基于蓝牙的教室环境监测系统设计

彭 坤，陈劲杰

(上海理工大学 机械工程学院，上海 200093)

基于蓝牙的教室环境监测系统设计

彭 坤，陈劲杰

(上海理工大学 机械工程学院，上海 200093)

针对教室环境中的温度、湿度、CO2浓度影响师生的学习效率，以及身体健康等问题，设计和开发了一种基于蓝牙的教室环境监测系统。通过数据采集终端采集周围环境数据，利用STM32F407ZGT6芯片对整个数据采集终端进行处理，对短期内采集得到的数据进行存储。并使用集成蓝牙模块作为无线通讯网络，进行实时监测点和历史监测点，采集得到的数据与移动终端之间的数据传输。该系统在某教室某天正常上课的环境下进行监测，检测结果显示，测得值与真实值差距小，并且由于系统的高集成性、体积小、价格便宜，基本不需要对教室环境做改动就可以完成对教室内环境的监控，具有良好的应用前景。

数据采集；实时监测；蓝牙；STM32F407ZGT6芯片

教室是学生一天当中停留时间最长的地方，室内环境，对学生的身心健康、学习效率都有着一定程度的影响。当温度、CO2浓度超过人体适应范围时，学习效率会降低[1]，这就需要采取相应措施来保证教室环境在相对适宜的条件。因此，文中针对教室内的温度、湿度以及CO2浓度进行实时监测，考虑使用者操作的便捷性，采用一种基于蓝牙的教室环境监控系统[2-3]，使人们能直观了解周围环境的状况。

1 系统总体设计

整套系统构成为3部分，即教室环境数据采集终端、数据传输、用户层，如图1所示，图中的数据采集系统负责完成检测环境中的数据，并向数据处理控制器传输数据的任务；数据传输主要任务是将控制器中存储的数据，经蓝牙传输给已经建立连接的设备；用户层主要是接受控制器中的数据，直观的展示给用户室内现场环境状况，并给出历史环境质量波动折线图。本设计主要是为了检测教室实时环境状态，再由用户做出必要响应，保证室内环境条件在相对适宜的状态，提高学习效率。

图1 系统总体结构

2 系统硬件设计

教室环境监测系统硬件部分由数据采集模块、控制及传输模块、用户界面组成。以STM32F407ZGT6为核心，通过STM32F407ZGT6 I/O采集M1501二氧化碳传感器、HIS-06K-N湿度传感器和LM35温度传感器的信号，经过数据分析和处理后，通过集成的蓝牙4.0模块，发送给用户终端。图2即是系统硬件设计结构图[4]。

图2 系统硬件结构图

2.1 数据采集模块

传感器数据采集模块[5-6]主要是由二氧化碳传感器、湿度传感器和温度传感器3部分组成。针对教室环境中的CO2浓度、湿度和温度进行实时监测。 M1501二氧化碳传感器具有良好精度和稳定性，其测量范围为较广，但其预热时间30 s，15 min达到规定精度要求；采样频率为3 s一次，因此在系统运行前需要有预热时间。HIS-06K-N湿度传感器其测量精确度高、尺寸小，接口简单，两引脚分别接电源与处理器芯片引脚，使用方便。LM35温度传感器是一种广泛使用的温度传感器，采用内部补偿，可从0 ℃开始输出，其温度计算方法为

T=10/Vout(T)

(1)

式中，Vout(T)的单位为mV,T单位为℃；其精度0.5 ℃(+25 ℃时)。

2.2 控制及传输模块

采用基于STM32F407处理器的开发板，5 V的直流电作为输入。利用STM32F407ZGT6芯片作为数据的处理模块[7-8]，它在片内集成了并行I/O口、16位定时器、RAM和ROM。并且其RAM为192 kB，足够适应日常教室环境监测使用，并且其有足够大的存储空间，能适用于教室环境监控系统的数据处理上。使用内部时钟可以实现对系统时间进行记录，并实现定时功能。

图3 数据处理流程图

2.3 电源模块

采用直流稳压电源给控制器供电，由于STM32F407ZGT6芯片不同引脚承受电压不同，分别为5 V，3.3 V;此外二氧化碳、温度、湿度传感器在5 V直流稳压电源下都能正常工作，因此使用5 V电源接口和低电压电源(LDO)芯片HT7133-1稳压输出3.3 V，可以保证系统的稳定运行。HT7133-1芯片电路图如图4所示。

图4 3.3 V低电压电路

由于每天晚上放学后到第2天早晨教室都处于无人状态环境下，无需对教室环境质量进行检测，可以设置在通电情况下，关闭控制电源，从而达到节约电能的目的。

2.4 信号传输

考虑到本监控系统的应用环境，需要传输的距离较短，而且在系统使用过程中可能也没有其他无线信号，因此采用绝大多数终端都会带有的蓝牙功能作为传输媒介。并且蓝牙4.0模块[8-9]具有传输速度快、效率相对较高，且相对较为省电。因此选用低功耗的蓝牙模块，即节省能源，又具有易操作性。

3 系统的软件设计

采用传感器对现场环境进行监测，处理器对监测数据进行必要处理，然后通过信号传输模块将数据传输到移动终端，从而实现整个系统的功能。系统的软件部分采用模块化编程方式，以便后期维护检查。

系统软件设计主要包括两个部分：系统环境监测端、用户端。

系统环境监测端[10]主要负责信号采集、处理和传输的功能，其流程如图5所示。

图5 系统环境监测端流程图

用户端采用MVC模型，以Eclipse为平台开发的客户端[11-12]，主要通过用户的移动设备从监测端的蓝牙设备接受数据，并将数据直观地反馈给用户查看，并给出环境变化折线图，同时对每天的监测数据进行保存。本系统采用SQL Server2008数据库[13-14]，由系统的功能可知，主要包含以下数据库信息：环境质量表，该表包含监测时间、温度、CO2浓度，湿度信息；其中监测时间为主码。设计表如表1所示。

表1 环境质量表

注：字段中Time为主键(PK)

用户界面显示如图6所示。

图6 用户端界面

4 系统测试结果分析

对本监控系统进行测试的目的是为了检测系统的可靠性和准确性，在对同一间教室不同位置(前右、前左、中央、后左、后右)，以及不同时段进行3项检测数据的测试，其结果如表1和表2所示，同时根据教室CO2的分布情况研究[15]得到，本系统侧得的值与该研究基本相吻合。测试表明本监控系统达到了预期的效果，响应速度快、应用简单、可靠性高、测量结果更加直观。

表2 同一教室不同位置3项数据的监测结果

表3 同一教室不同时段3项监测数据结果

5 结束语

将本系统应用于教室环境监控中，实现对环境信息的实时监控。本设计的优势在于操作的简单性、携带、安装方便，监控具有准确性、实时性；当观测到室内空气质量处于非适宜状态时，适时采取相应措施，如开窗通风，增加空气湿度等。此外，该系统还能够直观地反应历史趋势图，从而为教室环境改良有着一定的参考意义。

[1] 刘嵘.教室空气中的主要污染物研究[D].北京:首都经济贸易大学,2004.

[2] 顾简,施云波,修德斌.基于GPRS的环境温湿度监测系统设计[J].黑龙江大学：自然科学学报,2011,19(3):61-64.

[3] 顾福飞,谢汉明.基于蓝牙芯片数据采集模块的设计与实现[J].仪器仪表用户,2008,15(6):65-67.

[4] 郑大伟,魏智鹏,魏雪萍. 基于蓝牙4.0的教室人数监测智能系统设计[J]. 单片机与嵌入式系统应用, 2015(5):47-50.

[5] 郁有文.传感器原理及工程应用[M]. 西安：西安电子科技大学出版社，2000.

[6] 来清民. 传感器与单片机接口及实例[M].北京：北京航空航天大学出版社, 2008.

[7] 李凯,秦理想,杜君.基于蓝牙通信的移动抄表终端的设计[J].电子产品世界，2015,22(10):46-50.

[8] 徐金苟.低能耗蓝牙4.0协议原理与实现方法[J].微型电脑应用, 2012,28(10):16-19.

[9] 陈子龙,张红雨,李俊斌.蓝牙4．0无线传感网数据采集及以太网传输设计[J]．电声技术,2013(10)：74-77.

[10] 姜进,王鑫,杨慧中. 基于MSP430单片机的无线环境监测系统的设计[J]. 江南大学学报,2011,10(1):45-48.

[11] 任胜楠. 基于WiFi的家庭健康监护系统[J].电子科技, 2016(2):48-52.

[12] 吴年京,黄波,张汗聪.基于Android手机平台的远程温度查询系统[J]. 数字通信，2013,40(3)：88-90.

[13] 张莉.SQL Server数据库原理及应用[M].北京：清华大学出版社,1997.

[14] 王学慧.基于SQL Server的数据库应用系统性能优化研究[J].电子科学技术,2015(1):95-99.

[15] 宁发子,赵美英,应晨江.教室空气中微生物CO2的形成、分布及其相互关系的研究[J]. 中国公共卫生学报，1994,13(5)：280-282.

A Classroom Environment Monitoring System Based on Bluetooth

PENG Kun,CHEN Jinjie

(School of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

In the classroom environment, the temperature, humidity and CO2 concentration seriously affect the learning efficiency of teachers and students, as well as the physical health and other issues, so we design and develop a classroom environmental real time monitoring system based on bluetooth. This system collects the environment data from the data acquisition terminal, which is processed by the STM32F407ZGT6 chip and stored in a short term. The integrated Bluetooth module is used as a wireless communication network for data transmission. We check the system in a certain classroom environment and the result show that the gap between the observed value and the true value is small. The highly-integrated system enjoys small size, low price and little need for change in the classroom environment.

data acquisition; real-time monitoring; Bluetooth; STM32F407ZGT6

2016- 04- 01

彭坤(1991-)，男，硕士研究生。研究方向：机械电子。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.02.032

TN926+.22;TP274+.2

A

1007-7820(2017)02-123-04