基于CortexM4與AndroidAPP的遠(yuǎn)端家庭環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

侯昌華 包敬海 梁燕葵 陸民飛 楊祥 覃紹勝

摘 要：設(shè)計基于ARM Cortex M4 （STM32F407ZGT6）的微型控制器，完成對設(shè)備端傳感器（溫度、濕度、光強、煙霧等）輸入信號的采集（模擬量轉(zhuǎn)數(shù)字量算法、條件組數(shù)字量濾波算法）與機械設(shè)備（門、窗、燈）的輸出控制，并通過SIM-GPRS網(wǎng)關(guān)與騰訊云端主機建立網(wǎng)絡(luò)連接;Android APP完成對客戶端用戶登錄、信息查看以及對下控制交互頁面，且通過HTTP網(wǎng)絡(luò)通信與騰訊云主機上Tomcat7服務(wù)器承載的自定義Java Web服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)訪問，采用C/S架構(gòu)，使客戶端程序與服務(wù)器數(shù)據(jù)庫直接建立連接，實現(xiàn)對智能設(shè)備端遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的查看與向下控制。

關(guān)鍵詞：Cortex M4;遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò);環(huán)境監(jiān)控;Android APP;濾波算法;Tomcat7

中圖分類號：TP277文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1302（2019）10-0-03

0 引 言

隨著信息智能化的迅速發(fā)展與應(yīng)用管理水平的不斷提高，人們對智能一體化設(shè)備以及自身安全信息管理平臺的需求與關(guān)注度日趨增長[1]，智能且安全的應(yīng)用系統(tǒng)的需求日益增強。近年來，智能物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域涌現(xiàn)出一批具有影響力的企業(yè)和團(tuán)隊，研發(fā)出一系列應(yīng)用產(chǎn)品，主要涵蓋智能家居、車載電子、農(nóng)林養(yǎng)殖及消費類電子等，在通信協(xié)議層主要采用藍(lán)牙，WiFi，ZigBee，Z-wave，VESP等方案[2-3]。

然而，集成度較高的智能家居系統(tǒng)成本太高，而簡單的控制系統(tǒng)難以滿足遠(yuǎn)程控制的需求。為此，本文基于Cortex M4與Android APP設(shè)計一個遠(yuǎn)端家庭環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)[4]，利用ARM處理器對家居中的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行實時監(jiān)控，并通過SIM900A網(wǎng)關(guān)設(shè)備與云端進(jìn)行通信。同時，為方便用戶使用，通過Android Studio設(shè)計APP應(yīng)用軟件程序。

1 系統(tǒng)組成框架

系統(tǒng)在正常網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的基礎(chǔ)上可實現(xiàn)全天候、無季節(jié)、遠(yuǎn)距離的監(jiān)測與控制，完成對設(shè)備端、云端以及客戶端系統(tǒng)設(shè)備的搭建與數(shù)據(jù)通信關(guān)聯(lián)。整體功能系統(tǒng)包括傳感器輸入、處理器輸入輸出、網(wǎng)絡(luò)通信傳輸、基站中轉(zhuǎn)、云端服務(wù)器、移動客戶端Android APP，可用于對遠(yuǎn)端家庭環(huán)境室內(nèi)安全信息傳感器數(shù)據(jù)（溫度、濕度、光強、煙霧等）的檢測及對機械設(shè)備（門、窗、燈）的控制。整體框架可分為設(shè)備端、云端、客戶端三部分，具體如圖1所示。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)原理

2.1 設(shè)備端系統(tǒng)實現(xiàn)

基于ARM Cortex M4 STM32F407ZGT6處理器，通過使用VC/C++計算機程序語言，在Keil MDK5嵌入式集成開發(fā)工具上實現(xiàn)對處理器邏輯應(yīng)用I/O驅(qū)動程序的開發(fā)[5-7]。程序總體結(jié)構(gòu)可分為硬件設(shè)備初始化塊、多任務(wù)創(chuàng)建塊、觸摸屏響應(yīng)塊、圖形化界面顯示塊、傳感器數(shù)據(jù)更新塊、網(wǎng)絡(luò)通信塊等。設(shè)備端系統(tǒng)軟件程序設(shè)計采用模塊化面向功能函數(shù)編程的設(shè)計，同時加入了多任務(wù)實時操作系統(tǒng)μC/OS-III與圖形化界面庫STemWin。

（1）初始化程序完成對硬件設(shè)備寄存器驅(qū)動、GUI庫、μC/OS-III實時操作系統(tǒng)[8]的初始配置。

（2）Touch任務(wù)函數(shù)是μC/OS-III多任務(wù)系統(tǒng)下創(chuàng)建的子任務(wù)函數(shù)，調(diào)用STemWin接口API，對觸摸屏觸摸輸入的有效命令進(jìn)行檢測與響應(yīng)。

（3）EmWin任務(wù)函數(shù)是μC/OS-III多任務(wù)系統(tǒng)下創(chuàng)建的子任務(wù)函數(shù)，調(diào)用STemWin接口API實現(xiàn)LCD的界面顯示，包括鼠標(biāo)游標(biāo)、主體界面（窗口、Logo圖片、傳感實時數(shù)據(jù)文本、觸摸控鍵Button圖片）的顯示。

（4）Test任務(wù)函數(shù)是μC/OS-III多任務(wù)系統(tǒng)下創(chuàng)建的子任務(wù)函數(shù)，調(diào)用自定義的邏輯接口API函數(shù)實現(xiàn)對底層的控制訪問，包括傳感器數(shù)據(jù)的輸入更新、機械設(shè)備的輸出控制及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的通信傳輸。

設(shè)備端系統(tǒng)軟件程序流程如圖2所示。

2.2 云端服務(wù)器系統(tǒng)實現(xiàn)

騰訊云Windows Server 2012R2主機搭載Tomcat7服務(wù)器，通過Java Web技術(shù)實現(xiàn)云端應(yīng)用服務(wù)程序，并完成對智能設(shè)備端設(shè)備及客戶端應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)請求、響應(yīng)服務(wù)，以及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸、交互。網(wǎng)絡(luò)端通信遵循HTTP協(xié)議，采用輕量級的“名值對”集合JSON數(shù)據(jù)格式封裝、存儲數(shù)據(jù)流[9-10]。云端系統(tǒng)軟件程序框架如圖3所示。

2.3 客戶端系統(tǒng)實現(xiàn)

基于Android系統(tǒng)配置集成開發(fā)的移動應(yīng)用軟件，其UI界面設(shè)計與組件設(shè)置融合成型[11-12]。應(yīng)用軟件實現(xiàn)用戶登錄，獲取傳感器數(shù)據(jù)，利用控制命令進(jìn)入個人信息頁面。首先程序開啟進(jìn)入Logo登錄界面，等待用戶輸入賬號、密碼并點擊登錄，后臺服務(wù)程序獲取用戶賬號、密碼文本字符傳送云端服務(wù)器數(shù)據(jù)庫匹配校驗，用戶賬號、密碼由開發(fā)者在云端MySQL數(shù)據(jù)庫自定義存入，用戶無權(quán)更改。校驗到用戶存在后，云端服務(wù)器回饋登錄成功代碼，登錄成功后進(jìn)入默認(rèn)界面（信息頁面），底部控件欄可切換、選擇查看頁面。進(jìn)入信息頁面：定時更新及顯示從云端服務(wù)器程序獲取到的傳感器數(shù)據(jù)信號量。進(jìn)入控制頁面：圖形狀態(tài)可由控鍵顯示，并將當(dāng)前狀態(tài)傳送至云端服務(wù)器程序。進(jìn)入個人頁面：靜態(tài)文本字符顯示用戶個人信息?？蛻舳讼到y(tǒng)軟件程序流程如圖4所示。

3 設(shè)計與研究

3.1 直流電源

利用LM2596和AMS1117核心器件組合成典型的穩(wěn)壓電路，調(diào)制出5 V/3.3 V的直流穩(wěn)壓電源供給設(shè)備系統(tǒng)的各個子模塊。

3.2 傳感器

系統(tǒng)采用接觸式測溫器件DS18B20測量溫度，經(jīng)測試分析，溫度示數(shù)取決于器件表面感應(yīng)到的熱量。采用電阻式感濕器件DHT11測量濕度，采集到的數(shù)據(jù)信息量與空氣濕潤度成正比關(guān)系。采用數(shù)字集成器件BH1750測量光照強度。采用表面電離子式N型半導(dǎo)體氣體敏感器件MQ-2測量煙霧濃度，從而進(jìn)行模擬量輸出。傳感器指標(biāo)數(shù)據(jù)見表1所列。

3.3 TFT LCD模組

設(shè)備端交互界面選用4.3寸觸摸顯示一體LCD電容屏顯示，采用控制驅(qū)動屏數(shù)據(jù)/命令總線FSMC，通過調(diào)用STemWin GUI庫，實現(xiàn)交互界面的主體框架窗口、位圖、文本顯示和觸摸點擊響應(yīng)。

3.4 網(wǎng)絡(luò)通信

設(shè)備端網(wǎng)絡(luò)通信網(wǎng)關(guān)選用SIM900A（GSM/GPRS）模塊（串口（RXD/TXD）），需提供12 V工作電源。插入有數(shù)據(jù)流量支持GPRS通信的SIM卡（物聯(lián)卡/普通電話卡），通過配套的AT指令集配置SIM900A模塊為HTTP通信模式，使本地設(shè)備與公網(wǎng)IP云主機服務(wù)器建立網(wǎng)絡(luò)訪問，最終實現(xiàn)設(shè)備端數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)傳輸。

3.5 云服務(wù)器

遠(yuǎn)程在線操作公網(wǎng)IP的騰訊云主機，安裝并配置Tomcat7服務(wù)器與MyEclipse 集成開發(fā)工具，將Tomcat7配置綁定于MyEclipse，由MyEclipse工具操縱Tomcat7。啟動Tomcat7服務(wù)器后，在PC瀏覽器輸入云主機Tomcat7 服務(wù)器的URL參數(shù)（IP+端口），測試并驗證服務(wù)器通網(wǎng)訪問是否成功。使用MyEclipse環(huán)境創(chuàng)建Java Web 工程，通過HttpServlet實現(xiàn)客戶端與服務(wù)器、設(shè)備端與服務(wù)器的交互[13-14]。

3.6 Android APP

在PC機上使用Android Studio 3.0集成開發(fā)工具與Android 6.0版智能手機開發(fā)者模式進(jìn)行USB通信ADB在線調(diào)試，通過C/S架構(gòu)完成用戶登錄網(wǎng)路服務(wù)器數(shù)據(jù)驗證[15-16]，用戶點擊界面Button控制命令進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)上傳，可實時獲取并更新溫濕度、光照強度及個人用戶信息。

3.7 模擬量轉(zhuǎn)換數(shù)字量算法

4 結(jié) 語

本文設(shè)計了一套綜合性聯(lián)網(wǎng)控制設(shè)備系統(tǒng)，軟件方面應(yīng)用Android APP軟件開發(fā)技術(shù)、Java Web后端服務(wù)器程序開發(fā)技術(shù)、中級嵌入式驅(qū)動系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)編程TCP/HTTP技術(shù)等;硬件方面應(yīng)用電源管理技術(shù)、數(shù)字模擬量傳感器技術(shù)、嵌入式硬件系統(tǒng)技術(shù)等，實現(xiàn)對溫濕度、光照強度、煙霧濃度的采集，以及對機械開關(guān)的輸出控制，并可實現(xiàn)遠(yuǎn)端監(jiān)控。本文系統(tǒng)具有一定的實用性，值得深入研究及應(yīng)用推廣。

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