基于蓝牙技术的实验室环境监测系统设计

张慧颖， 田东生

(吉林化工学院 信息与控制工程学院，吉林 吉林 132022)

0 引 言

实验室是实验和实践教学环节顺利进行的重要场所，也是大学生锻炼动手能力的重要基地[1-2]。遵循我校“三三式”实践与创新能力培养体系，为更好培养学生工程实践能力和创新能力，我院实验室采取开放式管理，除了满足基础和专业实验教学及实习、毕业设计等环节外，鼓励学生组建科技活动小组。因此，我院电类实验室逐渐成为大学生创新创业的孵化基地。为便于实验室管理，降低实验室安全隐患，对实验室环境信息实时监测具有重要意义。

随着无线技术的快速发展，监测手段也逐步向智能化方向发展。尤其是无线蓝牙通信技术兴起，在短距离内取代了传统有线连接方式，解决布线复杂等缺点[3-5]。将无线蓝牙技术应用于实验室管理系统，实时监测实验室内各类环境信息，及时对实验室内异常隐患做出判断，协助实验室管理人员进行处理，最大程度地降低环境等因素对实验设备或人员所带来的伤害，减小直接经济损失，具有一定的创新性和实际意义。

1 系统总体设计

实验室环境监测系统采用蓝牙通信构建网络模型，以单片机STM32作为核心控制器，监测终端节点采用温湿度传感器、光照强度传感器及烟雾浓度传感器实现室内环境信息采集。采集终点节点由单片机、温湿度模块SHT11、光照强度模块BH1750、烟雾浓度模块MQ2构成。其中，烟雾浓度传感器输出电压信号，采用STM32自带的AD转换转化成数字信号后进行后续处理。无线数据传输采用蓝牙模块HC-05上传给手机或工作站等监控设备，实现远程监控[6-7]。基于蓝牙技术的实验室监控系统如图1所示。系统可完成室内环境参数测量；实现室内环境参数分析处理、设置及监控；实现采集数据实时无线传输，在上位机上完成相应控制操作。

图1 实验室监测系统框图

2 系统硬件电路设计

系统由电源电路、光感电路、温湿度检测电路、烟雾浓度检测电路及蓝牙通信电路、串口电路、显示电路组成。电源电路为系统供电，传感器采集电路用于采集室内温度、湿度、烟雾浓度和光照强度等信息；显示电路用于显示当前检测参数的数值；蓝牙电路用于实现与手持终端或工作站之间的信息数据交换。

2.1 传感器检测单元设计

温湿度检测电路采用数字化温湿度传感器SHT11。SHT11具有I2C总线接口，内部集成14位AD，设计温湿度检测电路时，将SHT11的数据和时钟引脚(SCK和DATA)与STM32的I/O口相连[8]。采用两线式串行总线接口的光强度传感器BH1750FVI设计光强度检测电路。BH1750FVI内部集成16位AD转换器，将传感器的时钟端SCL和数据端SDA分别与STM32的I/O口相接实现室内光强的采集。注意BH1750FVI采用3.3V供电。为有效监测实验室火灾险情发生，采用烟雾传感器MQ2设计烟雾浓度检测电路，烟雾传感器检测出的微弱电压信号进行放大处理，由于STM32自带AD，放大后的信号与STM32引脚相连，实现室内烟雾浓度采集[9]。传感器数据采集电路如图2所示。

(a) 温湿度检测电路设计

(b) 光照强度检测电路设计

(c) 烟雾检测电路设计

2.2 蓝牙无线通信电路设计

无线通信电路采用HC05蓝牙一体模块。图3所示为蓝牙模块接口电路。图4所示为蓝牙模块内部电路。HC-05的RXD引脚、TXD引脚分别与MCU的TXD引脚、RXD引脚相接。特别注意，蓝牙模块与单片机进行通讯时，不能通过MAX232电路，由于蓝牙模块采用的是TTL电平，RS-232电平会导致蓝牙内部电路器件损坏。蓝牙模块正常上电后，指示灯快速闪烁(1 s闪烁2次)，表明为可配对状态；如果指示灯双闪(1次闪烁2次，间隔2 s再次重复)，表明处于成功配对状态[10]。

图3 蓝牙模块接口电路

图4 蓝牙模块电路

2.3 主控电路及辅助电路设计

主控芯片采用高性能STM32F407VET6型单片机，具有12位ADC，全双工I2S，高速USART，可达10.5 Mbit/s，高速SPI，可达37.5 Mbit/s。在下位机上设置声光报警电路、LCM12864显示电路及功能按键设置电路，分别用于超限报警、采集数据实时显示及设置阈值等。系统中需要5 V和3.3 V 2种供电电源，分别设计出5 V和3.3 V直流电源电路。在设计时，需考虑到抗干扰能力。

3 软件设计

监测系统软件完成室内参数信息采集、无线传输、实时显示、报警等功能。系统程序主要包括：主程序、监测节点子程序、无线通信子程序、显示子程序、报警子程序及按键子程序等[11]。采用模块化编程思想， C语言进行程序编写。

3.1 主程序设计

通电运行后，进入初始化子程序，通过功能键进入报警值设置界面。设置完成后，每隔5 s，系统采集一次数据。为减少功耗，设置系统工作在低功耗模式。在显示界面，按下确认键可查看当前设置的报警值，再次按下确认键，可以对数值进行重新设置。在系统运行期间，若收到来自手机的控制指令，系统会根据指令作出相应的应答，若接收的数据为1，则向手机发送当前温度值；若接收的数据为2，则向手机发送当前湿度值；若接收的数据为3，则向手机发送当前光照强度值；若收到数据为4，则系统向手机发送出当前室内烟雾浓度值。系统总体流程图如图5所示。

图5 系统总体流程框图

3.2 蓝牙子程序设计

初始化阶段，单片机先发送HCI命令，蓝牙设备先复位再启动然后进行查询地址、自动巡检和跳频算法等初始化步骤，最后完成与上位机建立链路。蓝牙设备之间的无线数据通信通过HCI分组(包括数据分组、命令分组和事件分组)实现。通过系统的MCU给蓝牙设备发送命令进行分组。单片机在发送HCI命令分组后，接收从蓝牙设备返回的判断命令、分析命令执行情况、事件分组，直到蓝牙模块完成初始化操作。在蓝牙手机助手软件中，若手机与单片机配对完成，向单片机发送不同的指令，会收到不同数据反馈，蓝牙数据处理流程如图6所示[12-13]。

图6 蓝牙数据处理流程图

3.3 检测模块子程序设计

检测模块完成实验室内温湿度、光照强度、室内烟雾的采集。先将ADC完成初始化并开启转换器。ADC从烟雾检测传感器模拟输出端读出采集到的电压值，并进行可燃气体浓度转换。其工作过程如图7所示[14-15]。

光强检测模块通电后，将BH1750先挂起11 ms后进入休眠状态，挂起时不能对模块发送任何命令或采集数据，发送命令时需要先“启动传输”时序，完成数据传输初始化。温度和湿度检测命令发出后，单片机要等待数据采集完成，才能执行下一条程序。这个过程大约需要20/80/320 ms，分别对应8/12/14 bit测量。实际时间随单片机时钟不同会有一些变化。检测获得的数据先存储在STM32单片机内部RAM中，以便单片机能够继续处理其它任务，在需要的时候取出数据。

4 实验测试与分析

为验证系统正确性，选取检测技术实验室完成实验测试。根据系统设计指标要求，搭建系统实验测试平台。一天中选取4个时间段对实验室内的温湿度、光照强度和室内气体浓度进行测试。将高精度温湿度计、便携式大气烟雾浓度检测仪、智能光度计测试数据作为参考值。8：20时，标准仪器测得室内温度为15.4 ℃，湿度为16.3%RH，光照强度为43 lx，烟雾浓度为62 μg/m3。系统测得室内环境为：温度15.5 ℃，湿度为16.1%RH，光照强度检测值为50 lx，烟雾浓度为64 μg/m3。10∶00点时，室内刚刚有人吸过一根烟。标准仪器测得数据为：温度为20.5 ℃，湿度为39.3%RH，室内照度为97 lx，烟雾浓度为502 μg/m3。采用本系统测试环境数据为：室内温度20.7 ℃，湿度为39.5%RH，光照强度检测值为103 lx，烟雾浓度为480 μg/m3。

(a) 温湿度检测流程图(b) 光照强度检测流程图(c) 可燃气体浓度检测流程图

经过多次反复测量，并与标准测量仪测得值进行对比，测得温度误差范围约为±0.5 ℃，湿度误差范围约为±0.4%，光照强度误差范围为±6 lx，烟雾浓度误差范围为±30 μg/m3。对蓝牙通信模块进行测试，分别选取Android系统、iOS系统的配对手机及工作电脑，结果表明，该系统均可很好实现无线通信，并且通信距离可达10 m左右，无误码率及丢包率，通信质量良好。由此说明系统设计方案具有可行性，而且测量误差范围较小，满足设计要求。

5 结 论

本文设计了一款基于蓝牙技术的实验室环境监测系统。该系统可以完成实验室内温湿度、光照强度、烟雾浓度等环境信息的采集，并借助蓝牙模块完成检测信息的无线传输及远程控制。解决了传统有线网络布局的弊端，具有组网灵活、传输数据准确、采集数据误差小、低功耗等优点，便于实验室管理，具有实际的应用价值。