智能环境监测系统设计*

陈宇 戴亮 戚蕊 顾婕妤 何颖

(江苏师范大学科文学院,江苏徐州 221000)

0 引言

目前关于环境监测的便携式设备逐步发展出现,但其中大多数设备功能单一且受空间限制,此次设计的系统可安装于各类便携式设备上并不受空间约束,如无人机、无人车等。该设计可实现信息实时监测与智能分析,对异常数据进行智能预警等功能,符合电子设备智能化,人性化的发展趋势。

1 系统设计方案

系统的结构设计如图1所示。本系统在用户端采用TFT屏显示和软件端查看两种方式,在可查看环境质量的同时,增加了历史查询功能,并通过生成数据曲线,帮助用户更好地观看出变化趋势。同时当传感器检测到环境质量较差时,会自动进行处理,对其严重情况进行预警和智能分级,同时在TFT屏上显示。此时的操作信息会通过无线网络传给软件端同步显示[1]。

图1 系统设计框图Fig.1 System design block diagram

2 硬件设计

硬件系统由烟雾传感器、温湿度传感器、CO传感器、气压传感器、光强传感器、STM32单片机、FET显示器、WIFI模块以及手机软件端组成。首先各个传感器采集相关数据,数字信号直接送给单片机处理,模拟信号通过模数转换后送给单片机处理,分析处理结果由TFT显示,同时通过WIFI模块传输到用户端[2-3]。

(1)STM32单片机:本设计使用的STM32F103C8T6最小系统单片机采用MircoUSB接口供电和SWD调试接口,自带电压稳压芯片、24C04数据存储器、复位及用户操作按键,有电平转换方便、体积小、方便数据存储和功能开发等特点。STM32实物图如图2所示。

图2 STM32单片机Fig.2 STM32 single chip microcomputer

(2)烟雾传感器:该设计采用MQ2烟雾传感器进行烟雾检测,输出与AD转换模块连接。当MQ2烟雾传感器所在环境中存在烟雾时,其电导率随空气中烟雾浓度的增加而增大,通过电路将电导率的变化转换为烟雾浓度对应的输出信号。同时具有使用寿命长、稳定性可靠、响应恢复特性快速等特点。MQ2烟雾传感器实物图如图3所示。

图3 MQ2烟雾传感器Fig.3 MQ2 smoke sensor

(3)温湿度传感器:该设计采用数字式DHT11温湿度传感器对空气中的温度和湿度进行检测。该传感器是一款由电容式感湿器件和N T C测温器件构成的复合传感器,它与单片机相连接,其校准系统以程序的储存在OTPROM中,通过调用校准系数的方式对信号进行处理。传感器具有数字模块采集技术和温湿度传感技术,通过这两个技术来检测周围环境的温度和湿度,其具有反应速度快、可靠性高、抗干扰能力强、信号传输距离长、能耗低等特点。DHT11温湿度传感器实物图如图4所示。

图4 DHT11温湿度传感器Fig.4 DHT11 temperature and humidity sensor

(4)一氧化碳传感器:该设计采用MQ7传感器对空气中的一氧化碳进行检测。 由于气体传感器的电导率因环境中一氧化碳浓度的高低变化,进而通过控制电路将电导率的变化转换为与之对应的输出信号。又因为二氧化锡具有低电导率的特点,所以传感器具有良好的稳定性,主要应用于一氧化碳浓度的测量。MQ7一氧化碳传感器实物图如图5所示。

图5 MQ7一氧化碳传感器传感器Fig.5 MQ7 carbon monoxide sensor

(5)气压传感器:该设计采用BMP180对气压进行检测,该传感器中的控制单元包含E E P R O M和I I C接口,而EEPROM中储存的校准数据,会对压力值进行补偿。因此,该传感器会先通过读取EEPROM校准值,再读取温度值到气压值,最后校准得到气压值,具有精度高、体积小、含温度输出、安全可靠性高的特点,可以在移动设备中使用。BMP180气压传感器实物图如图6所示。

图6 BMP180气压传感器Fig.6 BMP180 air pressure sensor

(6)光照传感器:该设计采用BH1750传感器进行光照强度的测量,该传感器是一种用于两线式串行总线接口的数字型光强度传感器集成电路。传感器通过发送设备地址并等待ACK,发送高分辨率测量指令,等待ACK,停止时序,等待测量完成,将结果发送到设备地址,读取高字节和低字节数据,等待ACK,停止时序,计算得到光照强度。具有直接数字输出、精度高、计算简便、便于DIY的特点。BH1750光照传感器实物图如图7所示。

图7 BH1750光照传感器Fig.7 BH1750 light sensor

(7)A/D转换模块:由于烟雾传感器和CO传感器为模拟传感器,因此该设计中采用AD0832把模拟传感器输出的模拟信号转换为数字信号之后送给单片机进行分析和处理。AD0832为8 位分辨率、双通道的转换芯片。具有体积小,兼容性高,转换速度快性等优点。

(8)TFT显示模块:TFT-LCD液晶显示器是由薄膜晶体管组成的屏幕。TFT液晶为每个像素提供一个半导体开关,每一个像素均由点脉冲直接控制,所以对于每一个节点都相对独立,可以实现连续控制,因此其具有反应速度快、控制精准、色彩真实、可显示24bit色深等特点。TFT显示模块实物图如图8所示。

图8 TFT显示模块Fig.8 TFT display module

(9)WIFI模块:该设计采用ESP8266模块进行信号的传输,该模块是一个完整并自成体系的WIFI处理器,可以搭载软件应用,并通过另外一ESP8266个处理器卸载WIFI网络功能,也可以构建独立的网络控制器。ESP8266具有高性能无线SoC,能用最低成本提供最大实用性,同时最少的占用系统资源。ESP8266 WIFI实物图如图9所示。

图9 ESP8266WIFI模块Fig.9 ESP8266WIFI module

3 软件设计

(1)开发平台:Keil5是一套由美国keilsoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统,本设计中主要还是用于单片机方面的开发,与其他汇编相比,使用C语言和汇编语言用于编写底层各个传感器的代码。设计过程充分利用Keil5中的仿真模拟功能,实现无硬件情况下的软件仿真和连接硬件之后的硬件仿真。最终将调试完成的代码经过设置之后以H E X文件的形式烧录进入STM32芯片进行对各传感器的总体控制。C语言易学易用,其在功能、结构、可读性、可维护性等方面均有明显的优势,因此选择Keil5利用C语言进行编程。(2)功能设计:本系统在开始使用时会先自动初始化,然后开始进行环境监测,当系统周围环境存在MQ2烟雾和MQ7一氧化碳可以检测到的相关参数时,经A/D转化传送到STM32单片机中。DHT11温湿度、BH1750光照检测传感器工作产生的数字信号可直接传送到STM32单片机中。单片机接受到信号后进行处理后,会直接显示在T F T显示屏,并通过WIFI模块传送到用户软件端。(3)用户指令采集:用户向软件后台发送操作指令,使单片机接收到操作指令后对指令进行格式化与加密工作,接着发送到WIFI模块进行交互后对数据进行分析处理,最后在APP上显示。后台管理数据更新:用户发送操作指令到WIFI模块,WIFI模块收到并进行解析后,传送给后台APP进行显示。下位机操作:在智能控制模块定期轮询Access数据库服务器读取相关数据时,根据从单片机上读取的数据进行操作。智能控制模块将数据发送给环境监测模块,模块接收到数据后对数据进行分析,分析完成后,接着对数据内容进行运算匹配,最后相应地反馈在安装的电子元件上[4]。

4 结语

本文设计的智能监测系统选用了STM32和ESP8266作为上位机和下位机来分析处理从周围环境采集的数据。用户通过配置移动APP实现对用户周围环境的全闭环监控。该系统可以安装在各类便携式设备上,如无人机、无人车等,有效避免了过去为监控周围环境而采取的复杂措施,并高效的节省了人力物力等资源。该系统能够在网络状况不好的情况下,依旧能够保证基本数据的传输。在本设计的基础上还可以增加更多的传感器和电子元器件,适用于用户进行DIY。通过将每个模块细致地固化与组件化,有助于随时拼接到整个系统中,提高对周围环境的智能监测效果。软件端可以拓展系统提供的功能和服务,根据用户自身的特殊需求,可以开发更多的功能。为了能够达到更智能、有准确环境监测效果,未来可以加入机器学习和人工智能的相关信息技术,使其对当前的室内环境进行更智能的监测,及时应对环境异常的情况。