基于WiFi的樓宇環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

張秀再 范江棋 陳彭鑫 吳華娟 趙益波

摘 要： 在此設(shè)計(jì)基于WiFi技術(shù)的樓宇環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，用于監(jiān)測樓宇內(nèi)溫濕度、天然氣、煤氣和氣壓監(jiān)測。系統(tǒng)分為監(jiān)測中心和監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，監(jiān)測中心與監(jiān)測節(jié)點(diǎn)之間通過WiFi實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。監(jiān)測節(jié)點(diǎn)由STM32單片機(jī)、溫濕度傳感器、可燃?xì)怏w傳感器、氣壓傳感器和WiFi模塊組成，3個(gè)傳感器把檢測的數(shù)據(jù)傳到STM32單片機(jī)中，然后STM32單片機(jī)通過WiFi模塊把檢測數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測中心，從而實(shí)現(xiàn)對樓宇環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測。該系統(tǒng)檢測目標(biāo)多樣且擴(kuò)充性強(qiáng)，適用于樓宇環(huán)境檢測，具有一定的實(shí)際意義。

關(guān)鍵詞： 樓宇環(huán)境監(jiān)測； WiFi； 溫濕度傳感器； 氣體傳感器； 氣壓傳感器

中圖分類號： TN911?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）06?0086?03

Building environmental monitoring system based on WiFi

ZHANG Xiuzai1， 2， 3， FAN Jiangqi1， CHEN Pengxin1， WU Huajuan1， ZHAO Yibo1， 2， 3

（1. School of Electronic & Information Engineering， Nanjing University of Information Science & Technology， Nanjing 210044， China；2. Jiangsu Collaborative Innovation Center of Atmospheric Environment and Equipment Technology， Nanjing 210044， China；3. Jiangsu Technology & Engineering Center of Meteorological Sensor Network， Nanjing University of Information Science & Technology， Nanjing 210044， China）

Abstract： A building environmental monitoring system based on WiFi technology was designed for monitoring of temperature， humidity， natural gas， coal gas and air pressure in the building. The system is composed of monitoring center and monitoring node to realize data transmission between them through WiFi. The monitoring node is composed of STM32 MCU， temperature and humidity sensor， combustible gas sensor， air pressure sensor， and WiFi module. The detected data is transferred to the STM32 MCU through the three sensors， and transmitted to the monitoring center through the WiFi module to realize the real?time monitoring of the building environment. The system has detection performance of diverse targets and strong expansibility， and is suitable for building environmental detection.

Keywords： building environmental monitoring； WiFi； temperature and humidity sensor； gas sensor； air pressure sensorc

0 引 言

隨著社會的不斷進(jìn)步和信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，自動檢測技術(shù)與信息傳輸相結(jié)合的智能樓宇內(nèi)檢測系統(tǒng)正悄然進(jìn)入人們的日常生活中。日新月異的計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)、信息通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、PCB布線技術(shù)讓樓宇內(nèi)檢測更加有效、便捷、安全。以WiFi技術(shù)為基礎(chǔ)構(gòu)成的短距離無線傳感網(wǎng)在各種科技領(lǐng)域得到越來越多的應(yīng)用，例如應(yīng)用在智能家居、智能手機(jī)等移動終端中。如何在檢測系統(tǒng)中整合WiFi無線通信技術(shù)，成為智能監(jiān)控領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)了基于WiFi技術(shù)的樓宇環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，用于監(jiān)測樓宇內(nèi)溫濕度、天然氣、煤氣指標(biāo)和氣壓情況。系統(tǒng)由STM32單片機(jī)、溫濕度傳感器、氣體傳感器、氣壓傳感器和WiFi模塊以及PC機(jī)組成，適用于樓宇環(huán)境檢測，具有一定的實(shí)際意義。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于嵌入式微處理器STM32以及ATK?RM04 WiFi模塊的智能樓宇監(jiān)測系統(tǒng)，主要由監(jiān)測中心和監(jiān)測節(jié)點(diǎn)組成，監(jiān)測中心與監(jiān)測節(jié)點(diǎn)之間通過WiFi實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。監(jiān)測節(jié)點(diǎn)由STM32單片機(jī)、溫濕度傳感器、氣體傳感器、氣壓傳感器和WiFi模塊組成，3個(gè)傳感器把測量數(shù)據(jù)傳到STM32單片機(jī)中，然后STM32單片機(jī)通過WiFi模塊把檢測數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測中心，監(jiān)測中心由PC機(jī)和WiFi模塊組成，從而監(jiān)測中心可以實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測節(jié)點(diǎn)處具體情況實(shí)時(shí)監(jiān)測。本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)完全的無線數(shù)據(jù)傳輸，方便節(jié)點(diǎn)的移動與擴(kuò)展，以路由器作為數(shù)據(jù)傳輸中介，從而更加方便實(shí)用。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 硬件電路

2.1 電源模塊電路

系統(tǒng)采用低功耗設(shè)計(jì)，輸入電源為直流5 V，經(jīng)線性電源（LDO）LM1117?3.3產(chǎn)生3.3 V供電電壓給STM32單片機(jī)供電。LM1117?3.3為線性電源，紋波較小，可以增加測量系統(tǒng)的精確度，同時(shí)也精簡了外圍電路。在LM1117?3.3的輸出點(diǎn)設(shè)計(jì)了LC濾波電路，可以進(jìn)一步減小電源的紋波，提高系統(tǒng)的性能。電源模塊硬件電路圖如圖2所示。

2.2 主控制器電路

主控制器選用STM32F103ZET6芯片，該芯片采用了ARM公司的Cortex?M3高性能內(nèi)核，具有強(qiáng)勁的性能，性價(jià)比高，適合多種用途。STM32F103ZET6單片機(jī)有64 KB SRAM和高達(dá)512 KB的FLASH，可以滿足該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲與計(jì)算。該單片機(jī)含有8個(gè)定時(shí)器（其中包括基本定時(shí)器、通用定時(shí)器和高級定時(shí)器），有3個(gè)12位的ADC以及一個(gè)12位的DAC，并且有12組通用I/O口，每組I/O口為16位。STM32F103ZET6具有的外部通信接口有3個(gè)SPI接口、5個(gè)UART接口以及2個(gè)I2C接口，并且含有一個(gè)FSMC。另外，STM32F103ZET6的中斷功能非常強(qiáng)大，所有I/O口都可以作為外部中斷口，并且所有中斷優(yōu)先級可以通過編程設(shè)置，這在實(shí)際應(yīng)用中非常方便。STM32F103ZET6單片機(jī)電路如圖3所示。

2.3 WiFi模塊電路

系統(tǒng)的WiFi模塊選用廣州星翼電子科技有限公司開發(fā)的ATK?RM04 模塊，該模塊中的核心芯片選用的是Hi?Link 公司高性能的 HLK?RM04 WiFi 芯片。ATK?RM04模塊可以實(shí)現(xiàn)串口、WiFi以及以太網(wǎng)三者數(shù)據(jù)相互傳輸，可以用微處理器對其驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)微處理器上數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)或者以太網(wǎng)傳輸?shù)揭蛱鼐W(wǎng)，也可以把因特網(wǎng)上的數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿⑻幚砥髦?，?shí)現(xiàn)單片機(jī)模塊接入因特網(wǎng)的目的，從而方便通過網(wǎng)絡(luò)對其控制。HLK?RM04 WiFi模塊電路如圖4所示。

2.4 溫濕度傳感器模塊電路

系統(tǒng)采用DHT11一體式數(shù)字溫濕度傳感器，可以同時(shí)對環(huán)境的溫濕度進(jìn)行測量。DHT11采用單總線與微處理器通信，可以節(jié)省I/O口，方便編程，該芯片的功耗低。DHT11溫濕度傳感器電路如圖5所示。

2.5 氣體傳感器電路

系統(tǒng)采用MQ?5氣體傳感器監(jiān)測多種可燃?xì)怏w（對丁烷、丙烷、甲烷的靈敏度高）。MQ?5氣體傳感器以二氧化錫作為其主導(dǎo)的感應(yīng)元件，二氧化錫處在清潔氣體時(shí)的電導(dǎo)率比較小。如果將MQ?5傳感器放置在有可燃?xì)怏w的地方，則隨著周圍可燃?xì)怏w越來越多，傳感器的電導(dǎo)率也會逐漸變大，可以運(yùn)用很簡易的電路使得發(fā)生改變的電導(dǎo)率換算成與可燃?xì)怏w相匹配的輸出電壓值，從而可以實(shí)現(xiàn)對可燃?xì)怏w的監(jiān)測。MQ?5氣體傳感器電路如圖6所示。

2.6 氣壓傳感器電路

BMP180氣壓傳感器是BMP085氣壓傳感器的升級版，是新一代高精度數(shù)字式氣壓傳感器。BMP180的設(shè)計(jì)原理是基于壓阻技術(shù)，該傳感器具有EMC魯棒性、高精確度，線性特性好，穩(wěn)定性高。BMP180氣壓傳感器采用I2C接口，方便與微控制器連接。BMP180氣壓傳感器硬件電路如圖7所示。

3 系統(tǒng)軟件

3.1 監(jiān)測節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測節(jié)點(diǎn)由STM32單片機(jī)、WiFi模塊、溫濕度傳感器、氣體傳感器以及氣壓傳感器構(gòu)成，軟件設(shè)計(jì)主要分為2個(gè)部分：STM32單片機(jī)對3個(gè)傳感器的驅(qū)動，并得到精確的測量數(shù)據(jù)；STM32單片機(jī)對WiFi模塊的驅(qū)動，使其在監(jiān)測節(jié)點(diǎn)與監(jiān)測中心之間組成無線傳感網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)基于WiFi的無線傳輸。監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的軟件流程圖如圖8所示。

3.2 監(jiān)測中心軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測中心由PC機(jī)和WiFi模塊組成，其中PC機(jī)通過Web方式控制WiFi模塊工作在路由器模式下，監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通過WiFi傳輸?shù)奖O(jiān)測中心的WiFi模塊，然后PC機(jī)或智能手機(jī)通過特定軟件讀出監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的測量數(shù)據(jù)。PC機(jī)或者智能手機(jī)上網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手設(shè)置具體步驟為：打開網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手；在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處配置TCP Client模式；在服務(wù)器IP地址處輸入監(jiān)測節(jié)點(diǎn)處的IP地址；配置網(wǎng)絡(luò)端口為8086；確認(rèn)連接。

4 實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證

通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)的監(jiān)測節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)對環(huán)境參數(shù)的采集與測量，并通過WiFi傳輸?shù)奖O(jiān)測中心，監(jiān)測中心可以通過PC機(jī)或者手機(jī)APP查看監(jiān)測到的數(shù)據(jù)，方便使用，人機(jī)交互良好。

監(jiān)測數(shù)據(jù)可以在PC平臺的網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手顯示，如圖9所示；監(jiān)測數(shù)據(jù)也可以通過手機(jī)平臺的網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手顯示，如圖10所示。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一種適用于小區(qū)居民樓或商務(wù)辦公樓宇的基于WiFi技術(shù)的多點(diǎn)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)由監(jiān)測中心和監(jiān)測節(jié)點(diǎn)組成，監(jiān)測數(shù)據(jù)可以通過PC機(jī)或智能手機(jī)平臺顯示，具有良好的交互界面，便于讀取各監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的多種環(huán)境參數(shù)。系統(tǒng)擴(kuò)展性強(qiáng)，可靠性高，傳輸距離遠(yuǎn)，具有一定的實(shí)際意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 衣治安，吳雅娟.大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)[M].北京：中國鐵道出版社，2010.

[2] 吳紅舉，沈建華.嵌入式WiFi技術(shù)研究與通信設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)，2005（6）：5?7.

[3] 陳碩.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)的研究[J].艦船電子工程，2007（5）：17?19.

[4] 蔣峰，張凌濤，賀超英. WiFi技術(shù)在礦井遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].煤礦安全，2010（3）：62?65.

[5] 史殿坤.基于STM32的工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT從站的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2012.

[6] 卜永波，羅小玲，陳一.基于DHT11傳感器的溫濕度采集系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，2013（11）：133?135.