基于WIFI环境的便携式环境监测仪设计

何国东 匡正 李立明

摘要：近年来，在我国经济高速发展的背景下，环境问题愈发被我们所关切，由此而生的各类环境指標为人们所熟知。随着无线网络技术的发展，WIFI变得随处可见，这意味着大量数据的在线交互更为便捷和廉价，对各种环境下的数据进行实时监测成为了可能。本项目承接前述研究，拓宽环境监测领域，就此问题设计了基于WIFI环境的便携式环境监测仪，以STM32单片机为核心，MQ系列传感器等收集环境数据，ESP8266模块连接WIFI传输数据，电脑主机接收并处理数据，提供一种更为便携、平台化的环境监测方式。

关键词：环境监测；物联网；多节点采集系统

中图分类号：X85 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）02-0269-02

本项目主要承接前述研究“基于WIFI环境的轨道交通环境监测系统设计”，对其拓展了监测领域，使之成为胜任多种环境下复杂监测的便携式环境监测设备，其主要特点是平台化、模块化、便携化，从而能够让我们更快速、广泛的采集环境数据，分析环境问题。大量数据的积累也许能为后期的研究提供经验，并且更进一步的探索与其他电子设备进行连接，以实现对环境的闭环控制。

一、设备的硬件设计

（一）系统整体设计

系统整体设计未发生太大的变化，仍然采用WIFI进行数据传输。每个采集节点可直接向服务器发送数据。整个系统为采集节点——服务器，点对点数据传输。采集节点包括STM32单片机（数据处理）、各种类型传感器（数据采集）、ESP8266WIFI模块（数据传输）、服务器运行程序（接收并存储数据）。考虑到便携性和小型化的要求，在硬件部分中去掉了显示屏模块，采用简单的灯光进行交互（可以考虑使用小型的LED屏幕）。每个节点开机后自动搜索WIFI信号，连接WIFI成果后开始采集并发送数据，同时给出特定的灯光。电脑服务器为每一个节点打开一个端口接收数据并处理、保存，由于使用平台化的采集节点，并且MQ系列的通用性十分强大，在特定环境下可以安装特定型号传感器，即插即用。

（二）采集节点设计

节点采用STM32F103系列单片机作为控制器，具有足够多的IO口和ADC接口来扩展外围电路。双列直插的最小系统板造价低廉，便于更换。ADC转换可直接读取MQ系列传感器等模块输出的模拟电压值，IO口可以用于读取DHT11的温湿度值。

ESP8266模块的数据传输。ESP8266模块作为目前新兴的WIFI网络解决方案，拥有强大的WIFI网络功能。由于采用和串口输出相似的接口，可以将其置于几乎所有单片机中，比如本设计采用的STM32系列，通过SPI/SDIO接口就能连接（几乎所有单片机都有这种接口）。ESP8266集成度非常高，所需的外围电路很少，减少了很多空间占用。

MQ系列传感器。MQ系列传感器采用高温循环检测的方式。传感器中的金属氧化物半导体被加热到一定温度后，遇到相应的还原性气体会改变其阻值。通过简单的外围电路，传感器将输出相应的电压模拟量数值。本设备所要采用的MQ系列传感器有MQ-2、MQ-7、MQ-135。

DHT11温湿度传感器。DHT11温湿度传感器的特点为品质卓越、造价低廉、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高。采用单总线传输，数据处理同样十分简便。

其他传感器。根据具体监测环境的不同，还可以选择其他类型的传感器，如声音传感器、光强传感器等，可定制性非常高。

整个采集节点以ALTIUM DESGINER绘制的PCB底板为基础，采用3.6V15500型干电池升压至5V进行供电，整体面积为8×10cm，平放高度不超过3cm，实现真正意义上的便携。

二、系统的软件设计

（一）节点软件设计

节点的软件程序包括环境数据采集程序、WIFI模块发送程序以及显示程序，采用C语言编写，编译器为keil v5。STM32F103内部自带ADC模块，用以采集模拟信号。启动电源后首先尝试连接无线网络，其次尝试与服务器主机进行通讯，然后开始循环采集环境数据并发送至服务器。数据通过特定编码发送，方便上位机的处理。

（二）服务器主机软件设计

服务器主机端采用MATLAB进行软件设计，MATLAB作为一款强大的数学处理软件，拥有几乎涵盖所有硬件驱动的底层接口。本系统使用其自带的ICP/IP相关函数，开放网络端口来实现与采集节点的通讯。此外，MATLAB附带小型数据库，本系统中使用此数据库规范的存储了采集的环境信息，从而更方便后期对大批量数据的处理。MATLAB中还拥有编制GUI交互界面的功能，本系统利用此功能编写了相关程序，从而使采集到的环境数据实时、动态显示。GUI的出现也使我们可以实现诸如弹窗报警之类的更为生动的效果。

关键代码如下：

t=tcpip（'192.168.xx.xxx'，8234，'NetworkRole'，'server'）；%设置端口

fopen（t）； %开启端口

for j1=1：10

if（t.BytesAvailable～=0）

data=fread（t，t.BytesAvailable）； %接收采集设备发送的信息

……

A=sscanf（S，'%f'）； %转换数据

for i1=1：10

if（A（i1）==0）

humi（j1）= A（i1+1）； %储存为矩阵

temp（j1）= A（i1+2）；

Q1（j1）= A（i1+3）；

Q2（j1）= A（i1+4）；

……

三、系统的扩展

（一）设备硬件扩展

作为模块化、平台化的采集节点，除了更换不同的传感器之外，我们对其预留了充足的接口，以实现与其他相关电子设备的连接，例如外接小型继电器即可驱动电机（可用于自动开启窗帘等场景）。

（二）系统软件扩展

服务器主机的软件程序目前基本满足了环境监测的需求，但对于如今的互联网时代，单单有服务器主机显得有点单薄，在后续的开发中将尝试开发手机APP，以实现更广泛、便捷的环境监测，而这也是本设备的意义所在。

四、结语

随着互联网科技的进步，我们已经悄然步入了物联网的时代，作为当代大学生的我们有幸可以在这样的项目中深入的学习相关知识，独立探索物联网架构，同物联网时代一起发展，同时也感谢导师和同学们对我们提供的帮助以及大学生创新项目对于我们的资助，今后我们将在物联网领域不断探索。

参考文献：

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[3]邓红涛.MATLAB数据通信与测控应用编程实践[M].電子工业出版社，2011.

[4]李帮军.气敏传感器实验与MQ系列气敏元件特性研究[J].中国市场，2006，（14）：70.

[5]贾浩强，李耀.基于WiFi无线通信的温湿度检测节点设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2014，（5）：70-72.

Abstract：In recent years，Under the background of the rapid development of China's economy，environmental problems are becoming more and more concerned by us.With the development of wireless network technology，WIFI becomes popular in everywhere，which means the online exchange of huge data is more cheap and convenient.And it provides a possibility to monitor the environmental data.So we design the environment monitoring system based on WIFI for Rail Transit System.We use STM32 series as MCU，monitor the environment data with MQ series sensors and so on，send data with ESP8266.And the computer will receive and process the data，so that we realize the monitor of the environment of Metro system.

Key words：air monitoring；Internet of things；multi-node acquisition system