基于wifi环境数据采集系统的设计与实现

基于WiFi环境数据采集系统的设计与实现谢鑫，徐昊骥，舒密，吕浩炎，高岩（北京信息科技大学信息与通信工程学院，北京100101）摘要院随着科学技术的进步，智能控制逐渐提高了人们的生活质量。设计了一款功能丰富、监测精确、成本低廉的室内环境监测系统。其中功能涵盖监测温度、湿度、噪声级以及PM2.5空气质量指数，适用于多种室内环境监测，通过手机终端实时监测并统计数据，用户可依据当前所处环境的实时情况，记录并处理相应的采集数据。关键词院环境监测；数据处理11.1概述随着人们对空气质量和生活环境的愈发重视研究背景袁监测周围环境的实时情况成为了当代大多数人们的需求遥所以说袁制造出一个功能强大袁使用方便的环境监测器袁是一项当务之急的工作遥1.2本项目致力于设计出一款功能丰富研究内容尧监测精确尧成本低廉的室内环境监测系统遥其中功能涵盖监测温度尧湿度尧噪声级以及PM2.5空气质量指数袁要求误差较小尧精度合适袁适用于办公场所尧教室尧家庭等室内环境监测袁最终通过手机终端实时监测并统计数据遥具体硬件设计内容如下院渊1冤渊2冤主控制器采用单片机STC12C5A60S2遥渊3冤温湿度检测传感器采用DTH11遥渊4冤采用噪声传感器来检测环境的噪声采用ESP8266来实现数据的传输遥遥1.3渊5冤如今市面上存在着一些家用便携环境检测产品国内外研究现状采用PM2.5传感器检测空气质量遥袁但是这些产品存在着一些不足需要改进遥例如院端袁渊1冤无法与手机等移动设备进行通信目前市面上的同类型产品大多仅有一个操作终袁没能实现在移动端上进行实时数据查询的功能遥史数据渊2冤袁且无法实现数据分析和打印等功能产品仅显示当下的相关数据信息袁遥无法查看历周围才能感受到渊3冤同类产品的报警功能作用范围较小袁无法满足当下都市生活需求袁仅在设备袁应可以通过与移动设备的通信实现远程报警遥22.1整体设计方案相关的器件渊1冤设计总体思路硬件的设计袁对应满足相关的功能设计院明确系统各个模块的功能袁然后绘制系统袁选择的整体电路图遥最后通过设计图制作出完整实物遥在于调试的时候具有针对性渊2冤软件的设计院主要通过模块化进行设计袁可以一边调试一边观察结袁优点果进行修改袁最后实现系统的整体功能遥2.2渊1冤系统总体框图渊2冤实现单片机的数据的采集渊3冤实现单片机的数据输出遥系统主要包括了单片机系统实现系统的功能遥遥尧PM2.5传感器尧DHT11传感器尧噪声传感器尧WiFi模块袁系统框图如图1所示遥噪声处理模块数据检测PM2.5模块WIFI模块单片机系统DHT11模块电源电路图1系统结构框图2.32.3.1主要器件的选择选择单片机STC单片机作为系统的处理控制核心袁STC系基金项目：北京信息科技大学2019年人才培养质量提高经费渊财务编号院5101924100冤支持遥收稿日期：2019-08-242019.1197列的单片机的特点为价格低廉尧功能丰富尧使用方便袁并且在网络中可以轻易找到相关资料袁降低了项目实施难度遥2.3.2选择使用电源USB接口给单片机系统供电遥USB直流供电可以给设备提供稳定的电源袁且可以保证供电的安全性3遥3.1系统硬件电路设计单片机最小系统要综合考虑多种因素单片机最小系统袁包括该系统是否具有UART通信的功能以及考虑最小系统的晶振频率等遥选择STC单片机来进行后续硬件电路的设计遥STC89S52单片机的最小系统搭建如图2所示遥VCCP10P1112U1VCCP123T2/P1.0T2EX/P1.1VCCSW2P134P1.2P0.040D0P145P0.139D11E1P156P1.3P0.238D22D3310UF/16VP167P1.4P0.337D44P178P1.5P0.436P0.535D55P1.6D66TXD109P1.7P0.634D778R3RXDRSTP0.7333210KRxD/P3.031P3211309P3312TxD/P3.1P3413INT0/P3.2INT1/P3.3PSENALEEA291P3514T0/P3.4P2.728GNDP3615T1/P3.5P2.627RSP371617WR/P3.6P2.526RWC118RD/P3.7P2.4P2.325E30PX119XTAL2P2.224P2411.0592MHz20XTAL1P2.123P23GNDP2.022P2221P21P20C230PSTC12C5A60S2GND图2STC89S52系统电路根据设计的硬件电路来进行单片机引脚程序的控制袁可以将引脚作为输入或者输出来连接外围的器件电路袁实现系统的整体功能袁完成系统数据采集尧状态检测尧数据运算等功能遥3.2温湿度的变化速率一般比较慢DHT11温湿度采集模块袁因此在选择温湿度传感器上袁需要关注的是传感器的稳定性和准确性袁而不是传感器的反应速度遥DHT11相较于同功能其他芯片而言在成本较低的情况下具有较高的精度和鲁棒性袁所以本环境监控系统采用DHT11数字式温湿度传感器实现温湿度数字信号的采集遥DHT11与主控芯片通信时袁DHT11采用3脚单排982019.11线引脚的封装袁第1脚接VCC袁第2脚接DATA袁第3脚接GND遥通信一次的时间2ms左右袁数据分温湿度整数和小数袁以及校验和遥具体格式如表1所示遥表1DHT11数据传输格式数据字节第一字节第二字节第三字节第四字节第五字节内容湿度整数湿度小数温度整数温度小数校验和在程序设计时袁采用校验和的方式用以检验DHT11传输到核心芯片的环境数据是否正确遥其中数据传送正确时校验和为院第一到第四字节数据之和所得结果的后8位遥DHT11典型应用电路如图VDDVDD2所示遥DATA5K1PinMCU2Pin4PinDHT11图3DHT11典型应用电路GND3.3采用的是无线模块ESP8266串口WiFi模块袁该芯片是一款串口转无线模芯片袁内部自带固件袁具有操作简单袁无需编写时序信号等特点遥通过发送一些特定的ESP8266模块通过串口与单片机进行连接AT指令来实现模块的功能袁遥单片机当手机连接到网络中时袁通过发送数据到无线模块中单片机采集接收到的数据执行相应的操作遥图为ESP-12与单片机接线图如图4所示遥+5V+5V10KR18R19IN4148D910KESP8266_12U6P31S1R161KR1710119RESET1K12ADC813CH_PD7GPIO16614GPIO14GPIO4GPIO5RXDTXD515GPIO12416GPIO133VCCGPIO15GPIO0GPIO2GND2+3.3V1P201K图4ESP-12与单片机接线图3.4噪声模块图是设计电路板的基础遥首先在设计原理图之前应建立自己的原理图库遥然后新建原理图文件袁将使用到的元器件安放在合适的位置遥简单的元器件可以直接连线袁不同模块之间可以使用电气网络表袁使得电气原理图美观尧易读尧易理解遥网络表的使用也体现模块化的设计思想遥建立电气原理图之后袁需要进行电路规则检测袁PROTEL99SE工具中提供电气规则检测袁直接使用即可遥总体电路的设计如图5所示遥环境噪声标准旨在为保护人类健康而设立的一些相关规定遥在选择噪声传感器时秉持着在满足基本要求和成本低廉的多方面考虑下选择了PR-ZS-BZ-TTL-05型号的一款噪声模块遥该噪声模块与实现相同功能的其他的模块相比灵敏度优于同类型产品遥3.5总体电路总体电路设计采用PROTEL99SE软件袁这款软件具有集成度高尧模块化尧操作简单等特点遥电气原理图5总体电路4软件设计及实现单片机的寄存器袁引脚等实现具体功能执行遥下载进入单片机袁观察程序执行结果遥4.2软件流程图渊3冤编写程序之后将生成的可执行文件.HEX文件系统正常的工作需要软件配合袁软件设计主要是单片机系统的执行程序袁以及移动端的数据接收处理程序遥单片机控制IO引脚实现外围电路的操作袁根据系统的要求来编写程序遥4.1软件设计开发渊1冤项目单片机程序的设计开发使用C语言遥需要渊2冤掌握单片机与外围器件的使用方法袁通过控制系统初始化之后袁首先检测有无WiFi信号袁若没有检测到WiFi信号重新检测袁直至WiFi连接手机端袁之后系统监测温湿度尧噪声尧空气质量检测等信息袁并将采集到的数据实时上传至手机端并显示遥具体流程图如图6所示遥2019.11开发环境进行编写程序袁采用Keil软件进行编写遥99开始系统初始化检测WiFi信号否是监测噪音监测温湿度监测空气质量WiFi数据传输连接图6主程序软件流程图4.3设计采用软件功能实现STC12C5A60S2单片机袁该系列单片机支持串口下载袁程序调试完成后袁通过Keil软件把用C语言编写的代码编译成HEX格式袁然后下载到单片机中遥下载程序确定选择串口正确袁通过设备管理器查看是否安装驱动设备遥烧入完毕后运行袁观察模拟监测系统的处于正常工作状态5系统调试遥上电测试图如图7所示遥图7系统上电测试图图8是环境采集数据显示界面遥1002019.11图8测量数据界面如表2所示是5次测量统计袁温度范围平均是21.4摄氏度袁湿度偏差在4%袁PM2.5与噪声没有偏差袁系统比较稳定遥表2采集数据统计项目温度渊毅C冤湿度渊%rh冤PM2.5渊滋g/m3冤噪声渊dB冤第一次21402323第二次20402323第三次22422323第四次22422323第五次224423236结语基于WiFi实现环境数据的采集袁包括硬件和软件的设计遥硬件设计采用PROTRL99SE软件设计电路遥模块化的设计思想将硬件电路分为ESP8266主控芯片模块尧环境数据采集模块和电源电路模块3部分袁ESP8266主控芯片用于数据接收尧处理尧传输曰数据采集模块用于采集环境的温湿度袁PM2.5等数据曰电源电路模块用于给各个模块提供稳定的电压遥软件的设计分为嵌入式软件设计和安卓软件设计两部分袁嵌入式软件设计采用C语言编写袁根据电路设计的引脚袁设计ESP8266主控芯片和采集模块的通信接口遥安卓软件部分使用Java语言编写袁通过安卓系统提供的WiFi开发软件接口袁读取来至ESP8266提供的环境数据袁自主编写UI界面遥最终实现设计系统稳定袁环境数据读取准确袁安卓手机端显示正常袁符合设计的要求遥参考文献[1]中华人民共和国.2015年中国环境状况公报[Z].[2]钱志鸿2016.述[J].,电子与信息学报王义君.面向物联网的无线传感器网络综,2013,(01):215-227.(下转第110页)表2残差值时间段着渊k冤8~909~100.07211~120.03714~150.1315~160.00116~170.00118~190.00819~200.002预测结果为当前交通流状态下袁车辆增加时各路段畅通程度所受影响袁通过交通系统收集到的平均速度数据袁可得到交通拥堵状态遥检验得出院灰色预测模型预测的结果可靠遥在14~15这个时间段的残差值|着渊k冤|约0.2袁达到一般要求袁其余时间段的残差值|着渊k冤|约0.1袁认为达到比较高的要求标准遥预测交通状态是建立在上述拥堵状态预测表的基础上,通过交通系统收集到的平均速度数据,可得到交通拥堵状态袁并且在9点到12点这段时间车流量最多遥4结语通过预测在8院00-10院00的时间段是上班高峰期袁车流量较大遥道路处于拥堵状态袁可让交警在道路指挥车辆的通行袁限制拥堵路段车辆行驶时间袁适当增加非拥堵路段车辆行驶时间袁以平衡拥堵情况遥参考文献[1]潘义勇,马健霄.随机交通网络最小期望要要要均方差路径问题罚函数解法[J].重庆交通大学学报(自然科学版),2017,36(4):97-102.山西建筑,2018,44(32):29-30.3模型检验选择神经网络的输入节点数目为3袁将神将网络的输入定义t,t-1,t-2时刻的交通状态指标袁输出定义为t+吟t时刻的交通状态指标袁那么神经网络表达的就是t+吟t时刻交通状态指标和过去时刻t,t-1,t-2交通状态指标之间的关系遥y渊t+吟t冤是交通状态指标的预测值遥在当前时刻t袁要利用t,t-1,t-2时刻的观测数据预测t+吟t时刻的未来数据即下一时段后的车辆速度遥激活函数是Sigmoid渊S形曲线冤袁也称为逻辑回归即院渊5冤选取当日标准车通过北环大道新洲立交西往东路段每小时的平均速度和交通流量作为预测参数遥运用神经元网络得出如表3所示遥表3神经元结果时间序号12345678噎9该时段平均速度40.6442.1641.2936.7841.9642.3543.8945.0346.72噎最小误差比率1.14491.27691.53760.13690.51840.05760.06760.3364噎1.69[2]邱岳.城市道路交通拥堵机理及控制方法分析[J].[3]李旭,周彤梅.基于动态交通分配的交通诱导与控学版),2017,(4):79-81.[4]代雨婷,王俊峰.基于网络层析成像技术的道路交2015,52(5):985-992.通流预测算法[J].四川大学学报(自然科学版),制协同研究[J].中国人民公安大学学报(自然科[5]张亚坤,董洁霜.同城化背景下公路市政化改建道77-79.路交通流预测研究[J].物流科技,2018,(10):[6]严海,刘润坤.基于实时信息的公交运行速度控制2018,18(4):61-68.策略与算法研究[J].交通运输系统工程与信息,[7]李爱青,于成功.西宁市道路交通流运行拥堵特性研究[J].青海交通科技,2018,(3):65-69.输入层9个节点袁中间层3个节点袁输出层1个节点袁设定动量系数0.8(上接第100页)[3]尚兴宏.无线传感器网络若干关键技术的研究[D].南京理工大学,2013.2008.[4]张曦煌.无线传感器网络的研究[D].江南大学,2019.11[5]王海龙.基于安卓的手机控件组的设计与实现[D].西安电子科技大学,2015.[6]诸姣,李宏伟,彭鑫,赵文耘.安卓应用系统的功2014,(10):27-33.能与权限相关性研究[J].计算机应用与软件,110