存储在一次性可编程(one time programmable,OTP)内存的校准系数对测量数据进行校准，并以单总线的方式输出数字信号。其温度的量程为-40～+80 ℃，分辨率达0.1 ℃，精度为±1 ℃；湿度的分辨率为0.1%，精度受温度影响较大，在25 ℃时为±3%RH，0～50 ℃时为±5%RH。它们的输出数字分辨率都为16 bit。只有单片机ESP8266 对DHT21采样的周期间隔大于1.7 s时，才能得到正确的数值。DHT21与ESP8266连接电路如图2所示，连接引脚为GPIO5。
图2 连接电路图
1.2.2有害气体检测传感器
有害气体检测传感器MQ-7使用气敏材料 SnO2。该传感器工作原理为空气中CO浓度的增加使其电导率增大，故可通过高低温循环检测方式检测CO。MQ-7可以用于检测多种含有CO的气体，如煤气等，因此广泛应用于工业、家庭气体泄漏报警装置中。其加热功耗小于350 mW，加热电压为5.0 V±0.2 V(高温时)、1.5 V±0.1 V(低温时)，灵敏度大于5，能检测浓度范围在12.5～1 250 g/L的CO。MQ-7电路原理如图3所示。其与ESP8266连接的引脚为GPIO13(软件上为引脚7)。
图3 MQ-7电路原理图
在测量前，应预加热5 min，否则数据不准确。当输出值为1时，表示CO浓度正常；当输出值为0时，表示CO浓度异常。在软件上触发下降沿事件，发送报警命令至服务器告知相关人员，并控制报警器进行报警。
1.2.3温湿度及有害气体报警模块
本设计采用的声光报警器，其具体参数为：工作电压220 V，功率1～3 W，音量90 dB，工作湿度范围10%～90%。ESP8266的引脚GPIO15(软件引脚8)通过继电器与报警器连接来控制报警器启停。当其引脚GPIO15输出1时，继电器关闭，报警器也关闭；当其引脚GPIO15输出0时，继电器开启，报警器开始报警。
1.2.4采集器显示模块
由于ESP8266的引脚资源有限，所以采用显示屏模块SSD1306。在使用中，其只需2根电线就能实现与单片机的通信，减少了对单片机的引脚使用。该模块工作电压范围为3.3～5 V，使用的是标准I2C总线协议，大小为0.96英寸(1英寸=25.4 mm)，分辨率为128×64。ESP8266的GPIO14与显示模块的SDA引脚连接，GPIO12与显示模块的SCL引脚连接。
1.2.5采集器硬件结构
温湿度采集器硬件结构框图如图4所示。
图4 硬件结构框图
首先，由ESP8266芯片读取DHT21测得的实验室温湿度值，并将其显示在OLED显示屏上；然后，通过无线通信，将数据传送至远程服务器，进行存储、计算、分析；最后，转发至监控端APP。
根据前文介绍，设计制作了电路板和外壳。该电路板使用5 V的电源，并采用USB供电。电路板由OLED显示模块、开关按钮、MICO电源接口、DHT21温湿度传感器、ESP8266芯片、5 V转3.3 V电源模块以及MQ-7气体传感器组成。
2 监控系统软件设计
2.1 温湿度数据采集器软件设计
软件部分使用Lua脚本语言编写，并采用模块化设计。根据系统功能，软件划分为主程序、采集器配网程序、温湿度采集程序、温湿度显示程序、有害气体浓度检测程序等。
温湿度采集器的软件流程如图5所示。
图5 软件流程图
系统开机后，先检测其是否能连接WiFi网络。如不能开启APP配网模式，则需等待网络连接成功后开启MQTT客户端；读取温湿度后，将数据送往显示器，并上传服务器。系统未连接网络时，将数据存储在Flash中，等待网络连接后再全部上传。
2.2 远程服务器程序设计
服务器程序主要完成对采集器的认证，并实现数据的接收、处理、存储与转发等功能。该程序采用Node.js编程语言编写。
本服务器程序分为HTTP服务器和MQTT服务器2部分，监控系统在APP实时采集数据时采用MQTT通信协议，温湿度数据的历史查询采用HTTP协议传输至APP客户端。在HTTP服务器中，采用RESTful API标准接口进行设计，并使用JSON Web Token技术对用户身份验证并授权。在MQTT服务器中，采用了权限控制技术，使采集器和APP客户端需输入用户名和密码进行连接，并对发布及订阅进行了权限限制，使其在允许的权限内运行，保证了通信的安全、可靠[4-6]。
2.3 安卓APP监控软件设计
安卓APP监控端通过API Cloud移动应用开发平台，采用HTML/CSS和JavaScript等Web技术进行编码，并且在云端进行编译，生成APK应用文件，降低了用户在本地搭建编译环境的难度。其具有与原生APP一样的流畅度，且能跨平台。该APP监控端的主要界面列表如表1所示。
表1 APP监控端主要界面列表
根据该系统HTTP服务器的RESTful API以及MQTT服务器权限要求，设计了设备监控界面、数据查询界面、个人用户界面等，实现了APP实时监控。其采集间隔为10 s。监控一段时间后，发现其温湿度数据变化较小，几乎无变化。
通过对实验室内的温湿度及有害气体测量，验证了本文设计的系统基本实现了对温湿度设备上传的数据的实时监测，并可按条件查询数据库中已经存储的温湿度数值，达到了预期效果。
此外，该系统还可实现设备分组管理，并对设备进行批量监控,同时可为用户配置网络。
其发送的JSON数据格式为：
{
"cmd":"sta",
"data":{
"ssid":"wifi name",
"pwd":"wifi password"
}
}
JSON数据中，cmd字段为采集器要执行的命令，data字段为WiFi账号信息数据。
2.4 监控系统报警功能设计
该监控系统除了声光报警器外，还具有短信报警、APP报警等功能。当气体浓度不正常、温湿度值高于或低于预设报警值时，温湿度采集器将会启动声光报警器进行报警，并将报警信号上传至服务器；服务器根据预设程序对其进行判断处理，下发报警消息至APP客户端，并发送报警短信[7-12]。
本文设计的温湿度及有害气体监控系统报警流程如图6所示。
图6 监控系统报警流程图
3 结束语
本文基于云服务器、物联网及大数据等背景，通过对智能化监控系统的研究，实现了对温湿度及有害气体监控系统的实时监控、历史数据查询等基本功能。
此监控系统具有结构简单、性价比高、易于实现、监控方便等特点[3],实现了设备与用户的绑定、设备列表显示、设备实时数据显示、设备数据存储、设备历史数据查询、设备异常数据报警、用户注册、用户登录等诸多功能，解决了大数据存储问题。该监控系统在智能家居、农业情况监测、污水监测等方面具有广阔的应用前景。
参考文献:
[1] 刘军良.WiFi技术在温湿度远程监测系统中的应用[J].自动化仪表,2014,35(6):79-82.
[2] 李佳毅,徐晓辉,苏彦莽,等.基于 Android 平台的智能温室视频无线监控系统[J].农机化研究,2013,35(8):188-191.
[3] 杨鹏,史旺旺,沈楚焱.预装式变电站温湿度烟雾WSN传感器节点设计[J].自动化仪表,2013,34(3):38-40.
[4] 姜涛,王学文,马家威,等.基于ZigBee和APP技术的智能公交系统及优化设计[J].自动化仪表,2015,36(12):31-35.
[5] 丁函,罗军,陆文骏,等.智能家居控制APP系统的设计与实现[J].计算机技术与发展,2017,27(1):121-125.
[6] 王艳萍,迟宗涛.基于手机APP的远程家电控制系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用,2017,17 (1):73-75.
[7] 张勇军,熊庆国.面向温室集群的环境无线监控系统设计[J].自动化与仪表,2015,30(3):27-30.
[8] 黄雷,文国军,张奥东.基于Web的非开挖钻机远程监控系统[J].自动化仪表,2016,37(4):82-85.
[9] 余湧,马娅婕,彭攀来,等.一种远程监控报警系统的设计[J].自动化仪表,2016,37(6):62-65.
[10]赵阳,高强.基于Web远程监控系统的设计实现[J].自动化仪表,2015,36(1):31-36.
[11]邓昀,李朝庆,程小辉.基于物联网的智能家居远程无线监控系统设计[J].计算机应用,2017,37(1):159-165.
[12]戴宇培,张钰,刘云飞.智能家居和楼宇的实时监控系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2017,17(2):49-52.
