基于WiFi的移动式环境信息监控系统设计

关键词：环境信息监控,安卓,单片机,WiFi模块,移动式

作者：李敏、简立明、刘春花、刘欢，湖南财经工业职业技术学院

随着智能化水平的逐步提高，各行各业也相继在实现和加大智能化程度，同时也将工匠精神融入其中，尽量提升和完善其智能化程度。在大多数智能化场所中，环境信息采集和监测是衡量智能化水平的一个重要指标，也是实现智能化的关键技术之一。同时，环境信息的实时监测对及时挽救经济损失和避免造成重大事故具有较大帮助^[1-2]，如大棚养殖、大棚种植、食品保存、档案管理等方面。因此，设计一种稳定、方便、低廉的环境信息采集系统具有较大的实际意义。

一直以来，针对环境信息采集，科研工作者做了大量的研究与实验，主要归结为以下几个方面。

1）传感器的研究。传感器是与环境信息直接打交道的参与者，其技术发展和应用直接关系到环境信息采集的准确度和灵敏度。文献^[3-4]在传感器的使用方面进行了分析与研究，重点分析了多传感器融合使用。文献^[5]重点阐述了一种新型传感器，能对液体流量进行测量等。

2）主控器件和交互平台的研究。在远程环境信息监测系统中，主控器件是环境信息采集、处理、发送的核心部件，交互平台是环境信息监测的可视窗口。这两者的合理选择，不仅影响系统功能的实现，还关系到系统开发和维护的难易程度。文献^[1,6-7]分别研究了不同的主控器和交互平台在环境信息监控中的应用。

3）算法的研究。为了提高环境信息监测的效果，对环境信息采集的参数一直在拓宽，并且采集的数据量也在增大。因此，怎样在大量复杂的数据中提取或者换算出有效的信息，是诸多科研工作者研究的重要方向。文献^[8-9]在环境信息采集中各自应用了算法，取得了较好的实验效果。

近年来，科研工作者在上述3个方面做了大量的研究工作，并取得了较好的成果。然而，在环境信息监测中，针对多个测试点能进行灵活移动监测的系统研究与实验还比较少。

本文综合考虑系统开发和维护的难易程度、成本、功能要求等因素，设计了一个基于WiFi的移动式环境信息监控系统，通过实验证明，系统稳定性好、成本低，能灵活地对环境内多个测试点进行监控，极具应用价值。

1 系统总体设计

整个系统主要包括上位机部分和下位机部分。上位机部分主要是安卓人机交互界面设计，能对下位机进行移动控制和实时显示下位机当前位置的环境信息。下位机部分主要是对环境信息进行采集、处理和发送。

系统总体框图如图1所示，环境信息采集模块将采集到的信息数据传送给主控制模块，主控制器模块进行处理后，通过WiFi通信模块传送给上位机进行显示。同时，用户可操控上位机，经WiFi通信模块发送指令给主控制器，进而通过移动控制模块实现下位机移动，进行灵活的信息采集。

2 硬件系统设计

系统的硬件电路主要包括主控制器模块、WiFi通信模块、移动控制模块、环境信息采集模块和电源模块。各模块功能的相互协调与配合实现整个下位机功能。

2.1 主控制器模块

主控制器是下位机的大脑，其选择关系到系统下位机开发和维护的难易程度，以及系统设计的成本。

本设计对以arm为内核的STM32F103C8T6和以51为内核的STC89C52两款芯片进行对比分析：

• STM32F103C8T6在运行速度上优于STC89C52，且存储量更大，然而本系统在下位机部分其对速度的要求不是特别高；

• STM32F103C8T6的I/O 端口更加丰富，然而本系统的端口主要用于WiFi通信、移动控制和环境信息采集，STC89C52 的I/O端口足够满足系统需求，并且还留有余量，符合系统设计原则；

• 与后者相比，STM32F103C8T6芯片在本系统的应用成本高、开发和维护难度大，且造成较大的资源浪费。

• 综合考虑，下位机主控制器采用基于51内核的STC89C52。

2.2 WiFi通信模块

WiFi通信模块采用乐鑫公司推出的ESP8266 WiFi模块。其价格便宜，只要5~10元；性能高，一般通信距离能达到100m，在空旷的环境下，能在300m内进行可靠连接，完全能满足本系统需求；开发简单、资源多，设备商提供了诸多集成开发环境和工程案例。其主要通过串口与单片机进行数据通信，ESP8266电路连接如图2所示，模块的1脚和8脚分别与单片机的RXD和TXD引脚相连接。

2.3 移动控制模块

本系统的移动控制采用两路电机驱动，外加1个万向轮，从而实现下位机的灵活移动。其采用L293D芯片作为电机驱动芯片，同时驱动两路直流电机，实现电机的正反转，且输入电压范围宽，电流最大可达1.2A，直接通过单片机的I/O口进行控制，开发简单。

2.4 环境信息采集模块

本系统主要是对环境中的温度、湿度和光照强度进行监测，同时在主控芯片选择时考虑了端口余量，方便后续其他环境参数监测的拓展。温度和湿度监测采用数字量输出的温湿度传感器DTH11，其湿度测量范围20%~90%RH，精度为正负5%RH，温度测量范围为(0~50)℃，精度为±2 ℃。光照强度监测传感器采用BH1750FVI光照模块，型号为GY-30，光照范围为(0~65 535)lx。其内置16位A/D转换，直接数字量输出，能直接与单片机的I/O口进行连接。环境信息采集模块电路如图3所示。

图3 环境信息采集模块电路图

2.5 电源模块

电源模块主要为其他4个模块提供电源，WiFi通信模块需提供3.3V直流电源，其他电路模块需提供5V直流电源。其主要由ASM1117-3.3V和ASM1117-5V两款稳压芯片先进行稳压，并采用电容滤波得到所需的电源电压。

3 软件系统设计

系统软件设计主要包括两个部分：上位机程序设计和下位机程序设计。上位机程序设计主要实现对下位机传送的环境信息数据的接收、处理和显示，以及对用户操控指令的处理与发送。

下位机程序设计由三个部分组成：WiFi通信子程序、环境信息采集子程序和移动控制子程序。

• WiFi通信子程序主要实现上位机和下位机的数据通信；

• 环境信息采集子程序实现各环境信息的读取和处理，方便信息通过WiFi模块发送；

• 移动控制子程序实现下位机系统的灵活移动，方便多点环境信息的采集。

各程序块实现相应的功能，从而实现系统功能。下面对各程序进行详细介绍。

3.1 上位机程序

系统人机交互设备针对应用广泛的安卓智能机，上位机的开发采用谷歌推出的Android Studio软件。安卓上位机界面如图4所示，主要包括通信连接部分、移动控制部分和数据显示部分。

通信连接部分用于实现安卓智能机和下位机WiFi 模块的通信连接，需设置WiFi模块的IP 地址和端口号；

移动控制部分设计了上、下、左、右、启动和停止共计6个控件，实现下位机的灵活移动；

数据显示部分实现对环境温度、环境湿度、光照强度的监控显示，同时设计了1个拓展显示框，方便后续添加要显示的参数。

图4 Android上位机界面图

3.2 WiFi通信子程序

WiFi通信采用ESP8266 WiFi通信模块，其程序流程如图5所示。程序开始时先进行初始化，通过串口通信设置WiFi模块为AP模式，作为WiFi热点供手机或者其他安卓智能设备连接，同时设置其IP和端口号。

然后进入while无限循环，一方面判断是否有环境信息数据更新，如有则通过串口发送出去，否则继续进行判断；另一方面，判断是否有上位机发送数据至WiFi模块，从而产生串口中断，如有则接收、处理数据，否则继续执行判断程序。

3.3 环境信息采集子程序

环境信息采集子程序如图6所示，下位机上电后，首先对各个信息采集模块进行初始化处理，然后进入无限循环，对周边环境信息进行实时数据采集，采集的数据信息传递给单片机进行处理，处理完成后，通过WiFi模块将信息数据发送给上位机显示。

3.4 移动控制子程序

移动控制子程序流程图如图7所示，首先对单片机的电机驱动端口做初始化处理，然后进入循环，时刻读取与判断串口中断接收的数据，对得到的数据进行比较处理，从而控制相应的电机，实现下位机的准确和灵活移动。

4 测试验证

系统主要在两种环境中进行了测试，一种是在封闭场所，通过可透视玻璃观察现场情况进行测试。另一种是在比较空旷的自然场所进行测试，选择的测试时间点为同一天相近的时间点，测试的参数主要包括下面几个：有效监控距离、现场环境温度、现场环境湿度和当时光照强度。

测试结果如表1所示，在封闭场所，稳定移动控制和参数监控的距离约为16m，在空旷环境中能达到35m左右，室内与室外环境温度相差5℃，湿度相差10%RH，室内光照强度约55 lx，室外光照强度约49 742 lx。上位机显示界面如图8所示，测试结果和上位机显示证明，系统能很好地监控环境参数，并进行有效传送和显示。

图8 上位机监控效果图

为验证数据传输的准确性和现场环境信息检测的有效性，在多个时间点对室内现场温度信息进行监测，同时人工用温度计在同一时间点和同一地点进行温度监测，两者监测数据如表2所示。根据4次测量数据求误差平均值小于5%，能满足应用要求。

5 结束语

本文设计了一个基于WiFi的移动式环境信息监控系统，通过实验测试证明，其能在封闭场所约16m的范围内进行有效环境信息采集和移动控制，在空旷场所能达到约35m的范围。温度监控数据与温度计监控数据对比分析可得，系统信息数据采集和传送误差小于5%，能满足大多数应用场所。综上所述，本设计系统稳定性好，成本低，能灵活地对环境内多个测试点进行实时监控，极具应用价值。

参考文献

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*本文选自《电子产品世界》杂志2021年12月期