基于安卓手機的環(huán)境信息采集傳輸系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

張 強，鄭 昊

（中國電子科技集團公司第十五研究所，北京100083）

基于安卓手機的環(huán)境信息采集傳輸系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

張 強，鄭 昊

（中國電子科技集團公司第十五研究所，北京100083）

利用藍牙無線傳輸?shù)谋憷院突ヂ?lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)的靈活性，采用安卓手機作為數(shù)據(jù)匯集與上傳中心，使用nRF51822作為數(shù)據(jù)采集終端控制與藍牙傳輸中心，DHT11作為溫濕度采集模塊，同時利用手機采集圖片和GPS信息。安卓手機通過藍牙連接nRF51822芯片，接收到環(huán)境數(shù)據(jù)后將其打包，通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器端，可將結(jié)果通過微信公眾號或網(wǎng)頁在客戶端上進行分析與展示。數(shù)據(jù)采集終端采用藍牙4.0低功耗芯片nRF51822，使用兩節(jié)5號電池即可工作半年以上。此設(shè)計滿足了環(huán)境采集傳感器的實用性和可移動性。

物聯(lián)網(wǎng)；數(shù)據(jù)采集；低功耗藍牙；安卓；互聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)通過智能感知、識別技術(shù)與普適計算等通信感知技術(shù)，廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)的融合中，也因此被稱為繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次浪潮。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)監(jiān)測環(huán)境信息是解決環(huán)境問題的第一步。其中，監(jiān)測設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)庫管理與應(yīng)用或網(wǎng)站的數(shù)據(jù)處理顯示組成此監(jiān)控系統(tǒng)。硬件與軟件的發(fā)展，推進著環(huán)境監(jiān)控向著完善前進。

很多學(xué)者使用Zigbee模塊和單片機網(wǎng)關(guān)的組合實現(xiàn)環(huán)境信息采集與傳輸[1-4]，其中單片機網(wǎng)關(guān)的設(shè)計較為復(fù)雜，并且無法給用戶提供便捷的操作體驗。還有學(xué)者采用單片機模塊、藍牙模塊實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集與傳輸，安卓手機作為客戶端連接藍牙芯片進行環(huán)境數(shù)據(jù)的展示[5-9]。但是由于藍牙傳輸?shù)慕嚯x限制，這樣的設(shè)計無法滿足環(huán)境數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程展示與分析。

文中針對環(huán)境數(shù)據(jù)的采集與傳輸，兼顧其便利性與實用性，采用安卓手機作為傳輸網(wǎng)關(guān)，使用藍牙4.0作為近距離通信技術(shù)，采集溫濕度、煙霧、光照、圖片、經(jīng)緯度、地磁強度等信息，并通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)器，便于后續(xù)的數(shù)據(jù)展示。

1 系統(tǒng)功能與架構(gòu)

1.1 系統(tǒng)功能設(shè)計

此系統(tǒng)包含4大功能模塊：1）nRF51822驅(qū)動環(huán)境傳感器采集環(huán)境數(shù)據(jù)；2）nRF51822通過藍牙將環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸?shù)桨沧渴謾C。3）安卓手機利用自身的傳感器采集環(huán)境信息。4）安卓手機通過互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器端。

1.1.1 nRF51822采集環(huán)境數(shù)據(jù)

利用nRF51822的傳感器驅(qū)動能力，驅(qū)動溫濕度傳感器DHT11采集溫濕度信息，驅(qū)動煙霧傳感器mq-2采集煙霧信息，驅(qū)動光傳感器采集光照信息。

1.1.2 藍牙傳輸

nRF51822搭配低功耗藍牙4.0芯片，通過在安卓手機上編寫藍牙連接程序可以使用安卓手機發(fā)現(xiàn)并連接到nRF51822。安卓端程序通過預(yù)先初始化藍牙連接，可以通過輪詢來獲得每個nRF51822采集的環(huán)境數(shù)據(jù)。

1.1.3 安卓手機采集環(huán)境信息

目前市面上的安卓手機普遍帶有攝像頭、全球定位系統(tǒng)（GPS）、電子羅盤等傳感器，通過編寫安卓程序，可以獲得圖片、經(jīng)緯度、地磁強度等環(huán)境信息。

1.1.4 互聯(lián)網(wǎng)傳輸

安卓手機可以通過安裝的手機卡所提供的GPRS功能或者通過無線局域網(wǎng)功能訪問互聯(lián)網(wǎng)。安卓端和服務(wù)器端約定好數(shù)據(jù)傳輸格式和傳輸接口，通過互聯(lián)網(wǎng)，可以將通過藍牙接收到的環(huán)境數(shù)據(jù)和自身采集的環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器端進行存儲保存。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)依據(jù)不同協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸分為三層架構(gòu)，總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 環(huán)境數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)架構(gòu)

數(shù)據(jù)采集終端由nRF51822、dht11溫濕度傳感器、mq-2煙霧傳感器、光傳感器組成，通過藍牙連接到安卓手機。安卓手機端，通過定時輪詢，可以連接多個數(shù)據(jù)采集終端。安卓手機接收到環(huán)境數(shù)據(jù)后，與自身采集的圖片等數(shù)據(jù)使用http協(xié)議通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)椒?wù)器端。

2 環(huán)境數(shù)據(jù)采集的實現(xiàn)

2.1 環(huán)境數(shù)據(jù)采集終端的硬件實現(xiàn)

環(huán)境數(shù)據(jù)采集終端由nRF51822模塊、DHT11溫濕度傳感器、MQ-2煙霧傳感器、光傳感器組成，通過編寫運行在nRF51822上的程序，可以驅(qū)動DHT11、MQ-2、光傳感器采集環(huán)境數(shù)據(jù)，并能驅(qū)動藍牙連接模塊，進行環(huán)境數(shù)據(jù)的藍牙傳輸。

2.1.1 nRF51822硬件電路

nRF51822是芬蘭NORDIC公司研發(fā)的藍牙4.0低功耗通信芯片，其搭配有32位的ARM Cortex M0處理器，一個32位定時器，兩個16位定時器，31個gpio引腳，支持4路PCM輸出[10-11]，電路圖如圖2所示。

2.1.2 DHT11硬件電路

DHT11是一款有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度傳感器。精度濕度+-5%RH，溫度+-2攝氏度，量程濕度20～90RH，溫度0～50攝氏度。其與nRF51822連接電路圖如圖3所示。DHT11的數(shù)據(jù)輸出端口連接到nRF51822的口相連接。

2.1.3 MQ-2與光傳感器硬件電路

MQ-2煙霧傳感器與光傳感器都是通過AO（模擬輸出）口輸出模擬值。MQ-2連接nRF51822的模擬量輸入口，光傳感器連接nRF51822的模擬量輸入口。

2.2 終端數(shù)據(jù)采集的軟件實現(xiàn)

2.2.1 終端開發(fā)運行環(huán)境

nRF51822搭配有ARM Cortex M0處理器，通過對nRF51822編寫程序，可以驅(qū)動環(huán)境傳感器采集數(shù)據(jù)。nRF51822的開發(fā)環(huán)境有keil5.13.0.0、Jlink4.96d、nRFgoStudio1.17.1、nRF51SDK6.1.0、SoftDevice7.1.0。Nrf51SDK提供了nRF51822的接口，keil用來編寫和調(diào)試程序，Jlink是燒錄驅(qū)動，nRFgoStudio用來燒錄程序到nRF51822，SoftDevice燒錄到nRF51822中用來驅(qū)動藍牙4.0。

燒錄程序時，使用Jlink仿真器連接nRF51822和電腦后，打開nRFgoStudio，首先燒錄SoftDevice，然后燒錄編譯后生成的二進制程序。

圖2 nRF51822電路圖

圖3 DHT11連接nRF51822電路圖

2.2.2 采集溫濕度

DHT11芯片內(nèi)置控制器，通過單總線實現(xiàn)雙向通信。首先，主機發(fā)送開始信號，DHT11等待主機開始信號結(jié)束后，開始采集溫濕度信息，然后將40 bit的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C，數(shù)據(jù)格式為8 bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8 bi溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit校驗和[12-14]。

整個通訊過程如圖4所示

圖4 DHT11通信時序

nRF51822向DHT11發(fā)送開始信號的代碼如下：

2.2.3 采集煙霧濃度和光照強度

MQ-2和光傳感器的輸出為模擬值，nRF51822通過讀取模擬值后，根據(jù)模擬值與煙霧濃度和光照強度的轉(zhuǎn)換關(guān)系，可以將模擬值轉(zhuǎn)換為濃度值和強度值。nRF51822讀取模擬數(shù)據(jù)的代碼如下：

2.3 安卓手機端環(huán)境數(shù)據(jù)采集的軟件實現(xiàn)

2.3.1 安卓開發(fā)環(huán)境

開發(fā)環(huán)境由帶有攝像頭、GPS、電子羅盤的安卓手機、JDK1.8、AndroidStudio2.2.0.0組成，其中安卓手機中操作系統(tǒng)版本為Android5.0.2。其中，安卓手機運行編寫好的軟件采集環(huán)境信息，JDK提供java開發(fā)環(huán)境，AndroidStudio用來編寫、編譯、安裝程序到安卓手機。

2.3.2 安卓端實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集

程序需要使用攝像頭、GPS、電子羅盤、SD存儲卡模塊，需要首先在Android的清單文件中添加使用權(quán)限。在程序中調(diào)用Andoid SDK提供的攝像頭接口拍照，然后將照片存儲到SD存儲卡中，調(diào)用GPS接口獲得經(jīng)緯度位置信息，調(diào)用電子羅盤接口獲得地磁強度。編寫好程序后，安裝到安卓手機上進行調(diào)試。

3 環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崿F(xiàn)

3.1 藍牙數(shù)據(jù)傳輸

3.1.1 藍牙4.0概述

藍牙技術(shù)聯(lián)盟（Bluetooth SIG）2010年7月7日宣布，正式采納藍牙4.0核心規(guī)范（Bluetooth Core Specification Version 4.0）。藍牙4.0技術(shù)擁有極低的運行和待機功耗，使用一粒紐扣電池甚至可連續(xù)工作數(shù)年之久。

藍牙4.0規(guī)范定義了通用訪問協(xié)議（Generic Access Profile，GAP）和通用屬性協(xié)議（Generic Attribute，GATT）。GAP負(fù)責(zé)發(fā)送廣播，建立連接，初始化設(shè)別等通信準(zhǔn)備工作，GATT負(fù)責(zé)鏈接后的數(shù)據(jù)通信[15-16]。

3.1.2 藍牙數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崿F(xiàn)

nRF51822做為從設(shè)備，進行廣播，當(dāng)接收到連接請求后，建立連接，獲得連接建立成功事件后，開始驅(qū)動傳感器采集環(huán)境數(shù)據(jù)，然后將環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送給安卓手機，當(dāng)獲得連接斷開事件后，nRF51822進入低功耗，等待下一次的連接。安卓手機首先需要做一次初始化連接，初始化連接的目的是記錄后續(xù)待連接的nRF51822的物理地址（Media Access Control，MAC）。然后設(shè)置一個定時器，定時讀取已存儲的藍牙MAC地址，連接藍牙設(shè)備，讀取環(huán)境數(shù)據(jù)后斷開連接。

3.2 互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸

安卓手機通過藍牙獲得采集終端傳輸?shù)沫h(huán)境數(shù)據(jù)和自身采集的環(huán)境數(shù)據(jù)后，需要通過互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器端，由服務(wù)器存儲處理。安卓手機通過http協(xié)議的post方法，將數(shù)值型環(huán)境數(shù)據(jù)和標(biāo)識符組成鍵值對，作為傳輸參數(shù)通過一次請求傳輸?shù)椒?wù)器。代碼如下：

對于圖片這種大二進制文件的傳輸，使用構(gòu)造post請求來實現(xiàn)。

4 系統(tǒng)總體實現(xiàn)

安卓手機作為中心點，使用定時輪詢通過藍牙獲得分散在周邊的多個采集終端的環(huán)境數(shù)據(jù)，結(jié)合本身采集的環(huán)境數(shù)據(jù)，通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到服務(wù)器。整個系統(tǒng)的工作流程如圖5所示。

圖5 環(huán)境采集傳輸系統(tǒng)流程圖

5 結(jié)束語

該系統(tǒng)利用藍牙低功耗技術(shù)，實現(xiàn)了具備長達半年以上的采集終端，結(jié)合安卓手機作為中心，方便了用戶的設(shè)置操作，更能夠調(diào)用安卓手機的攝像頭和傳感器采集圖像、位置、地磁強度等環(huán)境信息，利用安卓手機連接互聯(lián)網(wǎng)的方便性，實現(xiàn)了將環(huán)境數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器的功能，為最終環(huán)境數(shù)據(jù)的多方面展示、深入分析，提供了基礎(chǔ)。本系統(tǒng)所述方案已證明可行，系統(tǒng)的安裝便捷性和使用方便性可使其在多領(lǐng)域應(yīng)用，目前已用于機房監(jiān)控、倉庫監(jiān)控等領(lǐng)域。后續(xù)需要繼續(xù)完善環(huán)境數(shù)據(jù)采集終端，利用微信和網(wǎng)頁實現(xiàn)多種類的環(huán)境數(shù)據(jù)展示，同時，大量數(shù)據(jù)的積累，為環(huán)境數(shù)據(jù)的深度分析提供了數(shù)據(jù)來源。

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Design and implementation of environment information acquisition and transmission system based on Android mobile phone

ZHANG Qiang，ZHENG Hao
（The15THResearch Institute Of China Electronics Technology Group Corporation，Beijing100083，China）

The use of Bluetooth wireless transmission convenience and the flexibility of the Internet transmission of data，the use of Android mobile phone as a data collection and upload center，the use of nRF51822 as a data acquisition terminal control and Bluetooth transmission center，DHT11 as a temperature and humidity acquisition module，while using mobile phones to collect pictures and GPS information.Android mobile phone through the Bluetooth connection nRF51822 chip，after receiving the environmental data will be packaged，sent to the remote server through the Internet，the results can be displayed by WeChat public or web page on the client for analysis and display.Data acquisition terminal using Bluetooth 4.0 low-power chip nRF51822，the use of two batteries on the 5th can work more than six months.This design meets the practicality and mobility of the environmental acquisition sensor.

Internet of things；data acquisition；low power bluetooth；Android

TN914

A

1674-6236（2017）22-0069-05

2017-04-10稿件編號：201704052

張強（1992—），男，山東臨沂人，碩士研究生。研究方向：地理信息系統(tǒng)。