基于WiFi 技术的智能环境检测系统

张 兵 王泽伟 孙晓叶

（防灾科技学院，河北 三河065200）

1 概述

在智能互联的推动下，各种通信技术迅速更新迭代。国内外也涌现出了一大批的以通信和物联网为基础的产业。在硬件开发板领域野火、树莓派、Arduino 成为电子行业快速发展起来的开发板套件；在通讯领域5G 通信、NB-IOT、蓝牙5.0 等通信技术的发展也在不断推动互联网和物联网的发展；在云平台领域阿里云平台、中国移动云平台、腾讯云等的云服务也逐步成熟。在智能环境监测领域，物联网技术作为主要技术被广泛应用。把物联网与环境监测结合起来具有十分明显的优势。我国空气污染形势严峻，监测雾霾，有害气体的含量成为空气指标的刚需。目前，智能环境监测系统已经有一定的应用，但是仍然具有很大的发展前景。本文就是基于以上背景和理念下，利用Arduino 和中国移动的OneNET 平台对环境进行智能监测。旨在采用Arduino 对环境数据进行采集，并将数据上传到云端，从而帮助用户采集到指定环境条件下的数据，并对环境进行远程控制。本系统设计拟定采用Arduino 开发板和传感器模块，实现环境数据的采集。并将环境数据上传到OneNET 平台，通过OneNET 所提供的云服务，和实时数据处理, 实现环境监测和控制。用户只需要在移动端或在网页上登录就可以远程看到环境的数据，并可以通过页面上的按钮远程对指定的LED 灯和继电器进行控制。本系统拟定将实现以下开发目标：（1）本系统开发路线清晰，程序可用度高，能够实现对环境数据的准确采集和直观的数据展示。（2）在界面上直观的展示采集到的数据，可以远程监控指定环境下的温度、湿度、光照、烟雾气体等数据。并且可以通过界面上的操作，对指定的继电器等进行控制。（3）在后台的管理界面实现用户的登录、注销、修改、授权等操作。（4）可以通过后台对传感器信息进行的更新，实现传感器等管理，以方便管理员对传感器的维护处理；（5）本系统在注重功能实现的同时，具有页面简单整洁，数据传输高效准确等目标。

2 系统总体设计

本设计包括下位机部分和管理系统两部分内容，下位机部分主要是单片机、传感器、WiFi 模块的设计，管理系统部分是WEB 管理系统的设计，二者共同组成本系统。

2.1 系统功能描述

本系统是基于Arduino 和传感器技术进行数据采集，通过WiFi 技术和HTTP 技术进行数据交互，采用OneNET 云平台进行数据展示。传感器采集环境的光照、烟雾、温度、湿度数据，通过HTTP 协议上传到OneNET 平台。云平台收到数据之后，用户可以再在移动端或者电脑端实现对环境的监测和远程控制。因为OneNET 不开放数据库，所以采用Python 爬虫将数据转存到本地数据库，在本地数据库对环境数据进行管理。并且可以通过管理系统进行用户管理和对历史数据进行查看。

图1 智能环境检测系统图

本设计系统结构如图1 所示。

2.2 硬件部分系统功能描述

本系统硬件部分采用传感器监测环境数据，并将数据实时上传到OneNET 云平台。再通过OneNET 云平台的返回的数据显示到显示屏上。同时移动端或电脑端可以通过网页或者APP对云平台进行数据访问。本设计的硬件部分包括各类Arduino Mega 2560、传感器、WiFi 模块、供电电源等实现如下功能：

本设计硬件功能结构图2。

图2 硬件功能结构图

2.3 系统硬件设计

本系统选择了Arduino Mega 2650 作为主控模块。Arduino Mega 开发板上集成了54 路数字输入/输出端口，16 路模拟输入端口[1]。本设计中选择Arduino Mega 的主要原因是其的闪存较大，具有较多的引脚，能够更好的满足本设计的需求。本智能环境监测系统在硬件部分主要采用了温湿度传感器、光照传感器、烟雾传感器，用来采指定环境条件下的温度、湿度、光照和烟雾气体的参数。本系统的无线通信模块采用了由上海乐鑫信息科技开发的，可以作为微控制器使用WiFi 控制芯片ESP8266。选用其的原因是低功耗、高集成度，成本低、且具有完整TCP/IP 协议栈。其常用于串口CH340 转WiFi、WiFi 远程监控/控制、安防一体化管理等领域。本设计的数据显示模块采用了LCD1602A 液晶显示屏。用来显示当前状态的温度、湿度、烟雾气体、光照参数。LCD1602 屏幕为2 行，每行显示16 个字符，为字符型显示器，只能显示数字和字符，不可以显示汉字[2]。常用于少量字符显示的电子设计。本设计中采用该模块显示从OneNET 端获得的传感器数据。本系统中使用了常规的LED 灯和继电器作为控制器，蜂鸣器作为烟雾超标预警进行报警。LED灯是一种常用的控制发光源，其的基本结构是一个被环氧树脂封装好的半导体芯片，在通电后可进行发光。因为其节能、长效、环保等优点被应用于各类场景。继电器是一种常用的控制器，能够通过对较小电流去控制较大的电流。可以通过控制电路实现被控电路的通断。在本设计中为了提高硬件部分的功能可拓展性。所以选择继电器为第二个控制器。蜂鸣器是一种常用的警报模块。其是直流电压供电的电子讯响设备，发声原理是通过采用震荡源发声。在物联网和电子设计中。常用于系统警报或作为提示音出现。蜂鸣器分为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器两种：区别主要在于蜂鸣器内部是否有震动源。有源蜂鸣器其内部自带震荡源，只需要进行通电就可以发声，无源蜂鸣器内部不带震荡源，具有类似与扩音器一样的效果，需要接入震荡源才能进行发声。本系统中采用了有源蜂鸣器作为烟雾浓度超标的报警。

3 系统功能实现

3.1 OneNET 设计

在硬件部分按照接线图，搭建完成，并编译，上传成功后，将系统接电，在OneNET 云平台上进行设置相关参数，使得其能够实现数据的交互。在浏览器输入网址https://open.iot.10086.cn/，或搜索OneNET，搜索到OneNET 中国移动物联网开放平台后，点击进入。在注册登录之后，点击右上角的开发者中心可以跳转到开发者中心，在这里可以进行添加产品，在此处有已经创建好的产品;点击进入后，会对单独的产品有一个特有的产品id和Master-APIkey 和接入的协议，在此处，可以进行一系列的编辑和权限操作，在本系统中，我们采用了HTTP 协议进行通讯。右侧点击选择数据流模板，确定数据流的模板，在此处根据本系统的规划，设置了temp，humi，light，smoke，led，relay6 个数据流，分别对应温度、湿度、光照、烟雾气体、LED 灯、继电器,在触发器管理部分，添加触发器，当温度大于80 摄氏度时给指定的邮箱发送邮件，提醒温度或湿度异常.因为OneNET 云平台并不开放提供数据库和数据保存，所以采用Python 脚本程序将网站的数据实时的转存到MySQL 本地数据库中去。

3.2 智能环境监测系统设计

智能环境监测系统使用MySQL 数据库存储数据，使用MyEclipse 编写JSP 网页。网站前台设置部分主要实现了用户的登录、个人信息修改、管理员权限的修改、管理员密码修改、传感器的增删改查、历史数据的查询。

登录页面:智能监测环境系统的首页，用户必须登录后方能使用系统功能，网站的首页是也登录界面，其中内置管理员为admin，密码为123，且不允许删除该管理员。

用户列表页面:智能监测环境系统在登录进入后，显示功能菜单。第一项是用户列表。本系统不支持用户注册，但可以在系统中进行用户的管理和权限设置。

传感器管理页面:智能监测环境系在传感器界面可以进行传感器的添加、查询、修改和删除。

历史数据页面:智能监测环境系在历史数据界面可以通过传感器名称的查询，查询历史的传感器数据。

4 结论

本文详细介绍了WiFi 技术的智能环境检测系统的设计与实现过程，从硬件环境的搭建到实际工作的完成。本设计在硬件组成部分，没有使用常规的单片机进行开发，而是对已有的开发板上连接传感器和通讯模块实现数据传输，在数据传输中，使用HTTP 请求，将数据传输到中国移动OneNET 云平台。实现了数据的交互。然后在本地服务器，使用Python 语言完成数据请求，将已经在云端的数据传输到本地数据库中，再通过WEB 页面进行数据展示和管理员的管理操作。