基于WiFi的移動(dòng)式環(huán)境信息監控系統設計*

基金項目：湖南省高校思政精品項目—課程育人（19JP019）

作者簡(jiǎn)介：李敏(1989—)，男，碩士，講師，研究方向：智能控制。

隨著(zhù)智能化水平的逐步提高，各行各業(yè)也相繼在實(shí)現和加大智能化程度，同時(shí)也將工匠精神融入其中，盡量提升和完善其智能化程度。在大多數智能化場(chǎng)所中，環(huán)境信息采集和監測是衡量智能化水平的一個(gè)重要指標，也是實(shí)現智能化的關(guān)鍵技術(shù)之一。同時(shí)，環(huán)境信息的實(shí)時(shí)監測對及時(shí)挽救經(jīng)濟損失和避免造成重大事故具有較大幫助^[1-2]，如大棚養殖、大棚種植、食品保存、檔案管理等方面。因此，設計一種穩定、方便、低廉的環(huán)境信息采集系統具有較大的實(shí)際意義。

一直以來(lái)，針對環(huán)境信息采集，科研工作者做了大量的研究與實(shí)驗，主要歸結為以下幾個(gè)方面。

1）傳感器的研究。傳感器是與環(huán)境信息直接打交道的參與者，其技術(shù)發(fā)展和應用直接關(guān)系到環(huán)境信息采集的準確度和靈敏度。文獻^[3-4] 在傳感器的使用方面進(jìn)行了分析與研究，重點(diǎn)分析了多傳感器融合使用。文獻^[5] 重點(diǎn)闡述了一種新型傳感器，能對液體流量進(jìn)行測量等。

2）主控器件和交互平臺的研究。在遠程環(huán)境信息監測系統中，主控器件是環(huán)境信息采集、處理、發(fā)送的核心部件，交互平臺是環(huán)境信息監測的可視窗口。這兩者的合理選擇，不僅影響系統功能的實(shí)現，還關(guān)系到系統開(kāi)發(fā)和維護的難易程度。文獻^[1,6-7]分別研究了不同的主控器和交互平臺在環(huán)境信息監控中的應用。

3）算法的研究。為了提高環(huán)境信息監測的效果，對環(huán)境信息采集的參數一直在拓寬，并且采集的數據量也在增大。因此，怎樣在大量復雜的數據中提取或者換算出有效的信息，是諸多科研工作者研究的重要方向。文獻^[8-9] 在環(huán)境信息采集中各自應用了算法，取得了較好的實(shí)驗效果。

近年來(lái)，科研工作者在上述3 個(gè)方面做了大量的研究工作，并取得了較好的成果。然而，在環(huán)境信息監測中，針對多個(gè)測試點(diǎn)能進(jìn)行靈活移動(dòng)監測的系統研究與實(shí)驗還比較少。本文綜合考慮系統開(kāi)發(fā)和維護的難易程度、成本、功能要求等因素，設計了一個(gè)基于WiFi 的移動(dòng)式環(huán)境信息監控系統，通過(guò)實(shí)驗證明，系統穩定性好、成本低，能靈活地對環(huán)境內多個(gè)測試點(diǎn)進(jìn)行監控，極具應用價(jià)值。

1   系統總體設計

整個(gè)系統主要包括上位機部分和下位機部分。上位機部分主要是安卓人機交互界面設計，能對下位機進(jìn)行移動(dòng)控制和實(shí)時(shí)顯示下位機當前位置的環(huán)境信息。下位機部分主要是對環(huán)境信息進(jìn)行采集、處理和發(fā)送。系統總體框圖如圖1 所示，環(huán)境信息采集模塊將采集到的信息數據傳送給主控制模塊，主控制器模塊進(jìn)行處理后，通過(guò)WiFi 通信模塊傳送給上位機進(jìn)行顯示。同時(shí)，用戶(hù)可操控上位機，經(jīng)WiFi 通信模塊發(fā)送指令給主控制器，進(jìn)而通過(guò)移動(dòng)控制模塊實(shí)現下位機移動(dòng)，進(jìn)行靈活的信息采集。

2   硬件系統設計

系統的硬件電路主要包括主控制器模塊、WiFi 通信模塊、移動(dòng)控制模塊、環(huán)境信息采集模塊和電源模塊。各模塊功能的相互協(xié)調與配合實(shí)現整個(gè)下位機功能。

2.1 主控制器模塊

主控制器是下位機的大腦，其選擇關(guān)系到系統下位機開(kāi)發(fā)和維護的難易程度，以及系統設計的成本。本設計對以arm 為內核的STM32F103C8T6 和以51 為內核的STC89C52 兩款芯片進(jìn)行對比分析：STM32F103C8T6 在運行速度上優(yōu)于STC89C52，且存儲量更大，然而本系統在下位機部分其對速度的要求不是特別高；STM32F103C8T6 的I/O 端口更加豐富，然而本系統的端口主要用于WiFi 通信、移動(dòng)控制和環(huán)境信息采集，STC89C52 的I/O 端口足夠滿(mǎn)足系統需求，并且還留有余量，符合系統設計原則；與后者相比，STM32F103C8T6 芯片在本系統的應用成本高、開(kāi)發(fā)和維護難度大，且造成較大的資源浪費。綜合考慮，下位機主控制器采用基于51 內核的STC89C52。

2.2 WiFi通信模塊

WiFi 通信模塊采用樂(lè )鑫公司推出的ESP8266 WiFi模塊。其價(jià)格便宜，只要5~10 元；性能高，一般通信距離能達到100 m，在空曠的環(huán)境下，能在300 m 內進(jìn)行可靠連接，完全能滿(mǎn)足本系統需求；開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單、資源多，設備商提供了諸多集成開(kāi)發(fā)環(huán)境和工程案例。其主要通過(guò)串口與單片機進(jìn)行數據通信，ESP8266 電路連接如圖2 所示，模塊的1 腳和8 腳分別與單片機的RXD和TXD 引腳相連接。

2.3 移動(dòng)控制模塊

本系統的移動(dòng)控制采用兩路電機驅動(dòng)，外加1 個(gè)萬(wàn)向輪，從而實(shí)現下位機的靈活移動(dòng)。其采用L293D 芯片作為電機驅動(dòng)芯片，同時(shí)驅動(dòng)兩路直流電機，實(shí)現電機的正反轉，且輸入電壓范圍寬，電流最大可達1.2 A，直接通過(guò)單片機的I/O 口進(jìn)行控制，開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單。

2.4 環(huán)境信息采集模塊

本系統主要是對環(huán)境中的溫度、濕度和光照強度進(jìn)行監測，同時(shí)在主控芯片選擇時(shí)考慮了端口余量，方便后續其他環(huán)境參數監測的拓展。溫度和濕度監測采用數字量輸出的溫濕度傳感器DTH11，其濕度測量范圍20%~90%RH，精度為正負5%RH，溫度測量范圍為（0~50）℃，精度為±2 ℃。光照強度監測傳感器采用BH1750FVI 光照模塊，型號為GY-30，光照范圍為（0~65 535）lx。其內置16 位A/D轉換，直接數字量輸出，能直接與單片機的I/O 口進(jìn)行連接。環(huán)境信息采集模塊電路如圖3 所示。

圖3 環(huán)境信息采集模塊電路圖

2.5 電源模塊

電源模塊主要為其他4 個(gè)模塊提供電源，WiFi 通信模塊需提供3.3 V 直流電源，其他電路模塊需提供5 V直流電源。其主要由ASM1117-3.3 V 和ASM1117-5 V兩款穩壓芯片先進(jìn)行穩壓，并采用電容濾波得到所需的電源電壓。

3   軟件系統設計

系統軟件設計主要包括兩個(gè)部分：上位機程序設計和下位機程序設計。上位機程序設計主要實(shí)現對下位機傳送的環(huán)境信息數據的接收、處理和顯示，以及對用戶(hù)操控指令的處理與發(fā)送。下位機程序設計由三個(gè)部分組成：WiFi 通信子程序、環(huán)境信息采集子程序和移動(dòng)控制子程序。WiFi 通信子程序主要實(shí)現上位機和下位機的數據通信；環(huán)境信息采集子程序實(shí)現各環(huán)境信息的讀取和處理，方便信息通過(guò)WiFi 模塊發(fā)送；移動(dòng)控制子程序實(shí)現下位機系統的靈活移動(dòng)，方便多點(diǎn)環(huán)境信息的采集。各程序塊實(shí)現相應的功能，從而實(shí)現系統功能。下面對各程序進(jìn)行詳細介紹。

3.1 上位機程序

系統人機交互設備針對應用廣泛的安卓智能機，上位機的開(kāi)發(fā)采用谷歌推出的Android Studio 軟件。安卓上位機界面如圖4 所示，主要包括通信連接部分、移動(dòng)控制部分和數據顯示部分。通信連接部分用于實(shí)現安卓智能機和下位機WiFi 模塊的通信連接，需設置WiFi 模塊的IP 地址和端口號；移動(dòng)控制部分設計了上、下、左、右、啟動(dòng)和停止共計6 個(gè)控件，實(shí)現下位機的靈活移動(dòng)；數據顯示部分實(shí)現對環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、光照強度的監控顯示，同時(shí)設計了1 個(gè)拓展顯示框，方便后續添加要顯示的參數。

圖4 Android上位機界面圖

3.2 WiFi通信子程序

WiFi 通信采用ESP8266WiFi 通信模塊，其程序流程如圖5 所示。程序開(kāi)始時(shí)先進(jìn)行初始化，通過(guò)串口通信設置WiFi 模塊為AP 模式，作為WiFi 熱點(diǎn)供手機或者其他安卓智能設備連接，同時(shí)設置其IP 和端口號。然后進(jìn)入while 無(wú)限循環(huán)，一方面判斷是否有環(huán)境信息數據更新，如有則通過(guò)串口發(fā)送出去，否則繼續進(jìn)行判斷；另一方面，判斷是否有上位機發(fā)送數據至WiFi 模塊，從而產(chǎn)生串口中斷，如有則接收、處理數據，否則繼續執行判斷程序。

3.3 環(huán)境信息采集子程序

環(huán)境信息采集子程序如圖6 所示，下位機上電后，首先對各個(gè)信息采集模塊進(jìn)行初始化處理，然后進(jìn)入無(wú)限循環(huán)，對周邊環(huán)境信息進(jìn)行實(shí)時(shí)數據采集，采集的數據信息傳遞給單片機進(jìn)行處理，處理完成后，通過(guò)WiFi 模塊將信息數據發(fā)送給上位機顯示。

3.4 移動(dòng)控制子程序

移動(dòng)控制子程序流程圖如圖7 所示，首先對單片機的電機驅動(dòng)端口做初始化處理，然后進(jìn)入循環(huán)，時(shí)刻讀取與判斷串口中斷接收的數據，對得到的數據進(jìn)行比較處理，從而控制相應的電機，實(shí)現下位機的準確和靈活移動(dòng)。

4   測試

系統主要在兩種環(huán)境中進(jìn)行了測試，一種是在封閉場(chǎng)所，通過(guò)可透視玻璃觀(guān)察現場(chǎng)情況進(jìn)行測試。另一種是在比較空曠的自然場(chǎng)所進(jìn)行測試，選擇的測試時(shí)間點(diǎn)為同一天相近的時(shí)間點(diǎn)，測試的參數主要包括下面幾個(gè)：有效監控距離、現場(chǎng)環(huán)境溫度、現場(chǎng)環(huán)境濕度和當時(shí)光照強度。測試結果如表1 所示，在封閉場(chǎng)所，穩定移動(dòng)控制和參數監控的距離約為16 m，在空曠環(huán)境中能達到35 m 左右，室內與室外環(huán)境溫度相差5 ℃，濕度相差10%RH，室內光照強度約55 lx，室外光照強度約49 742 lx。上位機顯示界面如圖8 所示，測試結果和上位機顯示證明，系統能很好地監控環(huán)境參數，并進(jìn)行有效傳送和顯示。

圖8 上位機監控效果圖

為驗證數據傳輸的準確性和現場(chǎng)環(huán)境信息檢測的有效性，在多個(gè)時(shí)間點(diǎn)對室內現場(chǎng)溫度信息進(jìn)行監測，同時(shí)人工用溫度計在同一時(shí)間點(diǎn)和同一地點(diǎn)進(jìn)行溫度監測，兩者監測數據如表2 所示。根據4 次測量數據求誤差平均值小于5%，能滿(mǎn)足應用要求。

5   結束語(yǔ)

本文設計了一個(gè)基于WiFi 的移動(dòng)式環(huán)境信息監控系統，通過(guò)實(shí)驗測試證明，其能在封閉場(chǎng)所約16 m 的范圍內進(jìn)行有效環(huán)境信息采集和移動(dòng)控制，在空曠場(chǎng)所能達到約35 m 的范圍。溫度監控數據與溫度計監控數據對比分析可得，系統信息數據采集和傳送誤差小于5%，能滿(mǎn)足大多數應用場(chǎng)所。綜上所述，本設計系統穩定性好，成本低，能靈活地對環(huán)境內多個(gè)測試點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，極具應用價(jià)值。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年12月期）