基于Android手机的无线环境监测系统的设计与应用

祝阳祝朝坤

(1.中国石油新疆油田公司,新疆克拉玛依 834000;2.河南理工大学万方科技学院,河南郑州 450000)

基于Android手机的无线环境监测系统的设计与应用

祝阳1祝朝坤2

(1.中国石油新疆油田公司,新疆克拉玛依 834000;2.河南理工大学万方科技学院,河南郑州 450000)

当前技术浪潮中,由于物联网技术的盛行,小到家居生活,大到宇宙空间,智能化的概念已经无孔不入的渗透入各种设备和领域。本文中对于环境的监控这一课题继续进行研究,创新点在于本设计采用智能手机作为监测终端,通过采用蓝牙协议进行数据的无线传输,为远程读取环境数据信息提供了可能。在生活中,人们可以通过手机来实时获取室内外所安装的环境节点采集到的数据;在工业上,例如在一些不方便人们进入的实验室环境和环境条件恶劣的设备工作场所,工人们可以使用本设计,手机远程读取所需测量位置的环境信息。

单片机 蓝牙协议 传感器 环境监测 智能手机

1 作品的背景和意义

最近几年,“物联网”技术浪潮正以席卷全球的趋势迅速蔓延开来,如逐渐成熟的智能农业、智能工业,以及被炒作的热火朝天的智能家居等,无处不体现出了高科技新技术在生活和社会生产中无限的活力。在物联网时代即将到来的新一轮产业革命背景之下,污染源自动监控、环境在线监控、卫星遥感等技术手段的应用不仅会改变“废气靠看、废水靠闻、噪声靠听”的落后监管局面,也将对环境管理理念、方法、体制、机制的变革形成推动力量。

本设计能够运用在一些日常需要实时监测温湿度和光照数据的场景,例如智能农业大棚,智能家居、工业等场景。设计中通过STC系列单片机对温湿度传感器,光照传感器的数据进行采集。并在采集到相关数据之后进行处理和分析,同时通过单片机的串口将数据传输给蓝牙模块,Android手机通过和单片机外接蓝牙模块的配对,对传感器采集来的数据进行接收。并将其在事先写好的Android手机APP上显示出来。

2 系统功能设计

设计分为硬件设计和软件设计两大部分,其中硬件包括包含单片机在内的硬件节点的设计,和各模块的整合;软件设计则分为单片机程序的编写,以及Android智能手机上的APP的开发。其设计框架如图2.1所示。

2.1 硬件的选型和设计

基于STC系列单片机的mini环境节点的设计。

节点设计采用性价比较高的STC89C系列单片机做为微控制器,采用相关的环境参数传感器进行环境信息的采集,同时使用蓝牙模块将采集的数据通过无线的方式发送给手机,从而设计出一种简单实用的无线环境监测节点。下面对设计中所使用的传感器和蓝牙模块进行简要的介绍。

(1)设计中采用的传感器简介。

①DHT22一体化温湿度传感器。DHT22湿敏电容数字温湿度模块是一款含有己校准数字信号输出的温湿度复合传感器。传感器包括一个电容式感湿元件和一个高精度测温元件,并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有超低能耗、超快响应、抗干扰能力强、性价比高等优点。

②基于BH1750FVI的光照强度模块。此模块采用I2C总线和单片机进行通信,在模块内部将光照度转换为响应的数字信号进行输出,输出光照强度范围为1～65535Lux。它的工作温度范围也很广,可以在-45℃到+85℃的温度条件下进行工作,满足一般的工业生产的条件。同时也具有较高的灵敏的和精确度。

以上两种传感器是本节点中将要用到的传感器,他们主要采集周围环境中实时变化的温湿度和光照度这三类信息。

(2)蓝牙串口模块简介。蓝牙,是一种支持设备短距离通信(一般10m--20m左右)的无线电技术。能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等之间进行无线信息交换。利用“蓝牙”技术,能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信,也能够简化设备与因特网Internet之间的通信,从而数据传输变得更加迅速高效。蓝牙采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术,支持点对点及点对多点通信,工作在全球通用的2.4GHz ISM(即工业、科学、医学)频段。同时由于蓝牙技术具有低功耗,传输速度快等优势,因此被广泛的运用在日常生活和生产场合。本设计中采用的蓝牙串口模块的RX、TX分别与单片机串口TX、RX的直接连接,通过单片机的串口通信方式,对采集到的数据进行传输。

(3)节点的整体效果图。在本设计中STC89C52用作核心控制器,用来对DHT22和BH1750FVI传感器的信息采集与处理,并控制蓝牙模块的收发工作有序的进行。在设计中起到至关重要的作用。环境节点的整体运行效果如图2.2所示。

2.2 Android客户端程序设计

Android手机上的APP设计。

Android客户端应用程序做为本系统的的手机客户端是本系统的亮点设计,Android终端程序初步设计总共具有1个主页面,以及三个子界面。其中三个子界面包括:环境信息监控页面、灯光控制页面、摄像头监控点选择页面。现仅将已经具体实现的环境监测子界面以及部分代码进行主要介绍。

(1)程序设计流程。

①主页面。用户打开应用程序首先进入的是主页面,该页面具体效果图如下图2.3所示。

界面环境搭建主要通过在main.xml文件中,用代码对文件进行布局,下面对main.xml文件的布局进行简要说明。文件使用LinearLayout对界面进行整体布局,其中使用TextView和ImageView对界面中的文字以及图片进行基本定义。在使用Button控件在界面的特定位置放置按钮。即可得到如上所示界面布局。

具体对主界面按钮的控制则由Main_activity类完成,该类继承自Activity,通过重载父类的onCreate()方法实现对main.xml中各控件的操作,然后分别对其中的三个Button按钮注册监听事件,当点击对应的按钮时,将触发所对应的监听器,即可转入相对应的界面,部分代码如下所示:

由以上代码我们可以看出,当点击“环境信息”、“视频监控”以及“电灯”三个不同的按钮时,会触发不同的监听事件,转入对应的子页面中去。

②“环境信息”子页面。环境信息子页面效果图如下图2.4所示:

界面环境搭建主要在environment.xml文件中进行定义,类似于主页面的搭建形式,在此不再赘述。同时我们可以看到关于本页面会有对外界温湿度光照等传感器数据信息的一个采集。传感器数据信息是通过手机上自带的蓝牙功能与mini环境节点上的蓝牙模块进行点对点通信获得的不断变化着的实时数据。具体实现需要调用Android蓝牙模块相关的一些方法。首先android手机需要对自己周围的蓝牙设备进行扫描,并连接mini环境节点所对应的蓝牙模块。当与环境节点的蓝牙模块进行连接之后,即可进一步对单片机发送来的数据信息进行获取。

(2)Android应用程序APP的生成。当一系列软件开发工作都完成之后,则需要对所开发的app进行测试。在基于Android的Eclipse开发环境下,只需要点击编辑器中Run菜单下的的Run As---Android Application一项即可运行,同时会在工程文件夹下的bin目录下生成一个.apk的压缩文件,也就是APP的安装包。接下来只需要将其拷贝到Android智能手机上进行安装即可。

(3)Android智能手机端功能测试。Android智能手机终端功能测试主要分为以下几个方面:

①首先将apk应用程序安装到Android智能手机上,安装完成后会出现名为“智能监控系统”的应用程序小图标。

②点击运行应用程序后,即可进入如文中图2.3所示的环境监控系统主界面。

③点击“环境信息”,并连接硬件节点所对应的蓝牙设备,将出现如文中图2.4所示的环境监控信息页面。在此页面下,我们可以看到硬件节点上的传感器采集到的各种环境数据。这些环境信息随着当前环境的不断改变而实时变化。

至此,该设计的主要功能已经实现。通过蓝牙方式完美的将硬件节点所采集到的传感器信息传输给Android智能手机,并实现了对环境信息的实时监测功能。

3 作品设计总结及展望

本设计的主要是以Android JAVA编程、单片机C语言为主要开发语言,以单片机开发板、各种传感器模块、PC机、Android智能手机为硬件平台,设计并实现了环境信息监测系统,该系统已初步实现了通过蓝牙的无线方式实时获得监控点环境信息的功能,同时也实现了通过Android智能手机实时监测一定范围内的环境信息的目的。

在接下来的设计中,还希望能够完成对当前环境下的实时视频监控功能,也会在接下来的时间里对本设计发现的问题及时更正,期待能够在实际运用中不断改进,不断完善,达到更加完美的效果,以便更好的用于生活和工业生产。