智能化环境监测系统设计研究

摘要:阐述了环境监测系统的智能化需求，给出了环境监测系统的总体设计，解决了环境监测系统设计中的关键问题，并对其进行测试验证。设计的智能化环境监测系统可智能监测温度、湿度和光照强度等环境参数，用户可以控制参数的变换范围，满足工业、农业、居家生活的实际环境监测需求，具有体积小、节能环保、携带便捷且具有良好的实用价值等特点。

关键词:环境监测;智能化系统;设计

无线传输技术为嵌入式系统提供了新的数据传输方式，为新技术时代下的嵌入式物联网系统发展提供了更多的可能［1，2］。随着嵌入式物联网及人工智能技术的发展，环境检测系统功能更加强大，逐步走向智能化、网络化［3，4］。本项目需要对温度、湿度和光照强度等环境参数进行采集并向用户展示当前环境参数。用户可以控制参数的变化范围，当实时环境参数超过变化范围时，警报系统就会根据系统设置做出相应反应。本项目研究的物联网环境检测系统，利用传感器、无线网络来监测环境参数的变化。在居家生活中可以提高人们的生活质量，便捷地随时检测家中基本环境参数的变化，当环境异常时可以及时提醒用户，预防环境中的危险因素。在工业或者特定环境中使用，可准确了解当前的环境参数，为工业控制提供可靠的数据。

1总体设计

该系统是基于STM32微处理器设计的，以采集环境参数和具有报警功能的微处理器作为下位机，以显示和控制移动端手机作为上位机，最终实现系统在不同环境下正常工作。智能化环境监测系统上位机及下位机功能划分如下。下位机:温湿度传感器采集当前环境信息并传递给微处理器;光敏电阻根据不同的光照强度向微处理器传递不同的参数值;微处理器接收传感器的数据进行处理，把环境参数信息根据协议约定拼接为数据包由串口发送出去，这些数据信息解码后设置温度范围和报警装置状态。上位机:通过下位机蓝牙模块与手机连接，主要负责下位机和手机APP间的数据传递。手机APP通过蓝牙接收数据信息，解码这些数据信息保存到APP资源数据中，再根据APP资源数据中的数据信息展示在APP界面。用户通过手机APP设置环境参数合理变化范围和控制命令，再使用相对应的协议，将这些数据信息拼接为数据包，通过蓝牙发送出去。为了满足用户更好的体验和实用性，智能化环境监测系统使用Toolbar实现了导航栏图标、设置标题、自定义控件和ActionMenu功能，使得用户在蓝牙连接和环境参数的显示上切换更加方便。用户可以在Toolbar直观地查看到当前连接的蓝牙名称，在不同的界面显示相对应的标题名称，支持ActionMenu，可以在不同的页面使用ActionMenu，实现一些常用的Ac-tivity之间的跳转。基于Toolbar灵活性实现了上述功能，使得用户使用手机APP进行交互更加便捷。

2关键技术

关键技术主要涉及通信协议的设计、下位机驱动程序的设计、上位机APP应用程序的设计等。智能化环境监测系统中，下位机与手机APP通过蓝牙模块实现数据传输功能。为确保数据在传送过程中的正确性和有效性，需要自定义设计一套通信协议。自定义的通信协议定义了数据单元使用的格式，通过校验和的方法来确保传输信息的正确性和可靠性。通过分析硬件设备本身的特点以及此系统开发的实际需求，设计的通信协议分为两种:手机APP向下位机发送数据信息所需要的协议和下位机向手机APP端发送数据信息所需要的协议。每种通信协议都包括三部分，即固定头码、数据信息和校验和。根据系统开发的需求，手机APP可以通过低功耗蓝牙向下位机发送数据信息来实现对下位机的设置和控制功能。在传送的数据中包括温度上下界信息、湿度上下界信息、光照强度上下界信息和控制警报装置开光的信息。手机APP可以通过低功耗蓝牙接受下位机发送数据信息来实现实时环境参数更新显示。在传送的数据中应该包括温度信息、湿度信息、光照强度信息。智能化环境监测系统中，驱动软件主要包括STM32微处理器所需必要资源的驱动、各个传感器模块的驱动、报警装置的驱动和数据处理软件。这部分软件设计主要使用C语言在KeilMDK开发平台上进行软件设计和软件测试。在此系统中，以单片机为核心的环境参数采集系统主要负责环境参数的采集、警报装置控制、数据处理与蓝牙数据通信。STM32微处理器作为一个控制中心，需要把各个模块合理地调用起来共同完成环境参数采集的任务。基本工作过程为:STM32微处理器上电后，首先从存储芯片中读取系统资源配制数据，对硬件资源进行初始化设置，如温湿度传感器模块、光敏电阻和与其连接的ADC通道、报警装置、连接蓝牙模块所需要的串口资源。在初始化完成后，利用温湿度传感器模块和与光敏电阻连接的ADC通道采集当前空间环境的环境参数。采集到的环境参数根据自定义的协议打包成数据包通过串口向蓝牙模块发出。与此同时，STM32微处理器接收来自蓝牙的数据包并解码数据包，根据数据包中的控制和设置信息做出相应的反应，设置数据主要有温度、湿度和光照强度合理变换范围，根据环境参数变化范围和、当前采集的数据和报警装置的控制状态做出报警设备的状态改变控制。上位机手机APP在Android平台下开发，移动端APP作为下位机环境数据采集系统的显示和设置模块有非常严谨的流程和要求。移动端APP是整个环境检测系统与用户连接的桥梁，可以接收下位机的数据信息并且展示给用户，用户可以通过手机APP向下位机发送控制命令。移动端APP发送的数据包遵循下位机数据发送协议，按字节对应的数据信息位置将其对应的数据填入，并计算校验和，最后生成String类型的数据包。移动端APP开发中应该满足以下特点:可以扫描、连接且与蓝牙设备进行数据交换;可接受下位机的数据包，且正确解码数据信息;把解码后的数据信息通过APP界面向用户展示;用户可以用过手机APP设置环境参数变化范围，可以设置警开关状态;

3论证方法

系统设计完成后，需基于模块测试，集成测试和系统测试顺序对系统进行测试。整个系统调试成功后，应该达到以下要求:下位开机后，可正常工作;手机APP打开蓝牙并可正常扫描附近蓝牙设备;手机可与蓝牙设备连接成功并正常通信;手机APP与下位机通信并获得下位机所发送的环境数据，经过解密后可显示在APP当前的页面，且手机APP上所显示的环境参数与当前环境参数一致;系统不断比对测得的环境参数是否在所设置的变换范围内，若超出这个范围，则系统根据设置参数做出相应反应;手机设置环境参数变换范围和其他控制数据时，通过蓝牙传向下位机，下位机可做出相应的反应。

4总结

本项目做了大量的市场调研，设计的智能化环境监测系统可智能监测温度、湿度和光照强度等环境参数，用户可控制参数变换范围，当实时环境参数超过变换范围时警报系统就会根据系统设置选择工作状态，满足工业、农业、居家生活的实际环境监测需求，具有体积小、节能环保、携带便捷及良好的实用价值等特点。

参考文献:

［1］吴竹，崔忠伟，赵勇，等.农业环境监测系统WebAPP的设计与实现［J］．物联网技术，2020，(02):29－32.

［2］朱文博，张国平，汪纯云，等.基无线WIFI的实时环境监测系统设计［J］．电子设计工程，2020，28(01):140－148.

［3］陈锦煌.基于S3C2440的实时视频采集和处理系统的设计［J］．自动化技术和应用，2017，36(01):127－130.

［4］陈冬灵.基于QT和WIFI的室内环境监测系统设计［J］．信息技术与信息化，2019，(11):22－25.

作者:张贤杰 单位:1.黑龙江省科学院江苏技术转移中心 2.黑龙江省科学院智能制造研究所