基于pcDuino的环境监测平台设计

张益菲 张立

摘 要： 针对传统环境监测平台的弊端，设计一种基于pcDuino V3的环境监测平台。该pcDuino单片机由全志A20双核处理器和对应的电路模块组成，HDMI接口为使用者提供了界面开发的功能。此设计将先进的计算机技术、各种电子器件、嵌入式系统等有机地结合在一起，是一种小型化的，可移动的环境监测平台；能检测温湿度、光强、大气压以及图片等相关环境数据，测得的数据通过无线网络传输到云端，方便用户对数据进行分析查看，便于用户实施移动监测且能自动上传数据的环境监测平台。该平台体积较小，具有一定的便携性，可实现全自动工作模式，并解决了无人值守地区的环境数据采集、传输问题。

关键字： pcDuino V3； 环境监测； 数据分析； 无线网络； 平台设计； HDMI接口

中图分类号： TN931+.3?34； TP212 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）20?0110?04

Abstract： In allusion to the disadvantages of the traditional environment monitoring platform， an environment monitoring platform based on pcDuino V3 is designed. The microcontroller pcDuino is composed of the A20 dual?core processor from Allwinner Technology and the corresponding circuit module. The HDMI interface provides the interface development function for users. In the design， the advanced computer technology， various electronic devices， and the embedded system are combined organically. The small?scale and mobile environment monitoring platform can detect related environment data such as temperature， humidity， light intensity， atmospheric pressure and pictures. The measured data is transmitted to the cloud terminal by means of the wireless network so that users can view and analyze the data， conduct mobile monitoring， and automatically upload data. The platform is small in volume， has a certain portability， can achieve a full?automatic working mode， and resolve the problems of environmental data acquisition and transmission in unattended areas.

Keywords： pcDuino V3； environment monitoring； data analysis； wireless network； platform design； HDMI interface

0 引 言

本文的研究目的是在无人值守地区对环境进行监测。用户可随时随地查看监测地区的温湿度、光强、大气压和图片。以达到在突发事件发生后，让决策者和负责人收到预警信号，快速介入及时通过环境信息和图片了解真实情况，这对于应急抢险、解决突发事件、缩短事故蔓延期有着积极重要的意义。目前使用的互联网设备及其采用的软件系统都存在一些不合理的细节和集成度不高等缺点，需要各种独立设备结合使用，且成本高昂。因此，价格低廉且容易开发，扩展方便的pcDuino V3成为互联网远程监控的良好选择。

1 基于pcDuino V3的生态环境监测系统

由于广泛的需求和优良的性能，嵌入式开发板的应用越来越普遍，现在开发板不再是作为独立的商品，而是结合硬件、软件和对应的开发工具及软件包进行销售。本设计选用的pcDuino V3采用的全志A20 处理器[1]，是适应现在普遍的平板电脑和智能电视机的需求，其完全支持2160P视频解码。

pcDuino V3[2]是当前市面上高性能、低价格的微型计算机，支持Ubuntu 12.04和Android 4.2。pcDuino V3支持多种格式的视频编码器和解码器，并且拥有内置硬件视频作为处理引擎，综合性极佳，所以符合设计的要求，也为日后扩展功能提供可能。

本文设计监测系统的基本功能是要实现温湿度和气压等相关环境参数的测量，同时安装云台以及摄像头，实现图像的实时采集和上传，达到能直观查看所处环境情况的目的。本平台将此系统分为硬件部分和软件部分分别进行设计。硬件部分主要由数据采集模块、数据处理模块、通信模块以及供电模块组成，对数据进行实时采集和处理。软件部分由环境测量系统端的发送数据端和云端接收数据端组成。发送数据端将处理好的数据实时上传至云服务器，将数据进行保存。用户可以从云端下载数据，并做处理后呈现给用户，向用户呈现环境信息。该监测平台设计如图1所示。

2 硬件设计

2.1 数据采集模块

数据采集模块的关键在于传感器的选择，正确合理的选择传感器要考虑灵敏度、响应特性、线性范围、稳定性、精确度和测量方式六个方面，并兼顾结构简单、体积小、重量轻、价格便宜、易于维修、易于更换等条件。本环境监测平台的传感器[1]选择有以下几个：

1） 温湿度传感器

pcDuino+DHT21可实现全天候的温度监控[3]，而且由于pcDuino本身的功率也不大，所以即使一直开着也不会很耗电。再配合Xively把传感器的数据实时传送到网上，这样就可以随时随地测量环境的温度。

2） 光强传感器

光强传感器选择的是GY?30，设备主要通过光照强度传感器进行相关数据的采集，然后通过pcDuino核心板将其接入Xively云平台，可以通过Web端进行实时数据的查看。

3） 气压传感器

气压传感器选择的是BMP185。BMP185是一款高精度、小体积、超低能耗的压力传感器，可以应用在移动设备中。它的性能卓越，绝对精度最低可以达到0.03 hPa，并且耗电极低，只有3 μA。BMP185采用强大的8?pin陶瓷无引线芯片载体（LCC）超薄封装，可以通过I2C总线直接与各种微处理器相连。

4） 红外传感器[4]

本设计所用到的红外探头是热释电红外传感器（PIR），这种热释电红外传感器[5]能以非接触形式检测出人体辐射的红外线， 并将其转变为电压。相比于其他红外传感器制作的报警器材，基于热释电红外传感器的报警装置具有，无需红外线或电磁波发射源、灵敏度高、控制范围大、隐蔽性好等优点[6]。该传感器将两个极性相反、特性一致的探测元串接在一起， 目的是消除因环境和自身变化引起的干扰。它利用两个极性相反、大小相等的干扰信号在内部相互抵消的原理来使传感器得到补偿。对于辐射至传感器的红外辐射， 热释电传感器通过安装在传感器前面的菲涅尔透镜将其聚焦后加至两个探测元上，从而使传感器输出电压信号。

2.2 数据处理模块

模拟信号采集控制器负责管理模拟信号，数字信号则由另一个控制器来进行储存和管理。控制器的功能主要由适配器的不同命令要求所决定。命令主要由采集命令和启动停止命令。采集命令主要用于对传感器采集频率的一个设定，启动停止命令则用于控制采集的启动和停止。另外，采用的pcDuino V3开发板具有SD库[7]，可以提供给用户在扩展板上对SD卡进行读/写等操作。其中SD库具有SD类和File类两个类。SD类主要包括一些接口函数用于对SD卡上的信息进行访问；File类则用于对SD卡上的文件进行读/写等操作。

2.3 通信模块

通用串行口主要包SPI，UART，I2C和TWI接口，目前市场上大部分传感器模块、扩展接口芯片等都是用串行口与CPU通信，在实际应用中有着广泛的应用。用户可以在现场读取数据，实时、快捷、方便，方便用户对气象数据的进一步处理分析。pcDuino V3添加了板载的无线WiFi，并且此板子上I/O口的接口做成Arduino[8]的标准接口，所有的Arduino扩展版都可以直接插上连接，再也不用转接板去转换接口，非常方便使用。

3 软件设计

3.1 传感器数据上传至云端

Xively是一个物联网服务器。用户可以把采集到的傳感器数据上传到Xively，然后在这个服务器上面开发应用。在这个监测系统里，用pcDuino作为物联网节点，采集环境温度、湿度和光强上传到Xively服务器[9]。此设计中，使用Python进行开发，并且安装必要的软件包。pcDuino V3的Python库文件可以在github上使用命令下载，实现在xively.com网页上查看到数据，如图2所示。

3.2 红外检测照片传至百度云

在此采用百度云/百度网盘的Python客户端。主要的目的就是在Linux环境下通过命令行来使用百度云盘2 TB的巨大空间，刚好可以用在pcDuino上。Python提供文件列表、下载、上传、比较、向上同步、向下同步等操作。在pcDuino中设置好环境并安装百度云就可方便地使用百度云提供的API。授权成功的百度云如图3所示[10]。完成了百度云的安装及授权，接下来只需要编写脚本使PIR红外报警后所拍的照片能够第一时间传到个人的百度云账号，以便实现对私人领域的实时监控[11]。脚本内容如下：

这种做法简单、安全并且简洁。相比于自己维护一个网站，不需要自己编写后台脚本也不需要编写Web代码，却能达到相同的效果。该部分系统的框架如图4所示。

4 结 语

在物联网时代，智能环境监测的出现对于农业、林业、气象、科研等都具有重要的作用。无人值守的优点也大大减少了人力物力需求，为在偏远地区的气象观测工作提供了可能。无线网络的传输方式保证了数据的实时性和有效性，为观测提供了精确的数据支持。通过网页和百度云的开发更符合了时代的需求，方便用户远程观测另外一个地方的环境数据，为用户提供很大的便利。

注：本文通讯作者为张立。

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