设计移动环境监测系统

齐京

摘 要：近年来，随着高等职业教育的快速发展，高职院校开展项目设计成为潮流，加强高职院校师资队伍的建设成为各院校的重点任务。教师们在企业人员的指导下开展项目设计是一个可行的途径，这样可以使教师具备丰富的专业实践经验和专业操作技能，有助于提高教师的科技创新和设计能力，这对高职院校教师在科研能力的建设上有着深远的意义。

关键词：环境监测 传感器 服务器 客户端

中图分类号：G71 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）03（a）-0060-03

环境监测是通过对人类和环境有影响的各种物质的含量、排放量的检测，跟踪环境质量的变化，确定环境质量水平，为环境管理、污染治理等工作提供基础和保证。简单地说，了解环境水平，进行环境监测，是开展一切环境工作的前提。环境监测的目的是为了准确、及时、全面地反映环境质量现状及发展趋势，为环境管理、污染源控制、环境规划等提供科学依据。

环境监测指通过计算机、传感器、通信网络等新技术，动态实时的获取和监测环境的各项指标。本系统设计重点集中在空气质量监测，对一个区域内的能够代表空气质量的污 染物例如PM2.5等进行监测。

1 环境监测系统的组成部分

（1）客户端：客户端运行在平板电脑上，操作系统采用Android系统，用户可以通过平板电脑实时看到当前环境指标数值，比如co2浓度、PM2.5数值，空气污染等级等。

（2）服务端：服务端运行在定制实验箱硬件上，操作系统采用Android系统，服务端一方面接受客户端数据读取请求，给予响应；另一方面通过串口读取外接zigbee模块，采集到的环境指标数据。

（3）客户端与服务端连接：通过wifi网络连接。

（4）协调器：一个单片机，集成了zigbee模块，与外部各种传感器以及继电器通信，传感器以及继电器也是集成了zigbee模块。

（5）协调器与传感器连接：传感器和协调器之间通过zigbee通信。

（6）服务端与协调器：通过串口数据线连接。

2 系统架构

服务端系统主要入口在HTTPServerService， 它负责创建HttpServer和串口读线程，一旦创建完毕，后续的串口读线程周期采集（频率依赖外部串口设备），串口数据保存到内存变量中。而Http Server则负责接收来自客户端的请求，当请求到达时，创建一个线程处理该请求，线程内部首先解析请求，根据请求的参数区分进行后续的业务逻辑处理，业务逻辑处理过程会从内存变量中读取采集到的串口数据，处理完毕后构造响应消息应答客户端设备。

3 主要流程

采集串口传感数据流程，采集串口传感器数据包装在SerialportService的CO2SensorTask类中，定时任务。任务开始时，延时一秒发送外设请求，数据通过handler回传。线程循环读取外部设备数据，当读满一个采样周期完整的数据时，对该读到的数据按照接口协议进行解析，解析出每个传感数据的数值，并将原始采样数值按照约定算法进行，结果数值转换成用户可以理解的数值，处理完毕后将一个采样周期的串口数据放入内存数据结构。Http Server则负责接收来自客户端的请求，当请求到达时创建一个线程处理该请求，线程内部首先解析请求，根据请求的参数区分进行后续的业务逻辑处理，业务逻辑处理过程会从消息队列中读取采集到的串口数据，处理完毕后构造响应消息应答客户端设备。设备连接后，应用程序发送0x00， 0x31命令。外设接收到指令后，返回设备物理地址，后续发送数据，解析需要依据这些地址。

4 关键类设计

（1）MainActivity类：该类继承自Activity类，负责服务端界面的绘制，响应来自界面的用户操作，serverSwitch按钮负责打开和关闭串口和http服务。控制串口，读取串口数据有单独service控制，并与MainActivity绑定，使得系统更稳定。http服务也是有单独service控制。

（2）JasonHttpServer类：该类继承自NanoHTTPD类，负责实现android平台下的http server，在此基础上完成了客户端http请求消息的解析处理，并生成响应消息应答客户端的请求。该类主要重载了NanoHTTPD的serve方法，serve函数负责处理http请求，根据请求的uri、header等信息，解析出body，并依据这些信息获取相关数据，构造响应应答客户端。

（3）SerialportService类：该类在OnStart（）处被创建，并启动串口读线程，该线程负责读取来自串口的数据并放入消息队列。同时从sqlite中读取用户之前设置的各个传感器告警阀值，启动http服务等待客户端请求。

（4）DatabaseUtil类：该类基于SQLite编写，SQLite为手机客户端提供数据存储功能，并且有常用的增删改查功能api，使用便捷。该类负责保存用户信息，提供用户登录验证和用户添加。操作串口模块采用开源项目android-serialport-api进行android平台下串口数据读写操作。

（5）http server模块：采用开源项目nanohttpd实现android平台下的http server，在此基础上完成了客户端http请求消息的解析处理，并生成响应消息应答客户端的请求。

5 CO2气体传感器

CO2气体传感器的特点：对CO2有良好的灵敏度和选择性，受温湿度的变化影响较小，具有良好的稳定性、再现性。应用领域包括：空气质量控制系统，发酵过程控制，温室CO2浓度检测。工作原理：本传感器采用固体电解质电池原理，元件加热电压由外电路提供，当其表面温度足够高时，元件相当于一个电池，其两端会输出一电压信号，其值与能斯特方程符合得较好。元件测量时放大器的阻抗须在100—1000GΩ之间，其测试电流应控制在1pA以下。

6 温湿度传感器

温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用于工业COMS过程微加工技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。其中包括：一个电容式聚合体测湿元件和一个能隙式测温元件，并与一个14位的A/D转换器以及串行接口电路在同一芯片上实现无缝连接。因此，该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。两线制串行接口和内部基准电压，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。产品提供表面贴片LCC（无铅芯片）或4针单排引脚封装。

7 移动客户端设计

移动客户端使用Android手机，用户通过界面点击注册按钮，输入用户名、密码、邮箱地址之后点击确定触发用户注册流程。注册将用户信息提交到服务端，持久化到sqlite数据库。

注册部分实现逻辑：

（1）注册开始。

（2）在界面上输入用户名，密码，邮件等必须信息。

（3）启动注册线程。

（4）使用用户名密码等数据构造HTTP请求和JASON BODY。

（5）向服务器端发送请求。

（6）服务器应收该请求。

（7）服务器对接到到的HTTP请求，分解JasonBody中的数据。

（8）对注册信息进行校验。通过则注册成功成功。

（9）校验不成功，是返错误代码。

登录部分功能说明：用户通过登录界面输入用户名、密码之后点击登录界面触发登录流程。

登录部分实现逻辑：

（1）用户在登录界面输入用户名，密码等信息。

（2）启动登录线程。

（3）使用用户名密码等数据构造HTTP请求和JASON BODY。

（4）向服务器端发送请求。

（5）服务器应收该请求。

（6）服务器对接到到的HTTP请求，分解JasonBody中的数据。

（7）对注册信息进行校验。通过则注册成功成功。

（8）校验不成功，是返错误代码。

空气温度监测功能说明：提供空气温度监测数值曲线显示：在环境监测主界面能够动态显示空气温度的状态曲线，显示出空气温度的变换状况。每个绘图点的高度要能够反映出所对应时间点的数值高度，在每个绘图点的上方有所对应数值显示。

空气温度监测实现逻辑：

（1）客户端初始化曲线图界面。

（2）启动一个定时线程（定时间隔可调，默认为1秒）。

（3）将空气温度查询指令构造为HTTP请求和JASON BODY。

（4）向服务端发送请求。

（5）服务端响应该请求。

（6）根据指令，读取空气温度传感器的当时数据。

（7）将空气温度传感器的当时数据构造HTTP请求和JASON BODY。

（8）将HTTP请求返回客户端。

（9）客户端接收该数据后，解析该数据，并根据当前的值在界面上画出对应的曲线。

空气湿度监测功能说明：提供空气湿度监测数值曲线显示：在环境监测主界面能够动态显示空气湿度的状态曲线，显示出空气湿度的变换状况。每个绘图点的高度要能够反映出所对应时间点的数值高度，在每个绘图点的上方有所对应数值显示。

空气湿度监测实现逻辑：

（1）客户端初始化曲线图界面。

（2）启动一个定时线程（定时间隔可调，默认为1秒）。

（3）将空气湿度查询指令构造为HTTP请求和JASON BODY。

（4）向服务端发送请求。

（5）服务端响应该请求。

（6）根据指令，读取空气湿度传感器的当时数据。

（7）将空气湿度传感器的当时数据构造HTTP请求和JASON BODY。

（8）将HTTP请求返回客户端。

（9）客户端接收该数据后，解析该数据，并根据当前的值在界面上画出对应的曲线。

土壤湿度监测功能说明：提供土壤湿度监测数值曲线显示：在环境监测主界面能够动态显示土壤湿度的状态曲线，显示出土壤湿度的变换状况。每个绘图点的高度要能够反映出所对应时间点的数值高度，在每个绘图点的上方有所对应数值显示。

土壤湿度监测实现逻辑：

（1）客户端初始化曲线图界面。

（2）启动一个定时线程（定时间隔可调，默认为1秒）。

（3）将土壤湿度查询指令构造为HTTP请求和JASON BODY。

（4）向服务端发送请求。

（5）服务端响应该请求。

（6）根据指令，读取土壤湿度传感器的当时数据。

（7）将土壤湿度传感器的当时数据构造HTTP请求和JASON BODY。

（8）将HTTP请求返回客户端。

（9）客户端接收该数据后，解析该数据，并根据当前的值在界面上画出对应的曲线。

光照强度功能说明：提供光照强度监测数值曲线显示：在环境监测主界面能够动态显示光照强度的状态曲线，显示出光照强度的变换状况。每个绘图点的高度要能够反映出所对应时间点的数值高度，在每个绘图点的上方有所对应数值显示。

光照强度实现逻辑：

（1）客户端初始化曲线图界面。

（2）启动一个定时线程（定时间隔可调，默认为1秒）。

（3）将光照强度查询指令构造为HTTP请求和JASON BODY。

（4）向服务端发送请求。

（5）服务端响应该请求。

（6）根据指令，读取光照强度传感器的当时数据。

（7）将光照强度传感器的当时数据构造HTTP请求和JASON BODY。

（8）将HTTP请求返回客户端。

（9）客户端接收该数据后，解析该数据，并根据当前的值在界面上画出对应的曲线。

二氧化碳浓度监测功能说明：提供二氧化碳浓度监测数值曲线显示：在环境监测主界面能够动态显示二氧化碳浓度的状态曲线，显示出二氧化碳浓度的变换状况。每个绘图点的高度要能够反映出所对应时间点的数值高度，在每个绘图点的上方有所对应数值显示。

二氧化碳浓度监测实现逻辑：

客户端初始化曲线图界面

（1）启动一个定时线程（定时间隔可调，默认为1秒）。

（2）将二氧化碳浓度查询指令构造为HTTP请求和JASON BODY。

（3）向服务端发送请求。

（4）服务端响应该请求。

（5）根据指令，读取二氧化碳浓度传感器的当时数据。

（6）将二氧化碳浓度传感器的当时数据构造HTTP请求和JASON BODY。

（8）将HTTP请求返回客户端。

（9）客户端接收该数据后，解析该数据，并根据当前的值在界面上画出对应的曲线。

主动报警功能说明：用户输入空气湿度上限及下限（示例中为0和100）。设置完成后点击“确定”按钮，系统记录该阈值后，当查询到的数值不在这个区间范围之内时，能主动修改报警状态，并触发对应的报警机构。

主动报警实现逻辑

（1）点击空气湿度界面“设置”按钮，弹出空气湿度阀值设置界面。

（2）输入空气湿度阈值上限及下限数据，点击确认按钮。

（3）当空气湿度超过所设定的上门限或下门限时，主界面中将显示空气湿度告警，（示例中空气湿度数值为212，已经超过上门限100，所以当前状态为“预警”）

空气湿度阀值功能说明：用户输入空气湿度阀值上限及下限（示例中为0和100）。设置完成后点击“确定”按钮，系统记录该阈值后，当查询到的数值不在这个区间范围之内时，能主动修改报警状态，并触发对应的报警机构。

空气湿度阀值实现逻辑

（1）点击空气湿度界面“设置”按钮，弹出空气湿度阀值设置界面。

（2）输入空气湿度阈值上限及下限数据，点击确认按钮。

（3）当空气湿度超过所设定的上门限或下门限时，主界面中将显示空气湿度告警，（示例中空气湿度数值为212，已经超过上门限100，所以当前状态为“预警”）。

土壤湿度的阈值功能说明：用户输入土壤湿度的阈值上限及下限（示例中为0和100）。设置完成后点击“确定”按钮，系统记录该阈值后，当查询到的数值不在这个区间范围之内时，能主动修改报警状态，并触发对应的报警机构。

土壤湿度的阈值实现逻辑：

（1）点击土壤湿度界面“设置”按钮，弹出土壤湿度阀值设置界面。

（2）输入土壤湿度阈值上限及下限数据，点击确认按钮。

（3）当土壤湿度超过所设定的上门限或下门限时，主界面中将显示土壤湿度告警，（示例中土壤湿度数值为212，已经超过上门限100，所以当前状态为“预警”）。

光照强度阀值功能说明：用户输入光照强度阀值上限及下限（示例中为0和100）。设置完成后点击“确定”按钮，系统记录该阈值后，当查询到的数值不在这个区间范围之内时，能主动修改报警状态，并触发对应的报警机构。

光照强度阀值实现逻辑：

（1）点击光照强度阀值界面“设置”按钮，弹出光照强度阀值阀值设置界面。

（2）输入光照强度阀值阈值上限及下限数据，点击确认按钮。

（3）当光照强度阀值超过所设定的上门限或下门限时，主界面中将显示光照强度阀值告警，（示例中光照强度阀值数值为212，已经超过上门限100，所以当前状态为“预警”）。

二氧化碳的阈值功能说明：用户输入二氧化碳的阈值上限及下限（示例中为0和100）。设置完成后点击“确定”按钮，系统记录该阈值后，当查询到的数值不在这个区间范围之内时，能主动修改报警状态，并触发对应的报警机构。

二氧化碳的阈值实现逻辑

（1）点击二氧化碳浓度界面“设置”按钮，弹出二氧化碳浓度阀值设置界面。

（2）输入二氧化碳浓度阈值上限及下限数据，点击确认按钮。

（3）当二氧化碳浓度超过所设定的上门限或下门限时，主界面中将显示二氧化碳浓度告警，（示例中二氧化碳浓度数值为212，已经超过上门限100，所以当前状态为“预警”）。

空气湿度、空气湿度或二氧化碳浓度触发对应的报警机构功能说明：当查询到的空气湿度、空气湿度或二氧化碳浓度数值不在这个设定的范围之内时，客户端界面上能主动修改报警状态，并触发对应的报警机构。

空气湿度、空气湿度或二氧化碳浓度触发对应的报警机构实现逻辑：

（1）定时查询到空气湿度、空气湿度或二氧化碳浓度数值时，将该值与本地存储的阀值进行对比。

（2）当查询到数值在这个期间范围之内时，在客户端界面显示“正常”，设置风扇的状态标志为“关闭”。

（3）当查询到数值不在这个期间范围之内时，在客户端界面显示“报警”。

（4）设置风扇的状态标志为“打开”。

（5）用风扇状态标志构造HTTP请求和JASON BODY。

（6）向服务端发送请求。

（7）服务端接收请求，并分析接收到的数据。

（8）服务端将接收到的状态，写入到对应的传感器状态。

光照强度触发对应的报警机构功能说明：当查询到的光照强度数值不在这个设定的范围之内时，客户端界面上能主动修改报警状态，并触发对应的报警机构。

光照强度触发对应的报警机构实现逻辑：

（1）定时查询到光照强度数值时，将该值与本地存储的阀值进行对比。

（2）当查询到数值在这个期间范围之内时，在客户端界面显示“正常”，设置LED灯的状态标志为“关闭”。

（3）当查询到数值不在这个期间范围之内时，在客户端界面显示“报警”。

（4）设置LED灯的状态标志为“打开”。

（5）用LED灯状态标志构造HTTP请求和JASON BODY。

（6）向服务端发送请求。

（7）服务端接收请求，并分析接收到的数据。

（8）服务端将接收到的状态，写入到对应的传感器状态。

土壤湿度触发对应的报警机构功能说明：当查询到的土壤湿度数值不在这个设定的范围之内时，客户端界面上能主动修改报警状态，并触发对应的报警机构。

土壤湿度触发对应的报警机构实现逻辑：

（1）定时查询到土壤湿度数值时，将该值与本地存储的阀值进行对比。

（2）当查询到数值在这个期间范围之内时，在客户端界面显示“正常”，设置水泵的状态标志为“关闭”。

（3）当查询到数值不在这个期间范围之内时，在客户端界面显示“报警”。

（4）设置水泵的状态标志为“打开”。

（5）用水泵标志构造HTTP请求和JASON BODY。

（6）向服务端发送请求。

（7）服务端接收请求，并分析接收到的数据。

（8）服务端将接收到的状态，写入到对应的传感器状态。

8 结语

通过设计环境监测系统手机客户端，使我们接触到了企业的真实项目，为我们的教学带来了新的内容，同时也提升了教师的实践能力和科研能力，可以看出项目设计是一条提升教师能力的有效途径。

参考文献

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[2] 陈家佳，肖丽.智能家居中环境监测系统懿研究与应用[J].世界电子元器件，2011（11）.

[3] 崔曼，薛惠锋，卜凡彪，等.基于物联网与云计算的环境监测系统研究[J].西安工业大学学报，2013（7）.