彭 坤，陳勁杰

(上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093)

基于藍(lán)牙的教室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

彭 坤，陳勁杰

(上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093)

針對(duì)教室環(huán)境中的溫度、濕度、CO2濃度影響師生的學(xué)習(xí)效率，以及身體健康等問(wèn)題，設(shè)計(jì)和開發(fā)了一種基于藍(lán)牙的教室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)數(shù)據(jù)采集終端采集周圍環(huán)境數(shù)據(jù)，利用STM32F407ZGT6芯片對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)采集終端進(jìn)行處理，對(duì)短期內(nèi)采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。并使用集成藍(lán)牙模塊作為無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)和歷史監(jiān)測(cè)點(diǎn)，采集得到的數(shù)據(jù)與移動(dòng)終端之間的數(shù)據(jù)傳輸。該系統(tǒng)在某教室某天正常上課的環(huán)境下進(jìn)行監(jiān)測(cè)，檢測(cè)結(jié)果顯示，測(cè)得值與真實(shí)值差距小，并且由于系統(tǒng)的高集成性、體積小、價(jià)格便宜，基本不需要對(duì)教室環(huán)境做改動(dòng)就可以完成對(duì)教室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)控，具有良好的應(yīng)用前景。

數(shù)據(jù)采集；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；藍(lán)牙；STM32F407ZGT6芯片

教室是學(xué)生一天當(dāng)中停留時(shí)間最長(zhǎng)的地方，室內(nèi)環(huán)境，對(duì)學(xué)生的身心健康、學(xué)習(xí)效率都有著一定程度的影響。當(dāng)溫度、CO2濃度超過(guò)人體適應(yīng)范圍時(shí)，學(xué)習(xí)效率會(huì)降低[1]，這就需要采取相應(yīng)措施來(lái)保證教室環(huán)境在相對(duì)適宜的條件。因此，文中針對(duì)教室內(nèi)的溫度、濕度以及CO2濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，考慮使用者操作的便捷性，采用一種基于藍(lán)牙的教室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)[2-3]，使人們能直觀了解周圍環(huán)境的狀況。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

整套系統(tǒng)構(gòu)成為3部分，即教室環(huán)境數(shù)據(jù)采集終端、數(shù)據(jù)傳輸、用戶層，如圖1所示，圖中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)負(fù)責(zé)完成檢測(cè)環(huán)境中的數(shù)據(jù)，并向數(shù)據(jù)處理控制器傳輸數(shù)據(jù)的任務(wù)；數(shù)據(jù)傳輸主要任務(wù)是將控制器中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，經(jīng)藍(lán)牙傳輸給已經(jīng)建立連接的設(shè)備；用戶層主要是接受控制器中的數(shù)據(jù)，直觀的展示給用戶室內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境狀況，并給出歷史環(huán)境質(zhì)量波動(dòng)折線圖。本設(shè)計(jì)主要是為了檢測(cè)教室實(shí)時(shí)環(huán)境狀態(tài)，再由用戶做出必要響應(yīng)，保證室內(nèi)環(huán)境條件在相對(duì)適宜的狀態(tài)，提高學(xué)習(xí)效率。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

教室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件部分由數(shù)據(jù)采集模塊、控制及傳輸模塊、用戶界面組成。以STM32F407ZGT6為核心，通過(guò)STM32F407ZGT6 I/O采集M1501二氧化碳傳感器、HIS-06K-N濕度傳感器和LM35溫度傳感器的信號(hào)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析和處理后，通過(guò)集成的藍(lán)牙4.0模塊，發(fā)送給用戶終端。圖2即是系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖[4]。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

傳感器數(shù)據(jù)采集模塊[5-6]主要是由二氧化碳傳感器、濕度傳感器和溫度傳感器3部分組成。針對(duì)教室環(huán)境中的CO2濃度、濕度和溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。 M1501二氧化碳傳感器具有良好精度和穩(wěn)定性，其測(cè)量范圍為較廣，但其預(yù)熱時(shí)間30 s，15 min達(dá)到規(guī)定精度要求；采樣頻率為3 s一次，因此在系統(tǒng)運(yùn)行前需要有預(yù)熱時(shí)間。HIS-06K-N濕度傳感器其測(cè)量精確度高、尺寸小，接口簡(jiǎn)單，兩引腳分別接電源與處理器芯片引腳，使用方便。LM35溫度傳感器是一種廣泛使用的溫度傳感器，采用內(nèi)部補(bǔ)償，可從0 ℃開始輸出，其溫度計(jì)算方法為

T=10/Vout(T)

(1)

式中，Vout(T)的單位為mV,T單位為℃；其精度0.5 ℃(+25 ℃時(shí))。

2.2 控制及傳輸模塊

采用基于STM32F407處理器的開發(fā)板，5 V的直流電作為輸入。利用STM32F407ZGT6芯片作為數(shù)據(jù)的處理模塊[7-8]，它在片內(nèi)集成了并行I/O口、16位定時(shí)器、RAM和ROM。并且其RAM為192 kB，足夠適應(yīng)日常教室環(huán)境監(jiān)測(cè)使用，并且其有足夠大的存儲(chǔ)空間，能適用于教室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理上。使用內(nèi)部時(shí)鐘可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)時(shí)間進(jìn)行記錄，并實(shí)現(xiàn)定時(shí)功能。

圖3 數(shù)據(jù)處理流程圖

2.3 電源模塊

采用直流穩(wěn)壓電源給控制器供電，由于STM32F407ZGT6芯片不同引腳承受電壓不同，分別為5 V，3.3 V;此外二氧化碳、溫度、濕度傳感器在5 V直流穩(wěn)壓電源下都能正常工作，因此使用5 V電源接口和低電壓電源(LDO)芯片HT7133-1穩(wěn)壓輸出3.3 V，可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。HT7133-1芯片電路圖如圖4所示。

圖4 3.3 V低電壓電路

由于每天晚上放學(xué)后到第2天早晨教室都處于無(wú)人狀態(tài)環(huán)境下，無(wú)需對(duì)教室環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，可以設(shè)置在通電情況下，關(guān)閉控制電源，從而達(dá)到節(jié)約電能的目的。

2.4 信號(hào)傳輸

考慮到本監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境，需要傳輸?shù)木嚯x較短，而且在系統(tǒng)使用過(guò)程中可能也沒(méi)有其他無(wú)線信號(hào)，因此采用絕大多數(shù)終端都會(huì)帶有的藍(lán)牙功能作為傳輸媒介。并且藍(lán)牙4.0模塊[8-9]具有傳輸速度快、效率相對(duì)較高，且相對(duì)較為省電。因此選用低功耗的藍(lán)牙模塊，即節(jié)省能源，又具有易操作性。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

采用傳感器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，處理器對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行必要處理，然后通過(guò)信號(hào)傳輸模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭苿?dòng)終端，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的功能。系統(tǒng)的軟件部分采用模塊化編程方式，以便后期維護(hù)檢查。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括兩個(gè)部分：系統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測(cè)端、用戶端。

系統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測(cè)端[10]主要負(fù)責(zé)信號(hào)采集、處理和傳輸?shù)墓δ?，其流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測(cè)端流程圖

用戶端采用MVC模型，以Eclipse為平臺(tái)開發(fā)的客戶端[11-12]，主要通過(guò)用戶的移動(dòng)設(shè)備從監(jiān)測(cè)端的藍(lán)牙設(shè)備接受數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)直觀地反饋給用戶查看，并給出環(huán)境變化折線圖，同時(shí)對(duì)每天的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。本系統(tǒng)采用SQL Server2008數(shù)據(jù)庫(kù)[13-14]，由系統(tǒng)的功能可知，主要包含以下數(shù)據(jù)庫(kù)信息：環(huán)境質(zhì)量表，該表包含監(jiān)測(cè)時(shí)間、溫度、CO2濃度，濕度信息；其中監(jiān)測(cè)時(shí)間為主碼。設(shè)計(jì)表如表1所示。

表1 環(huán)境質(zhì)量表

注：字段中Time為主鍵(PK)

用戶界面顯示如圖6所示。

圖6 用戶端界面

4 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果分析

對(duì)本監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試的目的是為了檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性，在對(duì)同一間教室不同位置(前右、前左、中央、后左、后右)，以及不同時(shí)段進(jìn)行3項(xiàng)檢測(cè)數(shù)據(jù)的測(cè)試，其結(jié)果如表1和表2所示，同時(shí)根據(jù)教室CO2的分布情況研究[15]得到，本系統(tǒng)側(cè)得的值與該研究基本相吻合。測(cè)試表明本監(jiān)控系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的效果，響應(yīng)速度快、應(yīng)用簡(jiǎn)單、可靠性高、測(cè)量結(jié)果更加直觀。

表2 同一教室不同位置3項(xiàng)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)結(jié)果

表3 同一教室不同時(shí)段3項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

將本系統(tǒng)應(yīng)用于教室環(huán)境監(jiān)控中，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控。本設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)在于操作的簡(jiǎn)單性、攜帶、安裝方便，監(jiān)控具有準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性；當(dāng)觀測(cè)到室內(nèi)空氣質(zhì)量處于非適宜狀態(tài)時(shí)，適時(shí)采取相應(yīng)措施，如開窗通風(fēng)，增加空氣濕度等。此外，該系統(tǒng)還能夠直觀地反應(yīng)歷史趨勢(shì)圖，從而為教室環(huán)境改良有著一定的參考意義。

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A Classroom Environment Monitoring System Based on Bluetooth

PENG Kun,CHEN Jinjie

(School of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

In the classroom environment, the temperature, humidity and CO2 concentration seriously affect the learning efficiency of teachers and students, as well as the physical health and other issues, so we design and develop a classroom environmental real time monitoring system based on bluetooth. This system collects the environment data from the data acquisition terminal, which is processed by the STM32F407ZGT6 chip and stored in a short term. The integrated Bluetooth module is used as a wireless communication network for data transmission. We check the system in a certain classroom environment and the result show that the gap between the observed value and the true value is small. The highly-integrated system enjoys small size, low price and little need for change in the classroom environment.

data acquisition; real-time monitoring; Bluetooth; STM32F407ZGT6

2016- 04- 01

彭坤(1991-)，男，碩士研究生。研究方向：機(jī)械電子。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.02.032

TN926+.22;TP274+.2

A

1007-7820(2017)02-123-04