基于WiFi 技術(shù)的智能環(huán)境檢測系統(tǒng)

張 兵 王澤偉 孫曉葉

（防災(zāi)科技學(xué)院，河北 三河065200）

1 概述

在智能互聯(lián)的推動下，各種通信技術(shù)迅速更新迭代。國內(nèi)外也涌現(xiàn)出了一大批的以通信和物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的產(chǎn)業(yè)。在硬件開發(fā)板領(lǐng)域野火、樹莓派、Arduino 成為電子行業(yè)快速發(fā)展起來的開發(fā)板套件；在通訊領(lǐng)域5G 通信、NB-IOT、藍(lán)牙5.0 等通信技術(shù)的發(fā)展也在不斷推動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展；在云平臺領(lǐng)域阿里云平臺、中國移動云平臺、騰訊云等的云服務(wù)也逐步成熟。在智能環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為主要技術(shù)被廣泛應(yīng)用。把物聯(lián)網(wǎng)與環(huán)境監(jiān)測結(jié)合起來具有十分明顯的優(yōu)勢。我國空氣污染形勢嚴(yán)峻，監(jiān)測霧霾，有害氣體的含量成為空氣指標(biāo)的剛需。目前，智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)有一定的應(yīng)用，但是仍然具有很大的發(fā)展前景。本文就是基于以上背景和理念下，利用Arduino 和中國移動的OneNET 平臺對環(huán)境進(jìn)行智能監(jiān)測。旨在采用Arduino 對環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并將數(shù)據(jù)上傳到云端，從而幫助用戶采集到指定環(huán)境條件下的數(shù)據(jù)，并對環(huán)境進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)擬定采用Arduino 開發(fā)板和傳感器模塊，實(shí)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集。并將環(huán)境數(shù)據(jù)上傳到OneNET 平臺，通過OneNET 所提供的云服務(wù)，和實(shí)時數(shù)據(jù)處理, 實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測和控制。用戶只需要在移動端或在網(wǎng)頁上登錄就可以遠(yuǎn)程看到環(huán)境的數(shù)據(jù)，并可以通過頁面上的按鈕遠(yuǎn)程對指定的LED 燈和繼電器進(jìn)行控制。本系統(tǒng)擬定將實(shí)現(xiàn)以下開發(fā)目標(biāo)：（1）本系統(tǒng)開發(fā)路線清晰，程序可用度高，能夠?qū)崿F(xiàn)對環(huán)境數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確采集和直觀的數(shù)據(jù)展示。（2）在界面上直觀的展示采集到的數(shù)據(jù)，可以遠(yuǎn)程監(jiān)控指定環(huán)境下的溫度、濕度、光照、煙霧氣體等數(shù)據(jù)。并且可以通過界面上的操作，對指定的繼電器等進(jìn)行控制。（3）在后臺的管理界面實(shí)現(xiàn)用戶的登錄、注銷、修改、授權(quán)等操作。（4）可以通過后臺對傳感器信息進(jìn)行的更新，實(shí)現(xiàn)傳感器等管理，以方便管理員對傳感器的維護(hù)處理；（5）本系統(tǒng)在注重功能實(shí)現(xiàn)的同時，具有頁面簡單整潔，數(shù)據(jù)傳輸高效準(zhǔn)確等目標(biāo)。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)包括下位機(jī)部分和管理系統(tǒng)兩部分內(nèi)容，下位機(jī)部分主要是單片機(jī)、傳感器、WiFi 模塊的設(shè)計(jì)，管理系統(tǒng)部分是WEB 管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，二者共同組成本系統(tǒng)。

2.1 系統(tǒng)功能描述

本系統(tǒng)是基于Arduino 和傳感器技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過WiFi 技術(shù)和HTTP 技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，采用OneNET 云平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)展示。傳感器采集環(huán)境的光照、煙霧、溫度、濕度數(shù)據(jù)，通過HTTP 協(xié)議上傳到OneNET 平臺。云平臺收到數(shù)據(jù)之后，用戶可以再在移動端或者電腦端實(shí)現(xiàn)對環(huán)境的監(jiān)測和遠(yuǎn)程控制。因?yàn)镺neNET 不開放數(shù)據(jù)庫，所以采用Python 爬蟲將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到本地?cái)?shù)據(jù)庫，在本地?cái)?shù)據(jù)庫對環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。并且可以通過管理系統(tǒng)進(jìn)行用戶管理和對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查看。

圖1 智能環(huán)境檢測系統(tǒng)圖

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

2.2 硬件部分系統(tǒng)功能描述

本系統(tǒng)硬件部分采用傳感器監(jiān)測環(huán)境數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)實(shí)時上傳到OneNET 云平臺。再通過OneNET 云平臺的返回的數(shù)據(jù)顯示到顯示屏上。同時移動端或電腦端可以通過網(wǎng)頁或者APP對云平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問。本設(shè)計(jì)的硬件部分包括各類Arduino Mega 2560、傳感器、WiFi 模塊、供電電源等實(shí)現(xiàn)如下功能：

本設(shè)計(jì)硬件功能結(jié)構(gòu)圖2。

圖2 硬件功能結(jié)構(gòu)圖

2.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選擇了Arduino Mega 2650 作為主控模塊。Arduino Mega 開發(fā)板上集成了54 路數(shù)字輸入/輸出端口，16 路模擬輸入端口[1]。本設(shè)計(jì)中選擇Arduino Mega 的主要原因是其的閃存較大，具有較多的引腳，能夠更好的滿足本設(shè)計(jì)的需求。本智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)在硬件部分主要采用了溫濕度傳感器、光照傳感器、煙霧傳感器，用來采指定環(huán)境條件下的溫度、濕度、光照和煙霧氣體的參數(shù)。本系統(tǒng)的無線通信模塊采用了由上海樂鑫信息科技開發(fā)的，可以作為微控制器使用WiFi 控制芯片ESP8266。選用其的原因是低功耗、高集成度，成本低、且具有完整TCP/IP 協(xié)議棧。其常用于串口CH340 轉(zhuǎn)WiFi、WiFi 遠(yuǎn)程監(jiān)控/控制、安防一體化管理等領(lǐng)域。本設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)顯示模塊采用了LCD1602A 液晶顯示屏。用來顯示當(dāng)前狀態(tài)的溫度、濕度、煙霧氣體、光照參數(shù)。LCD1602 屏幕為2 行，每行顯示16 個字符，為字符型顯示器，只能顯示數(shù)字和字符，不可以顯示漢字[2]。常用于少量字符顯示的電子設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)中采用該模塊顯示從OneNET 端獲得的傳感器數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)中使用了常規(guī)的LED 燈和繼電器作為控制器，蜂鳴器作為煙霧超標(biāo)預(yù)警進(jìn)行報(bào)警。LED燈是一種常用的控制發(fā)光源，其的基本結(jié)構(gòu)是一個被環(huán)氧樹脂封裝好的半導(dǎo)體芯片，在通電后可進(jìn)行發(fā)光。因?yàn)槠涔?jié)能、長效、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)被應(yīng)用于各類場景。繼電器是一種常用的控制器，能夠通過對較小電流去控制較大的電流?？梢酝ㄟ^控制電路實(shí)現(xiàn)被控電路的通斷。在本設(shè)計(jì)中為了提高硬件部分的功能可拓展性。所以選擇繼電器為第二個控制器。蜂鳴器是一種常用的警報(bào)模塊。其是直流電壓供電的電子訊響設(shè)備，發(fā)聲原理是通過采用震蕩源發(fā)聲。在物聯(lián)網(wǎng)和電子設(shè)計(jì)中。常用于系統(tǒng)警報(bào)或作為提示音出現(xiàn)。蜂鳴器分為有源蜂鳴器和無源蜂鳴器兩種：區(qū)別主要在于蜂鳴器內(nèi)部是否有震動源。有源蜂鳴器其內(nèi)部自帶震蕩源，只需要進(jìn)行通電就可以發(fā)聲，無源蜂鳴器內(nèi)部不帶震蕩源，具有類似與擴(kuò)音器一樣的效果，需要接入震蕩源才能進(jìn)行發(fā)聲。本系統(tǒng)中采用了有源蜂鳴器作為煙霧濃度超標(biāo)的報(bào)警。

3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

3.1 OneNET 設(shè)計(jì)

在硬件部分按照接線圖，搭建完成，并編譯，上傳成功后，將系統(tǒng)接電，在OneNET 云平臺上進(jìn)行設(shè)置相關(guān)參數(shù)，使得其能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的交互。在瀏覽器輸入網(wǎng)址https://open.iot.10086.cn/，或搜索OneNET，搜索到OneNET 中國移動物聯(lián)網(wǎng)開放平臺后，點(diǎn)擊進(jìn)入。在注冊登錄之后，點(diǎn)擊右上角的開發(fā)者中心可以跳轉(zhuǎn)到開發(fā)者中心，在這里可以進(jìn)行添加產(chǎn)品，在此處有已經(jīng)創(chuàng)建好的產(chǎn)品;點(diǎn)擊進(jìn)入后，會對單獨(dú)的產(chǎn)品有一個特有的產(chǎn)品id和Master-APIkey 和接入的協(xié)議，在此處，可以進(jìn)行一系列的編輯和權(quán)限操作，在本系統(tǒng)中，我們采用了HTTP 協(xié)議進(jìn)行通訊。右側(cè)點(diǎn)擊選擇數(shù)據(jù)流模板，確定數(shù)據(jù)流的模板，在此處根據(jù)本系統(tǒng)的規(guī)劃，設(shè)置了temp，humi，light，smoke，led，relay6 個數(shù)據(jù)流，分別對應(yīng)溫度、濕度、光照、煙霧氣體、LED 燈、繼電器,在觸發(fā)器管理部分，添加觸發(fā)器，當(dāng)溫度大于80 攝氏度時給指定的郵箱發(fā)送郵件，提醒溫度或濕度異常.因?yàn)镺neNET 云平臺并不開放提供數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)保存，所以采用Python 腳本程序?qū)⒕W(wǎng)站的數(shù)據(jù)實(shí)時的轉(zhuǎn)存到MySQL 本地?cái)?shù)據(jù)庫中去。

3.2 智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)使用MySQL 數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)，使用MyEclipse 編寫JSP 網(wǎng)頁。網(wǎng)站前臺設(shè)置部分主要實(shí)現(xiàn)了用戶的登錄、個人信息修改、管理員權(quán)限的修改、管理員密碼修改、傳感器的增刪改查、歷史數(shù)據(jù)的查詢。

登錄頁面:智能監(jiān)測環(huán)境系統(tǒng)的首頁，用戶必須登錄后方能使用系統(tǒng)功能，網(wǎng)站的首頁是也登錄界面，其中內(nèi)置管理員為admin，密碼為123，且不允許刪除該管理員。

用戶列表頁面:智能監(jiān)測環(huán)境系統(tǒng)在登錄進(jìn)入后，顯示功能菜單。第一項(xiàng)是用戶列表。本系統(tǒng)不支持用戶注冊，但可以在系統(tǒng)中進(jìn)行用戶的管理和權(quán)限設(shè)置。

傳感器管理頁面:智能監(jiān)測環(huán)境系在傳感器界面可以進(jìn)行傳感器的添加、查詢、修改和刪除。

歷史數(shù)據(jù)頁面:智能監(jiān)測環(huán)境系在歷史數(shù)據(jù)界面可以通過傳感器名稱的查詢，查詢歷史的傳感器數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了WiFi 技術(shù)的智能環(huán)境檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過程，從硬件環(huán)境的搭建到實(shí)際工作的完成。本設(shè)計(jì)在硬件組成部分，沒有使用常規(guī)的單片機(jī)進(jìn)行開發(fā)，而是對已有的開發(fā)板上連接傳感器和通訊模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，在數(shù)據(jù)傳輸中，使用HTTP 請求，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街袊苿覱neNET 云平臺。實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的交互。然后在本地服務(wù)器，使用Python 語言完成數(shù)據(jù)請求，將已經(jīng)在云端的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖镜財(cái)?shù)據(jù)庫中，再通過WEB 頁面進(jìn)行數(shù)據(jù)展示和管理員的管理操作。