物聯(lián)網(wǎng)中基于Wifi和Android平臺的溫度監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)

潘曄

[摘 要]在通信、互聯(lián)網(wǎng)、傳感器等技術(shù)的推動下，能夠?qū)崿F(xiàn)人與人、人與機器、人與物以及物與物之間直接溝通的全新網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)——“物聯(lián)網(wǎng)”正在普及。本文旨在構(gòu)建一種“智慧物體”（Things of Intelligence，TOI）模型，它是物聯(lián)網(wǎng)中的主體元素，這種TOI不僅具有智能的傳感器及無線通信模塊，而且結(jié)構(gòu)簡單、便捷連入互聯(lián)網(wǎng)中。串口無線技術(shù)（Uart-Wifi）是實現(xiàn)此模型的關(guān)鍵技術(shù)，此技術(shù)的應(yīng)用，在“物”與“互聯(lián)網(wǎng)”之間搭建了經(jīng)濟、便捷的橋梁，實現(xiàn)了“物”與“互聯(lián)網(wǎng)”間信息發(fā)送和共享，同時對“物”即時監(jiān)測與控制。本文以Android系統(tǒng)下的智能終端監(jiān)測物體或其周圍環(huán)境的溫度為例，研究以串口無線技術(shù)為通信手段的“智慧物體”模型，開發(fā)此模型下如何應(yīng)用智能設(shè)備（手機等）對其軟硬件進行監(jiān)測與控制的技術(shù)和方法。

[關(guān)鍵詞]串口無線;安卓應(yīng)用;智慧物體;Socket

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2015.11.037

物聯(lián)網(wǎng)作為新興的物品信息網(wǎng)絡(luò)，其應(yīng)用領(lǐng)域很廣，其中，對于物品溫度及周圍環(huán)境溫度的監(jiān)測與控制最為廣泛，包括農(nóng)業(yè)大棚測溫、彈藥庫測溫、高爐水循環(huán)測溫、機房溫度管理、物品冷藏倉庫及其流通等方面。在這些測溫的系統(tǒng)中要求集中管理、實時管理，實現(xiàn)管理的網(wǎng)絡(luò)化和智能化，但存在測溫物體本身的限制、地理環(huán)境的限制、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境限制及開發(fā)成本等的限制，使這種智能化的推廣很難向中低端應(yīng)用普及。

物聯(lián)網(wǎng)中智能設(shè)備的應(yīng)用存在兩大核心要素，第一是構(gòu)造“智慧物體”（TOI），即具有感知能力（感知溫度、濕度、壓力等）和自我識別能力（標(biāo)識，定位）及信息傳輸能力的物體;第二是易于通信的手段。因此，在設(shè)計方案、實施開發(fā)的過程中，把握智慧、互聯(lián)、移動及兼容的特點，設(shè)計一種易于維護、易于融合的方案和產(chǎn)品便是本文本的宗旨。

1 溫度監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框

2 系統(tǒng)開發(fā)的軟件環(huán)境及硬件要求

2.1 系統(tǒng)中所涉及的硬件功能及參數(shù)

2.1.1 串口無線模塊（Uart-Wifi）

Uart-Wifi 是基于Uart接口的符合Wifi無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式模塊，內(nèi)置無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議IEEE802.11協(xié)議棧以及TCP/IP協(xié)議棧，通過Uart-Wifi模塊，傳統(tǒng)的串口設(shè)備能輕松接入無線網(wǎng)絡(luò)。接口類型：通用串口、Uart接口、SPI接口。通過Uart/SPI直接接入單片機的IO引腳上，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。這種無線模塊嵌入物體中或環(huán)境中，使物體和環(huán)境可以直接連入網(wǎng)絡(luò)中，進行數(shù)據(jù)通信（見下表）。體積不會超過一個火柴盒大小，價格十幾元左右。

2.1.2 單片機（MCU）：STC89C52RC

STC89C52RC是采用8051核的ISP（In System Programming）在系統(tǒng)可編程芯片，最高工作時鐘頻率為80MHz，片內(nèi)含8K Bytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲器，器件兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，具有在系統(tǒng)可編程（ISP）特性。具有通用異步串行口（UART），單片機能通過此接口與串口無線模塊連接。

2.1.3 數(shù)字溫度傳感器DS18B20

DS18B20數(shù)字溫度傳感器接線方便，封裝成后可應(yīng)用于多種場合。封裝后的DS18B20可用于，鍋爐測溫，機房測溫，農(nóng)業(yè)大棚測溫，冷藏庫測溫等各種場合。耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測溫和控制領(lǐng)域。DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條DQ引腳即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通信。測溫范圍 -55℃～+125℃。

2.1.4 智能設(shè)備

安卓系統(tǒng)下的各種平板及手機（本系統(tǒng)測試用SAMSUNG I9100）。

2.2 軟件開發(fā)、測試集成環(huán)境

2.2.1 單片機、無線串口、溫度傳感器驅(qū)動開發(fā)集成環(huán)境Keil C51

Keil C51是51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)。

2.2.2 Android平臺下APP開發(fā)環(huán)境

APP（應(yīng)用程序，Application的縮寫），Android平臺下APP開發(fā)語言是JAVA，所以使用eclipse集成開發(fā)環(huán)境，是一個開放源代碼的、基于Java的可擴展開發(fā)平臺。

3 溫度監(jiān)測系統(tǒng)中各單元之間的通信方式

3.1 Andriod手機與單片機的通信方式

采用基于 AP（無線訪問接入點）組建的基礎(chǔ)無線網(wǎng)絡(luò)，這種類型的網(wǎng)絡(luò)的特點以AP為整個網(wǎng)絡(luò)的中心，網(wǎng)絡(luò)中所有的通信都通過 AP 來轉(zhuǎn)發(fā)完成。將串口無線模塊網(wǎng)絡(luò)設(shè)為服務(wù)器模式，IP：192.168.2.1，端口：8000，設(shè)置串口無線模塊網(wǎng)絡(luò)SSID（無線網(wǎng)絡(luò)名稱）為“uartwif”，同時啟用DHCP。手機WLAN設(shè)為串口無線網(wǎng)“uartwifi”，獲取動態(tài)IP地址（如：192.168.2.2）。

3.2 單片機與數(shù)字溫度傳感器DS18B20的通信方式

圖2 單片機與數(shù)字溫度傳感器DS18B20的通信方式

4 軟件中監(jiān)測、通信的算法實現(xiàn)

4.1 Andriod APP中通信算法

（1）通信類TcpSocket設(shè)計。網(wǎng)絡(luò)上的兩個程序通過一個雙向的通信連接實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換，這個雙向鏈路的一端稱為一個Socket。Socket通常用來實現(xiàn)客戶端和服務(wù)端的連接。本例中使用JAVA提供的Socket技術(shù)來設(shè)計一個用于通信的TcpSocket類，進行數(shù)據(jù)通信雙方的連接、發(fā)送與接收。

圖3 TcpSocket類的實現(xiàn)

（2）算法實現(xiàn)（見圖3）：

第一，通信類初始化TcpSocket（“192.168.2.1”，8000），并與單片機連接;

第二，使用sendMessage（byte[]）方法發(fā)送查詢數(shù)據(jù)0x02和0xFF;

第三，使用readMessage（byte[]）方法接收單片機返回的溫度數(shù)據(jù)。

4.2 單片機發(fā)送溫度信息算法

（1）串口初始化：void Serial_Reg（u8 BaudRate）。

（2）接收串口信息（UART接收中斷程序）：void Serial_Interrupt（）interrupt 4;if（（Buf[0]==0x02）&&（Buf[1]==0xFF））//通過查詢是否為0x02和0xFF來返回溫濕度采集值。

（3）發(fā)送溫度至串口緩沖區(qū)buf：void UART_SendData（u8 *data_buf）//串口發(fā)送數(shù)據(jù)。

4.3 單片機讀取數(shù)字溫度傳感器算法

Void ReadData（void），功能描述： 溫度讀取子程序。

5 物聯(lián)網(wǎng)中“智慧物體”模型的建立

在上述對物聯(lián)網(wǎng)中物體環(huán)境溫度監(jiān)測的系統(tǒng)設(shè)計中會發(fā)現(xiàn)，此類應(yīng)用中存在幾個要素：第一，感知模塊（傳感器）;第二，通信模塊（Uart-Wifi）;第三，數(shù)據(jù)處理模塊（單片機MCU）。只要將三者有機集成在一起，嵌入到物體中，就成為網(wǎng)絡(luò)中的“智慧物體”。TOI通過傳感器實時采集自身及環(huán)境的各種屬性，在MCU協(xié)調(diào)控制下進行數(shù)據(jù)的處理，并利用通信模塊將信息發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)中，實現(xiàn)信息的分析、共享、監(jiān)控（見圖4）。

圖4 “智慧物體”模型

6 結(jié) 論

系統(tǒng)中的傳感器選擇了數(shù)字溫度傳感器，如果將其換為其他傳感器，如濕度、壓力、氣體等傳感器，則可以設(shè)計出更多的監(jiān)測控制系統(tǒng)，同時集成流行的APP應(yīng)用，通過Wifi方式快速、簡單地接入Internet，并充分利用當(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)的先進技術(shù)與手段，徹底地將被感知物體融入到人們的互聯(lián)網(wǎng)生活中，與網(wǎng)中的人一樣平等，這樣互聯(lián)網(wǎng)的主體對象不斷增加、應(yīng)用范圍不斷擴大，那時物聯(lián)網(wǎng)即是互聯(lián)網(wǎng)，互聯(lián)網(wǎng)即是物聯(lián)網(wǎng)。