基于STM32的車間環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

王勛　陶銘

摘? 要： 生產(chǎn)車間的環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測僅靠傳統(tǒng)的手持式儀器儀表及手工記錄無法保證數(shù)據(jù)的即時性和準確性。因此，設(shè)計并實現(xiàn)了一種綜合傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)和移動應用開發(fā)技術(shù)的車間環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)。以STM32F103C8T6單片機為核心，搭載傳感器器件實現(xiàn)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)采集，采用ESP8266 Wi-Fi模塊進行數(shù)據(jù)傳輸，并同步開發(fā)了安卓應用以展示車間環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)。黑盒測試表明，該系統(tǒng)實現(xiàn)了預設(shè)功能，達到了預期目標。

關(guān)鍵詞： 車間環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測; STM32; ESP8266; 安卓應用

中圖分類號：TP393? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ?文章編號：1006-8228（2022）02-36-03

Design and implementation of STM32 based workshop environmental

quality monitoring system

Wang Xun， Tao Ming

（School of Computer Science and Technology， Dongguan University of Technology， Dongguan， Guangdong 523808， China）

Abstract： The environmental quality monitoring of production workshop cannot guarantee the immediacy and accuracy of data only by traditional hand-held instruments and manual records. Therefore， a workshop environmental quality monitoring system integrating sensor technology， wireless communication technology and mobile application development technology is designed and implemented. Taking STM32F103C8T6 single chip microcomputer as the core， sensor devices are adapted to realize environmental quality monitoring data acquisition， ESP8266 WiFi module is used for data transmission， and Android applications are synchronously developed to display workshop environmental quality monitoring data. The black box test shows that the system realizes the preset function and achieves the expected goal.

Key words： workshop environmental quality monitoring; STM32; ESP8266; Android application

0 引言

電子元件、原料及食物等產(chǎn)品，都需要在一個條件適合的環(huán)境中生產(chǎn)和保存，因此生產(chǎn)車間環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測的即時性和準確性關(guān)乎一個車間以至整個工廠的效率、盈利等各個方面，也與員工的健康保障息息相關(guān)[1-2]。本文綜合傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)以及移動應用開發(fā)技術(shù)，設(shè)計并實現(xiàn)了一種車間環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)包括硬件設(shè)計及軟件設(shè)計。硬件部分以STM32F103C8T6單片機為核心板，搭載傳感器器件實現(xiàn)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)采集[3-4]，采用ESP8266 WiFi模塊進行數(shù)據(jù)傳輸[5]，同步開發(fā)了安卓應用客戶端展示及統(tǒng)計分析車間環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)。通常在生產(chǎn)車間中，環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)的監(jiān)測容易受到外界環(huán)境的干擾[6-7]，為使系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)更加精確，本系統(tǒng)結(jié)合應用場景的需求，采用了中位值數(shù)字濾波算法對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行篩選處理[8]。系統(tǒng)總體設(shè)計框架如圖1所示。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

硬件系統(tǒng)主要由四個子系統(tǒng)組成，分別為傳感器信息采集子系統(tǒng)、通信子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)、顯示子系統(tǒng)。四個子系統(tǒng)之間相互協(xié)調(diào)，構(gòu)成車間環(huán)境監(jiān)測硬件系統(tǒng)，系統(tǒng)硬件設(shè)計架構(gòu)如圖2所示。

圖2中數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)采用STM32F103C8T6單片機為核心板，搭載WIFI通信模塊、LCD模塊、溫濕度傳感器、光敏電阻傳感器、粉塵傳感器、甲醛傳感器、報警處理模塊，對生產(chǎn)車間環(huán)境中的氣體、溫濕度、光照強度及粉塵濃度等信息進行實時采集，并將采集到的數(shù)據(jù)進行過濾處理[3-4]?？刂谱酉到y(tǒng)通過指令集的發(fā)送和接受，控制車間內(nèi)燈、風扇、蜂鳴器等設(shè)備，實現(xiàn)警報和緊急事件處理等功能。顯示子系統(tǒng)主要通過安卓應用客戶端展示和統(tǒng)計分析車間環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)。通信子系統(tǒng)主要實現(xiàn)上述子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳遞功能[5]。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)后臺軟件采用MVP（Model-View-Presenter，即：模型層-視圖層-表現(xiàn)層）架構(gòu)開發(fā)[9]，客戶端使用Android Studio原生開發(fā)的Android應用程序。客戶端主要實現(xiàn)了登錄、注冊，以及監(jiān)測數(shù)據(jù)展示、統(tǒng)計分析等功能。在用戶個人中心還實現(xiàn)了新聞、天氣等第三方功能模塊。系統(tǒng)軟件設(shè)計架構(gòu)如圖3所示。

3 數(shù)據(jù)庫關(guān)系模型設(shè)計

從功能設(shè)計出發(fā)，本系統(tǒng)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫模型如下所述（其中“主鍵”下劃線表示，“外鍵”雙下劃線表示）。

管理員：（用戶ID，用戶賬號，用戶密碼，角色）

用戶實體：（用戶ID，用戶昵稱，用戶性別，省份，城市，注冊時間，政治面貌，出生年月，婚姻狀態(tài)）

用戶信息：（用戶名，用戶密碼，郵箱，頭像）

設(shè)備實體：（設(shè)備ID，設(shè)備類型，設(shè)備類型ID，當前數(shù)據(jù)，設(shè)備單位，設(shè)備圖片，所屬用戶，備注信息）

數(shù)據(jù)類型實體：（數(shù)據(jù)ID，當前數(shù)值，當前時間，警報閾值，單位）

設(shè)備日志信息：（設(shè)備ID，設(shè)備圖片，操作類型，操作時間，設(shè)備類型，是否已讀）

警報信息：（信息ID，所屬用戶ID，警報圖片，警報標題，警報描述，警報時間）

地理位置信息：（名稱，位置ID，經(jīng)度，緯度，國家，省份，城市）

當前天氣信息：（報導時間，溫度，濕度，圖片，天氣描述，風速，規(guī)模，氣壓，云密度，降水量等）

意見反饋實體：（意見編號ID，反饋用戶的賬號，反饋內(nèi)容，反饋時間，反饋圖片）

4 數(shù)字濾波算法設(shè)計

在采用STM32F103C8T6單片機為核心板搭載各類傳感器進行生產(chǎn)車間環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)采集時，通常會遇到非人為的誤差，呈現(xiàn)出不可預料的不規(guī)律數(shù)值。為減弱甚至是消除外界環(huán)境帶來的干擾，使得系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)更加精確，本系統(tǒng)采用中位值數(shù)字濾波算法對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行篩選處理[8]。實際應用效果表明該算法能夠有效克服因偶然因素引起的波動干擾，對溫度、液位等變化緩慢的被測參數(shù)有良好的濾波效果。算法流程圖如圖4所示。

算法實現(xiàn)過程如算法1所示，實現(xiàn)過程大致描述如下：連續(xù)采樣數(shù)值N次（N一般為奇數(shù)），然后把N個數(shù)值按從小到大的順序進行排列，最后將這個序列中排在中間的數(shù)值作為本次采樣的數(shù)據(jù)。計算公式如公式⑴所示。

5 系統(tǒng)測試

連接系統(tǒng)軟、硬件各模塊進行聯(lián)調(diào)。系統(tǒng)硬件部分效果如圖5所示。經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的開關(guān)電路、電源電路穩(wěn)定輸出3.3V，主控制器能夠正常工作，能夠經(jīng)過USB與STM32F103C8T6通信，并通過串口下載程序，也可以通過J-Link下載程序。

Android客戶端展示效果如圖6所示。對軟件程序測試發(fā)現(xiàn)，定時器正常工作，實時采集的生產(chǎn)車間環(huán)境中的氣體、溫濕度、光照強度及粉塵濃度等信息可發(fā)給客戶端并且通過LCD液晶屏幕展示出來。當監(jiān)測的數(shù)據(jù)超過預設(shè)閾值時，系統(tǒng)發(fā)出警報，并通過執(zhí)行相關(guān)指令集控制相關(guān)設(shè)備作出應急響應。

6 結(jié)束語

本文綜合傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)，以及移動應用開發(fā)技術(shù)設(shè)計并實現(xiàn)了一種車間環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)以STM32F103C8T6單片機為核心板搭載傳感器器件完成生產(chǎn)車間環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集，并采用ESP8266 Wi-Fi模塊進行數(shù)據(jù)傳輸。軟件系統(tǒng)采用MVP架構(gòu)開發(fā)了后臺軟件，以及采用Android Studio開發(fā)了Android客戶端，安卓客戶端主要實現(xiàn)車間環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)的展示及統(tǒng)計分析。同時采用了中位值數(shù)字濾波算法對監(jiān)測數(shù)據(jù)做篩選處理，使得系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)更加精確。本系統(tǒng)雖然實現(xiàn)了預設(shè)的功能，但仍需進一步完善[10]。

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