王蕭宇，李 夢，馮永睿，汪 源

（三亞學(xué)院 理工學(xué)院，海南 三亞 572022）

0 引 言

隨著科技發(fā)展的日新月異，人們對實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的需求不再局限在安全舒適性方面，還增加了智能化的需求，利用手機(jī)對實(shí)驗(yàn)室環(huán)境進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)。發(fā)達(dá)國家從20世紀(jì)70年代開始就展開了對實(shí)驗(yàn)室環(huán)境監(jiān)測的研究，對人們的工作環(huán)境也非常重視。

我國在20世紀(jì)80年代開始關(guān)注實(shí)驗(yàn)室空氣質(zhì)量監(jiān)測，由于幾種全球性傳染性疾病的肆虐，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境質(zhì)量問題也引起了人們的高度重視，給實(shí)驗(yàn)室環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的快速發(fā)展帶來了一個契機(jī)[1]。如何將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和無線傳輸數(shù)據(jù)技術(shù)融合到實(shí)驗(yàn)室環(huán)境監(jiān)測，成為了實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)代化管理的關(guān)鍵[2-3]。

本文以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為核心，利用STM32 單片機(jī)作為數(shù)據(jù)處理模塊，利用溫濕度、光照、CO 等傳感器來實(shí)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時監(jiān)測，通過WiFi 模塊將結(jié)果上傳到阿里云平臺數(shù)據(jù)庫，并用手機(jī)APP 實(shí)時顯示。監(jiān)測結(jié)果一旦超過設(shè)定安全值，系統(tǒng)將發(fā)出報警，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境實(shí)時監(jiān)測的效果。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的是基于STM32 的新能源汽車實(shí)驗(yàn)室環(huán)境監(jiān)測報警系統(tǒng)，為了實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的功能，設(shè)計(jì)了傳感器陣列模塊、ESP8266 無線WiFi 模塊[4]、OLED 顯示模塊及蜂鳴器報警模塊。傳感器模塊使用聲音分貝傳感器、DHT11 溫濕度傳感器、BH1750 光照強(qiáng)度傳感器、MQ-7 一氧化碳傳感器。該系統(tǒng)研究所需要實(shí)現(xiàn)的功能為：（1）實(shí)現(xiàn)對實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的監(jiān)測，用OLED 屏顯示光照度、溫濕度、一氧化碳等數(shù)據(jù)的具體信息；（2）通過ESP8266 連接熱點(diǎn)將上述參數(shù)數(shù)據(jù)發(fā)送到阿里云平臺數(shù)據(jù)庫[5]進(jìn)行保存，使用手機(jī)APP 通過MQTT協(xié)議[6]實(shí)現(xiàn)對實(shí)驗(yàn)室參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控；（3）判斷是否達(dá)到溫度、一氧化碳所設(shè)最高值，如果達(dá)到最高值，蜂鳴器則報警提醒。系統(tǒng)總體功能框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體功能框架

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件電路主要包括STM32 單片機(jī)核心控制模塊、電源電路、降壓電路、無線傳輸模塊、OLED 顯示模塊、光照強(qiáng)度傳感器模塊、噪聲傳感器模塊、溫濕度傳感器模塊、一氧化碳傳感器模塊、報警模塊。

系統(tǒng)核心控制板采用的單片機(jī)為STM32F103C8T6。STM32F103C8T6 是STM32 系列的中等容量增強(qiáng)型MCU，是一個32 位的ARM 微控制器，存儲容量為64 KB，工作頻率的最高值為72 MHz，它還包含USB、CAN、7 個定時器、2 個12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、7 通道的DMA 控制器、多達(dá)37 個I/O 端口及9 個通信接口，電壓為2～3.6 V，支持SWD 和USB 接口，工作溫度為-40～85 ℃。

通信模塊選用的是WiFi 模塊ESP8266，該芯片采用串行通信模式，能夠通過串行接口直接與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交流，也可以進(jìn)行數(shù)據(jù)透傳，操作非常簡單、方便，具有價格便宜、功耗較低、功能強(qiáng)大的優(yōu)點(diǎn)。

光照強(qiáng)度監(jiān)測選用BH1750 傳感器，它的尺寸為21 mm×16 mm×3.3 mm，使用I2C 總線進(jìn)行接口交流，能夠直接輸出數(shù)字信號。該傳感器的供電電壓為3～5 V，量程和精度的范圍為1～65 535 lx，具有功耗低、測量誤差較小等優(yōu)點(diǎn)。

環(huán)境氣體監(jiān)測選用ZPH01 傳感器，它的尺寸為59.47 mm×44.5 mm×20 mm，用來監(jiān)測空氣中的粉塵顆粒物PM2.5。該傳感器有兩個輸出方式：PWM 信號輸出及UART 數(shù)字串口輸出。它的工作電壓為5 V 左右，對粉塵最小粒子的檢出能力是1 μm，具有重量輕、易安裝的優(yōu)點(diǎn)。

環(huán)境溫濕度監(jiān)測選用傳感器DHT11，它是四引腳的，安裝方便。該傳感器既能測量濕度，也能測量溫度。工作時的電壓為3.3～5 V，輸出的是數(shù)字電壓。該傳感器的測量范圍分別為20%～90%RH、0～50 ℃，測濕精度為±5%RH，測溫精度為±2 ℃，分辨率為1，封裝為4 針單排直插。DHT11 溫濕度傳感器對溫濕度的測量分辨率都為8 bit，具有功耗低、體積小、穩(wěn)定性強(qiáng)的特點(diǎn)。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)包括初始化模塊程序設(shè)計(jì)、傳感器模塊程序設(shè)計(jì)、顯示模塊程序設(shè)計(jì)、無線模塊程序設(shè)計(jì)、報警模塊程序設(shè)計(jì)。本次設(shè)計(jì)的總工作流程如圖2所示，首先將使用的所有傳感器、STM32 單片機(jī)、無線模塊ESP8266、OLED 屏都進(jìn)行初始化[7]，然后利用傳感器采集信號，將數(shù)據(jù)信號直接通過STM32 單片機(jī)的端口輸出數(shù)字量，得到實(shí)驗(yàn)室環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)。WiFi 模塊ESP8266 會將單片機(jī)STM32 收集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到阿里云的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行保存，然后發(fā)送到手機(jī)APP 進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。與此同時，傳感器讀取的數(shù)據(jù)也會在OLED 屏上顯示出來。當(dāng)溫度、一氧化碳的數(shù)據(jù)值一旦被判斷超過設(shè)定的最高值，報警模塊就會實(shí)現(xiàn)其相對應(yīng)的功能，通過蜂鳴器發(fā)出響聲進(jìn)行報警。如果被判斷沒有超過設(shè)定的最高值，就會再次進(jìn)行初始化，重復(fù)上述相應(yīng)步驟。

圖2 主程序設(shè)計(jì)流程

3.1 OLED 顯示屏程序設(shè)計(jì)

先對OLED 屏進(jìn)行初始化，再寫入一個字符串，寫入一個字節(jié)，這時就可以進(jìn)行寫入命令到OLED 中、寫入數(shù)據(jù)到OLED 中這一步驟，然后收集通過STM32 單片機(jī)的控制得到的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，就可以得到能夠顯示的具體字符圖形，最后通過指針定位在OLED 屏上進(jìn)行顯示。

3.2 WiFi 模塊程序設(shè)計(jì)

把WiFi 模塊ESP8266 初始化，設(shè)置其工作模式為STA 模式，并加入WiFi 熱點(diǎn)進(jìn)行用戶信息確認(rèn)。接著連接MQTT 服務(wù)器（阿里云平臺數(shù)據(jù)庫），連接成功后，將通過STM32 單片機(jī)的控制進(jìn)行AD 轉(zhuǎn)換，得到實(shí)驗(yàn)室環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)并由WiFi 模塊ESP8266 發(fā)送到服務(wù)器進(jìn)行保存。最后MQTT 客戶端（手機(jī)APP）[8-10]開始提出訂閱主題和退訂的請求，服務(wù)器會向該客戶端推送所需要的消息內(nèi)容。

3.3 傳感器模塊程序設(shè)計(jì)

以溫濕度傳感器為例進(jìn)行說明，其他傳感器程序設(shè)計(jì)類似。首先把DHT11 溫濕度傳感器初始化，然后該傳感器先采集實(shí)驗(yàn)室溫濕度的數(shù)據(jù)，因?yàn)橹苯优c單片機(jī)的端口相連，所以直接向單片機(jī)輸出數(shù)字量，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示。最后查看溫度的數(shù)值是否超過所設(shè)溫度最高值，如果超過，蜂鳴器就會發(fā)出聲音報警；反之，則返回重新采集數(shù)據(jù)。

4 實(shí)際測試

使用充電寶提供電源，把實(shí)物與充電寶用數(shù)據(jù)線進(jìn)行連接。當(dāng)裝置上電后，CO、CH2O 兩個傳感器以及STM32 單片機(jī)的指示燈全部亮起，系統(tǒng)開始工作并采集環(huán)境數(shù)據(jù)。通過調(diào)試WiFi 模塊ESP8266 連接阿里云并將數(shù)據(jù)發(fā)送到云端，并可以打開手機(jī)APP 進(jìn)行監(jiān)測。當(dāng)溫濕度模塊所測量的實(shí)驗(yàn)室溫度大于60 ℃，或一氧化碳傳感器所測量的實(shí)驗(yàn)室一氧化碳的含量大于30 ppm，蜂鳴器都會發(fā)出響聲進(jìn)行報警，同時手機(jī)顯示的火災(zāi)報警區(qū)域顯示“火災(zāi)險情”。測試時系統(tǒng)硬件如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)實(shí)物測試

以上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該裝置能夠很好地對實(shí)驗(yàn)室環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測；溫度、一氧化碳超過所設(shè)的最高值時，設(shè)備會自動報警；也能夠用手機(jī)APP 進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的實(shí)時監(jiān)測。因此，本實(shí)物的調(diào)試是成功的，完美地實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)的全部功能。

5 結(jié) 語

本文利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無線通信技術(shù)設(shè)計(jì)了一款新能源汽車實(shí)驗(yàn)室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。利用各種傳感器模塊實(shí)現(xiàn)新能源汽車實(shí)驗(yàn)室環(huán)境數(shù)據(jù)的獲取，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊TM32最小系統(tǒng)單片機(jī)，然后STM32 最小系統(tǒng)單片機(jī)接收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行數(shù)據(jù)的提取和處理，再將處理的數(shù)據(jù)通過WiFi 模塊ESP8266 上傳到云平臺，還可在手機(jī)APP 和本地的顯示屏上進(jìn)行實(shí)時顯示；當(dāng)環(huán)境數(shù)據(jù)超出設(shè)定范圍時，系統(tǒng)會報警。

注：本文通訊作者為汪源。