張秀再 范江棋 陳彭鑫 吳華娟 趙益波

摘 要： 在此設計基于WiFi技術的樓宇環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，用于監(jiān)測樓宇內溫濕度、天然氣、煤氣和氣壓監(jiān)測。系統(tǒng)分為監(jiān)測中心和監(jiān)測節(jié)點，監(jiān)測中心與監(jiān)測節(jié)點之間通過WiFi實現數據傳輸。監(jiān)測節(jié)點由STM32單片機、溫濕度傳感器、可燃氣體傳感器、氣壓傳感器和WiFi模塊組成，3個傳感器把檢測的數據傳到STM32單片機中，然后STM32單片機通過WiFi模塊把檢測數據傳輸到監(jiān)測中心，從而實現對樓宇環(huán)境的實時監(jiān)測。該系統(tǒng)檢測目標多樣且擴充性強，適用于樓宇環(huán)境檢測，具有一定的實際意義。

關鍵詞： 樓宇環(huán)境監(jiān)測； WiFi； 溫濕度傳感器； 氣體傳感器； 氣壓傳感器

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）06?0086?03

Building environmental monitoring system based on WiFi

ZHANG Xiuzai1， 2， 3， FAN Jiangqi1， CHEN Pengxin1， WU Huajuan1， ZHAO Yibo1， 2， 3

（1. School of Electronic & Information Engineering， Nanjing University of Information Science & Technology， Nanjing 210044， China；2. Jiangsu Collaborative Innovation Center of Atmospheric Environment and Equipment Technology， Nanjing 210044， China；3. Jiangsu Technology & Engineering Center of Meteorological Sensor Network， Nanjing University of Information Science & Technology， Nanjing 210044， China）

Abstract： A building environmental monitoring system based on WiFi technology was designed for monitoring of temperature， humidity， natural gas， coal gas and air pressure in the building. The system is composed of monitoring center and monitoring node to realize data transmission between them through WiFi. The monitoring node is composed of STM32 MCU， temperature and humidity sensor， combustible gas sensor， air pressure sensor， and WiFi module. The detected data is transferred to the STM32 MCU through the three sensors， and transmitted to the monitoring center through the WiFi module to realize the real?time monitoring of the building environment. The system has detection performance of diverse targets and strong expansibility， and is suitable for building environmental detection.

Keywords： building environmental monitoring； WiFi； temperature and humidity sensor； gas sensor； air pressure sensorc

0 引 言

隨著社會的不斷進步和信息技術的迅猛發(fā)展，自動檢測技術與信息傳輸相結合的智能樓宇內檢測系統(tǒng)正悄然進入人們的日常生活中。日新月異的計算機科學技術、信息通信與網絡技術、PCB布線技術讓樓宇內檢測更加有效、便捷、安全。以WiFi技術為基礎構成的短距離無線傳感網在各種科技領域得到越來越多的應用，例如應用在智能家居、智能手機等移動終端中。如何在檢測系統(tǒng)中整合WiFi無線通信技術，成為智能監(jiān)控領域的一大熱點。本文設計了基于WiFi技術的樓宇環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，用于監(jiān)測樓宇內溫濕度、天然氣、煤氣指標和氣壓情況。系統(tǒng)由STM32單片機、溫濕度傳感器、氣體傳感器、氣壓傳感器和WiFi模塊以及PC機組成，適用于樓宇環(huán)境檢測，具有一定的實際意義。

1 系統(tǒng)結構

基于嵌入式微處理器STM32以及ATK?RM04 WiFi模塊的智能樓宇監(jiān)測系統(tǒng)，主要由監(jiān)測中心和監(jiān)測節(jié)點組成，監(jiān)測中心與監(jiān)測節(jié)點之間通過WiFi實現數據傳輸。監(jiān)測節(jié)點由STM32單片機、溫濕度傳感器、氣體傳感器、氣壓傳感器和WiFi模塊組成，3個傳感器把測量數據傳到STM32單片機中，然后STM32單片機通過WiFi模塊把檢測數據傳輸到監(jiān)測中心，監(jiān)測中心由PC機和WiFi模塊組成，從而監(jiān)測中心可以實現對監(jiān)測節(jié)點處具體情況實時監(jiān)測。本系統(tǒng)可實現完全的無線數據傳輸，方便節(jié)點的移動與擴展，以路由器作為數據傳輸中介，從而更加方便實用。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 硬件電路

2.1 電源模塊電路

系統(tǒng)采用低功耗設計，輸入電源為直流5 V，經線性電源（LDO）LM1117?3.3產生3.3 V供電電壓給STM32單片機供電。LM1117?3.3為線性電源，紋波較小，可以增加測量系統(tǒng)的精確度，同時也精簡了外圍電路。在LM1117?3.3的輸出點設計了LC濾波電路，可以進一步減小電源的紋波，提高系統(tǒng)的性能。電源模塊硬件電路圖如圖2所示。

2.2 主控制器電路

主控制器選用STM32F103ZET6芯片，該芯片采用了ARM公司的Cortex?M3高性能內核，具有強勁的性能，性價比高，適合多種用途。STM32F103ZET6單片機有64 KB SRAM和高達512 KB的FLASH，可以滿足該系統(tǒng)的數據存儲與計算。該單片機含有8個定時器（其中包括基本定時器、通用定時器和高級定時器），有3個12位的ADC以及一個12位的DAC，并且有12組通用I/O口，每組I/O口為16位。STM32F103ZET6具有的外部通信接口有3個SPI接口、5個UART接口以及2個I2C接口，并且含有一個FSMC。另外，STM32F103ZET6的中斷功能非常強大，所有I/O口都可以作為外部中斷口，并且所有中斷優(yōu)先級可以通過編程設置，這在實際應用中非常方便。STM32F103ZET6單片機電路如圖3所示。

2.3 WiFi模塊電路

系統(tǒng)的WiFi模塊選用廣州星翼電子科技有限公司開發(fā)的ATK?RM04 模塊，該模塊中的核心芯片選用的是Hi?Link 公司高性能的 HLK?RM04 WiFi 芯片。ATK?RM04模塊可以實現串口、WiFi以及以太網三者數據相互傳輸，可以用微處理器對其驅動，實現微處理器上數據通過無線網絡或者以太網傳輸到因特網，也可以把因特網上的數據傳輸到微處理器中，實現單片機模塊接入因特網的目的，從而方便通過網絡對其控制。HLK?RM04 WiFi模塊電路如圖4所示。

2.4 溫濕度傳感器模塊電路

系統(tǒng)采用DHT11一體式數字溫濕度傳感器，可以同時對環(huán)境的溫濕度進行測量。DHT11采用單總線與微處理器通信，可以節(jié)省I/O口，方便編程，該芯片的功耗低。DHT11溫濕度傳感器電路如圖5所示。

2.5 氣體傳感器電路

系統(tǒng)采用MQ?5氣體傳感器監(jiān)測多種可燃氣體（對丁烷、丙烷、甲烷的靈敏度高）。MQ?5氣體傳感器以二氧化錫作為其主導的感應元件，二氧化錫處在清潔氣體時的電導率比較小。如果將MQ?5傳感器放置在有可燃氣體的地方，則隨著周圍可燃氣體越來越多，傳感器的電導率也會逐漸變大，可以運用很簡易的電路使得發(fā)生改變的電導率換算成與可燃氣體相匹配的輸出電壓值，從而可以實現對可燃氣體的監(jiān)測。MQ?5氣體傳感器電路如圖6所示。

2.6 氣壓傳感器電路

BMP180氣壓傳感器是BMP085氣壓傳感器的升級版，是新一代高精度數字式氣壓傳感器。BMP180的設計原理是基于壓阻技術，該傳感器具有EMC魯棒性、高精確度，線性特性好，穩(wěn)定性高。BMP180氣壓傳感器采用I2C接口，方便與微控制器連接。BMP180氣壓傳感器硬件電路如圖7所示。

3 系統(tǒng)軟件

3.1 監(jiān)測節(jié)點軟件設計

監(jiān)測節(jié)點由STM32單片機、WiFi模塊、溫濕度傳感器、氣體傳感器以及氣壓傳感器構成，軟件設計主要分為2個部分：STM32單片機對3個傳感器的驅動，并得到精確的測量數據；STM32單片機對WiFi模塊的驅動，使其在監(jiān)測節(jié)點與監(jiān)測中心之間組成無線傳感網，從而實現數據基于WiFi的無線傳輸。監(jiān)測節(jié)點的軟件流程圖如圖8所示。

3.2 監(jiān)測中心軟件設計

監(jiān)測中心由PC機和WiFi模塊組成，其中PC機通過Web方式控制WiFi模塊工作在路由器模式下，監(jiān)測節(jié)點的數據通過WiFi傳輸到監(jiān)測中心的WiFi模塊，然后PC機或智能手機通過特定軟件讀出監(jiān)測節(jié)點的測量數據。PC機或者智能手機上網絡調試助手設置具體步驟為：打開網絡調試助手；在網絡協(xié)議處配置TCP Client模式；在服務器IP地址處輸入監(jiān)測節(jié)點處的IP地址；配置網絡端口為8086；確認連接。

4 實驗與驗證

通過實驗驗證，該系統(tǒng)的監(jiān)測節(jié)點可以實現對環(huán)境參數的采集與測量，并通過WiFi傳輸到監(jiān)測中心，監(jiān)測中心可以通過PC機或者手機APP查看監(jiān)測到的數據，方便使用，人機交互良好。

監(jiān)測數據可以在PC平臺的網絡調試助手顯示，如圖9所示；監(jiān)測數據也可以通過手機平臺的網絡調試助手顯示，如圖10所示。

5 結 語

本文設計了一種適用于小區(qū)居民樓或商務辦公樓宇的基于WiFi技術的多點環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)由監(jiān)測中心和監(jiān)測節(jié)點組成，監(jiān)測數據可以通過PC機或智能手機平臺顯示，具有良好的交互界面，便于讀取各監(jiān)測節(jié)點的多種環(huán)境參數。系統(tǒng)擴展性強，可靠性高，傳輸距離遠，具有一定的實際意義。

參考文獻

[1] 衣治安，吳雅娟.大學計算機基礎[M].北京：中國鐵道出版社，2010.

[2] 吳紅舉，沈建華.嵌入式WiFi技術研究與通信設計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)，2005（6）：5?7.

[3] 陳碩.無線傳感器網絡幾個關鍵技術的研究[J].艦船電子工程，2007（5）：17?19.

[4] 蔣峰，張凌濤，賀超英. WiFi技術在礦井遠程監(jiān)控系統(tǒng)中的應用[J].煤礦安全，2010（3）：62?65.

[5] 史殿坤.基于STM32的工業(yè)以太網EtherCAT從站的設計和實現[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2012.

[6] 卜永波，羅小玲，陳一.基于DHT11傳感器的溫濕度采集系統(tǒng)[J].計算機與現代化，2013（11）：133?135.