基于Android终端的物联网无线环境监测系统

黄佳遥 周琴 张盛耀

摘 要 随着现代工农业的发展，环境监测的内容由传统工业污染源的监测逐步发展到对大气环境的监测，通过无线环境监测系统，可方便的获取环境的变化及提供可靠的数据，利用ZigBee组建局域网，将数据上传Internet，通过OneNet云平台实时显示数据，最终在Android终端远程实时监测，具有良好的实时性和交互性，对工农业生产具有指导意义。

【关键词】传感器 ZigBee Android

1 总体设计方案

图1为无线环境监测系统的整体构成模型，主要由传感器、终端、协调器、主控制器和电源等部分组成。以主控制器为核心，以ZigBee组建的无线网络为内网，外网通过Wi-Fi方式接入Internet，客户端软件通过远程访问Internet来进行远程监测和控制。内网与外网之间通过主控制器进行信息交互。

1.1 内网-外网主控制器功能设计

主控制器是无线环境监测系统的重要组成部分，连接ZigBee组建的无线局域网与Internet网络，实现数据的转发功能。

1.2 环境监测内部网络结构设计

使用ZigBee来组建无线环境监测控制网络，用户可通过客户端远程访问服务器对环境进行远程监测和控制。ZigBee终端节点可搭载不同种类传感器模块（温湿度传感器、烟雾传感器和光照传感器等），Zigbee协调器无线接收来自终端的数据，从而组成ZigBee无线网络。

2 ZigBee无线传感控制网络结构设计

ZigBee网络采用树型结构网络拓扑，整个无线网络由一个协调器及一个终端节点组成（可进行扩展）。终端节点主要搭载有温湿度传感器、烟雾传感器及光照传感器。采用TI公司的CC2530芯片组成的ZigBee无线网络，它支持802.15.4和Zigbee2007等多种国际通信标准，其传输距离较短，但功耗很低。

2.1 传感器模块

2.1.1 温湿度传感器模块

采用DHT11温湿度传感器， 它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，响应速度快，测控范围广，性价比较高。

2.1.2 烟雾传感器模块

采用MQ-2烟雾传感器，可检测多种可燃气体，它适合多种应用场合，符合项目需求。

2.1.3 光照传感器

采用光敏电阻半导体器件，具有灵敏度高，反应速度快等优点，且在高温等恶劣环境下能保持较高的稳定性和可靠性。

2.2 终端节点软件实现

ZigBee终端节点上电后进行系统内部初始化，之后进行扫描信道，尝试加入对应的ZigBee网络，加入成功便将自身IEEE地址发送给协调器，并将传感器采集到的温湿度、气体和光照等数据按照设计的数据包规则打包发送给协调器。

2.3 协调器软件实现

协调器负责网络的建立与管理，系统上电之后进行初始化硬件和协议栈，然后选择一个空闲信道建立新的网络。当有节点想要申请加入新网络时，节点就会扫描周围的协调器并发出连接请求，协调器收到请求后，会给节点分配一个短地址，之后节点将成功和协调器建立连接并开始通信。同时为了避免出现数据丢包和收发不同步的情况，需对发送的数据包进行校验，ZigBee协议一般采用CRC校验。图3为ZigBee程序流程图。

3 外部网络结构设计

主控制器采用STM32F103C8T6单片机，CPU最高主频72MHz，可达64Kb闪存Flash，3个串口，支持SWD、JTAG工具调试。其相关配置足以满足项目使用 。

云服务器选择的是中移物联网OneNet物联网平台，中国移动物联网开放平台以 “大连接、云平台、轻应用、大数据”为架构打造用户导向的物联网生态环境。面向智能家居、可穿戴设备、车联网等多个领域开放。硬件方面可支持各类传感器和智能硬件快速的接入和可控触发控制，软件方面可满足物联网领域数据存储、数据安全和大数据分析等平台级服务，

3.1 通信方式

通过ESP8266 Wi-Fi模块与主控板进行串口通信，同时协调器也与主控板进行串口通信，从而进行数据交互，ESP8266 Wi-Fi模块通过连接路由器接入Internet。

3.2 通信协议

Wi-Fi與OneNet平台之间的通信方式分为EDP和RestFul API两种方式，其中RestFul API基于HTTP协议和JSON数据流格式，适合平台的资源的管理、平台和平台之间数据的对接、使用短连接上报终端数据及时间序列化数据存储等开发场景。EDP协议基于TCP协议，该协议是OneNet平台根据物联网的特点专门定制开发的完全公开的TCP协议，可广泛用于智能家居和智能交通等相关行业，一般适合数据的长连接上报、转发、存储和数据下发的场景。根据两种协议的不同特点，本项目采用EDP协议使Wi-Fi模块与OneNeT平台相连，使得数据从终端节点到协调器再到Wi-Fi模块，最终传输到OneNet云平台上。同时OneNet平台可下发命令到主控制器上得到响应。

EDP协议支持终端数据点的多种数据类型上报，其中有浮点数、整型、字符串、JSON对象和二进制数据，支持平台消息的下发。本项目采用“.；datastream，value；”的方式对数据流进行简单封装上报给服务器。

3.3 Android端APP设计

构建手机APP将传感器远程采集到的数据展现在用户的面前，可实现对周围环境的实时监测，通过手机APP远程访问服务器，将温度、湿度、气体和光照等数据直观显示在用户面前，同时可以向设备下发信息实现控制功能，达到远程控制的目的。简单客户端包括数据监测部分和退出系统部分。图2为数据监测部分的效果图。

4 硬件结构与APP模型综合测试

通过图1的APP模型和图2的实物模型的综合测试，得出测试效果较好，Android APP可清晰直观的观测到传感器上传的环境数据信息，且数据流的更新维持在10s左右，可以达到实时观测的效果，具有较好的实时性和稳定性。

5 结束语

基于Android终端的无线环境监测系统的研究利用当下流行的Android技术来开发平台，利用OneNet云服务器与Android平台进行数据信息的交互，具有一定的先进性和实用性，使得用户可实时查看环境相关数据信息，并且可以达到远程控制的目的。总的来说，该系统具有良好的交互性，且功耗低，实时性好，对工农业生产具有指导性意义。

参考文献

[1]朱苗苗，牛国锋，程宏斌.基于Z-Stack协议栈的无线温湿度采集系统[J].计算机系统应用，2016，25（10）：258-262.

[2]侯杰林，张青春，符骏.基于OneNet平台的水质远程监测系统设计[J].淮阴工学院学报，2016，25（03）：10-13

[3]魏青梅.基于无线传感器网络的智能家居系统设计与实现[D].西安电子科技大学，2015.

作者简介

黄佳遥（1998-），男，河南省南阳市人。就读于贵州大学大数据与信息工程学院。

周琴（1996-），女，四川省广安市人。就读于贵州大学大数据与信息工程学院。

张盛耀（1980-），男，江西省吉安市人。硕士学位，高级实验师。现就职于贵州大学大数据与信息工程学院，主要研究方向为电子技术、现代通信技术、嵌入式技术。

作者单位

贵州大学大数据与信息工程学院 贵州省贵阳市 550025