王勛　陶銘

摘? 要： 生產(chǎn)車(chē)間的環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)僅靠傳統(tǒng)的手持式儀器儀表及手工記錄無(wú)法保證數(shù)據(jù)的即時(shí)性和準(zhǔn)確性。因此，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種綜合傳感器技術(shù)、無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)和移動(dòng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)技術(shù)的車(chē)間環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。以STM32F103C8T6單片機(jī)為核心，搭載傳感器器件實(shí)現(xiàn)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集，采用ESP8266 Wi-Fi模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并同步開(kāi)發(fā)了安卓應(yīng)用以展示車(chē)間環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。黑盒測(cè)試表明，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了預(yù)設(shè)功能，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

關(guān)鍵詞： 車(chē)間環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè); STM32; ESP8266; 安卓應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ?文章編號(hào)：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(gè)條件適合的環(huán)境中生產(chǎn)和保存，因此生產(chǎn)車(chē)間環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)的即時(shí)性和準(zhǔn)確性關(guān)乎一個(gè)車(chē)間以至整個(gè)工廠(chǎng)的效率、盈利等各個(gè)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(wú)線(xiàn)通信技術(shù)以及移動(dòng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種車(chē)間環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)包括硬件設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)。硬件部分以STM32F103C8T6單片機(jī)為核心板，搭載傳感器器件實(shí)現(xiàn)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集[3-4]，采用ESP8266 WiFi模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[5]，同步開(kāi)發(fā)了安卓應(yīng)用客戶(hù)端展示及統(tǒng)計(jì)分析車(chē)間環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。通常在生產(chǎn)車(chē)間中，環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)容易受到外界環(huán)境的干擾[6-7]，為使系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)更加精確，本系統(tǒng)結(jié)合應(yīng)用場(chǎng)景的需求，采用了中位值數(shù)字濾波算法對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選處理[8]。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)主要由四個(gè)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(gè)子系統(tǒng)之間相互協(xié)調(diào)，構(gòu)成車(chē)間環(huán)境監(jiān)測(cè)硬件系統(tǒng)，系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)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(jī)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(bào)警處理模塊，對(duì)生產(chǎn)車(chē)間環(huán)境中的氣體、溫濕度、光照強(qiáng)度及粉塵濃度等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾處理[3-4]。控制子系統(tǒng)通過(guò)指令集的發(fā)送和接受，控制車(chē)間內(nèi)燈、風(fēng)扇、蜂鳴器等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)警報(bào)和緊急事件處理等功能。顯示子系統(tǒng)主要通過(guò)安卓應(yīng)用客戶(hù)端展示和統(tǒng)計(jì)分析車(chē)間環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。通信子系統(tǒng)主要實(shí)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(jì)

系統(tǒng)后臺(tái)軟件采用MVP（Model-View-Presenter，即：模型層-視圖層-表現(xiàn)層）架構(gòu)開(kāi)發(fā)[9]，客戶(hù)端使用Android Studio原生開(kāi)發(fā)的Android應(yīng)用程序?？蛻?hù)端主要實(shí)現(xiàn)了登錄、注冊(cè)，以及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)展示、統(tǒng)計(jì)分析等功能。在用戶(hù)個(gè)人中心還實(shí)現(xiàn)了新聞、天氣等第三方功能模塊。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖3所示。

3 數(shù)據(jù)庫(kù)關(guān)系模型設(shè)計(jì)

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

管理員：（用戶(hù)ID，用戶(hù)賬號(hào)，用戶(hù)密碼，角色）

用戶(hù)實(shí)體：（用戶(hù)ID，用戶(hù)昵稱(chēng)，用戶(hù)性別，省份，城市，注冊(cè)時(shí)間，政治面貌，出生年月，婚姻狀態(tài)）

用戶(hù)信息：（用戶(hù)名，用戶(hù)密碼，郵箱，頭像）

設(shè)備實(shí)體：（設(shè)備ID，設(shè)備類(lèi)型，設(shè)備類(lèi)型ID，當(dāng)前數(shù)據(jù)，設(shè)備單位，設(shè)備圖片，所屬用戶(hù)，備注信息）

數(shù)據(jù)類(lèi)型實(shí)體：（數(shù)據(jù)ID，當(dāng)前數(shù)值，當(dāng)前時(shí)間，警報(bào)閾值，單位）

設(shè)備日志信息：（設(shè)備ID，設(shè)備圖片，操作類(lèi)型，操作時(shí)間，設(shè)備類(lèi)型，是否已讀）

警報(bào)信息：（信息ID，所屬用戶(hù)ID，警報(bào)圖片，警報(bào)標(biāo)題，警報(bào)描述，警報(bào)時(shí)間）

地理位置信息：（名稱(chēng)，位置ID，經(jīng)度，緯度，國(guó)家，省份，城市）

當(dāng)前天氣信息：（報(bào)導(dǎo)時(shí)間，溫度，濕度，圖片，天氣描述，風(fēng)速，規(guī)模，氣壓，云密度，降水量等）

意見(jiàn)反饋實(shí)體：（意見(jiàn)編號(hào)ID，反饋用戶(hù)的賬號(hào)，反饋內(nèi)容，反饋時(shí)間，反饋圖片）

4 數(shù)字濾波算法設(shè)計(jì)

在采用STM32F103C8T6單片機(jī)為核心板搭載各類(lèi)傳感器進(jìn)行生產(chǎn)車(chē)間環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)采集時(shí)，通常會(huì)遇到非人為的誤差，呈現(xiàn)出不可預(yù)料的不規(guī)律數(shù)值。為減弱甚至是消除外界環(huán)境帶來(lái)的干擾，使得系統(tǒng)監(jiān)測(cè)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(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選處理[8]。實(shí)際應(yīng)用效果表明該算法能夠有效克服因偶然因素引起的波動(dòng)干擾，對(duì)溫度、液位等變化緩慢的被測(cè)參數(shù)有良好的濾波效果。算法流程圖如圖4所示。

算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程如算法1所示，實(shí)現(xiàn)過(guò)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(gè)數(shù)值按從小到大的順序進(jìn)行排列，最后將這個(gè)序列中排在中間的數(shù)值作為本次采樣的數(shù)據(jù)。計(jì)算公式如公式⑴所示。

5 系統(tǒng)測(cè)試

連接系統(tǒng)軟、硬件各模塊進(jìn)行聯(lián)調(diào)。系統(tǒng)硬件部分效果如圖5所示。經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的開(kāi)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(guò)USB與STM32F103C8T6通信，并通過(guò)串口下載程序，也可以通過(guò)J-Link下載程序。

Android客戶(hù)端展示效果如圖6所示。對(duì)軟件程序測(cè)試發(fā)現(xiàn)，定時(shí)器正常工作，實(shí)時(shí)采集的生產(chǎn)車(chē)間環(huán)境中的氣體、溫濕度、光照強(qiáng)度及粉塵濃度等信息可發(fā)給客戶(hù)端并且通過(guò)LCD液晶屏幕展示出來(lái)。當(dāng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)超過(guò)預(yù)設(shè)閾值時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)，并通過(guò)執(zhí)行相關(guān)指令集控制相關(guān)設(shè)備作出應(yīng)急響應(yīng)。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文綜合傳感器技術(shù)、無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，以及移動(dòng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)技術(shù)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種車(chē)間環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)以STM32F103C8T6單片機(jī)為核心板搭載傳感器器件完成生產(chǎn)車(chē)間環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集，并采用ESP8266 Wi-Fi模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。軟件系統(tǒng)采用MVP架構(gòu)開(kāi)發(fā)了后臺(tái)軟件，以及采用Android Studio開(kāi)發(fā)了Android客戶(hù)端，安卓客戶(hù)端主要實(shí)現(xiàn)車(chē)間環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的展示及統(tǒng)計(jì)分析。同時(shí)采用了中位值數(shù)字濾波算法對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)做篩選處理，使得系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)更加精確。本系統(tǒng)雖然實(shí)現(xiàn)了預(yù)設(shè)的功能，但仍需進(jìn)一步完善[10]。

參考文獻(xiàn)（References）：

[1] 劉燕，張永平，朱成，等.基于大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)的空氣質(zhì)量預(yù)測(cè)監(jiān)測(cè)研究[J].通信學(xué)報(bào)，2017，38（S2）：129-138

[2] 葉建新，武斌，王安瀾.糧倉(cāng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)時(shí)代，2020（8）：42-44，48

[3] 邵延華，羅燕楊，楚紅雨，等.基于STM32的便攜式環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化儀表，2020，41（7）：7-10，14

[4] 毛偉成.基于單片機(jī)的列車(chē)車(chē)廂環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2018，8（4）：23-24

[5] 錢(qián)久春，王小冬，李振杰.基于WiFi傳輸?shù)沫h(huán)境質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2019（35）：89-90

[6] 云慧，郭繼勇，張大偉，等.環(huán)境空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)儀臭氧濃度的復(fù)現(xiàn)性研究[J]. 中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)，2015，31（6）：147-152

[7] 原忠虎，李沐，杜英魁，等.云誤差修正與復(fù)合濾波的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2019，19（12）：76-80

[8] 王穎，金志軍.常用數(shù)字濾波算法[J].中國(guó)計(jì)量， 2012（3）：99-100

[9] Z Yang， Y Luo. An architecture and implement model forModel-View-Presenter pattern [C]. Proceedings of 3rd IEEE International Conference on Computer Science and Information Technology，2010，8：553-557

[10] 宋麗.黑盒測(cè)試在環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)試中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)與軟件工程，2019（12）：54-56