张秀再 范江棋 陈彭鑫 吴华娟 赵益波
摘 要： 在此设计基于WiFi技术的楼宇环境监测系统，用于监测楼宇内温湿度、天然气、煤气和气压监测。系统分为监测中心和监测节点，监测中心与监测节点之间通过WiFi实现数据传输。监测节点由STM32单片机、温湿度传感器、可燃气体传感器、气压传感器和WiFi模块组成，3个传感器把检测的数据传到STM32单片机中，然后STM32单片机通过WiFi模块把检测数据传输到监测中心，从而实现对楼宇环境的实时监测。该系统检测目标多样且扩充性强，适用于楼宇环境检测，具有一定的实际意义。
关键词： 楼宇环境监测； WiFi； 温湿度传感器； 气体传感器； 气压传感器
中图分类号： TN911?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）06?0086?03
Building environmental monitoring system based on WiFi
ZHANG Xiuzai1， 2， 3， FAN Jiangqi1， CHEN Pengxin1， WU Huajuan1， ZHAO Yibo1， 2， 3
（1. School of Electronic & Information Engineering， Nanjing University of Information Science & Technology， Nanjing 210044， China；2. Jiangsu Collaborative Innovation Center of Atmospheric Environment and Equipment Technology， Nanjing 210044， China；3. Jiangsu Technology & Engineering Center of Meteorological Sensor Network， Nanjing University of Information Science & Technology， Nanjing 210044， China）
Abstract： A building environmental monitoring system based on WiFi technology was designed for monitoring of temperature， humidity， natural gas， coal gas and air pressure in the building. The system is composed of monitoring center and monitoring node to realize data transmission between them through WiFi. The monitoring node is composed of STM32 MCU， temperature and humidity sensor， combustible gas sensor， air pressure sensor， and WiFi module. The detected data is transferred to the STM32 MCU through the three sensors， and transmitted to the monitoring center through the WiFi module to realize the real?time monitoring of the building environment. The system has detection performance of diverse targets and strong expansibility， and is suitable for building environmental detection.
Keywords： building environmental monitoring； WiFi； temperature and humidity sensor； gas sensor； air pressure sensorc
0 引 言
随着社会的不断进步和信息技术的迅猛发展，自动检测技术与信息传输相结合的智能楼宇内检测系统正悄然进入人们的日常生活中。日新月异的计算机科学技术、信息通信与网络技术、PCB布线技术让楼宇内检测更加有效、便捷、安全。以WiFi技术为基础构成的短距离无线传感网在各种科技领域得到越来越多的应用，例如应用在智能家居、智能手机等移动终端中。如何在检测系统中整合WiFi无线通信技术，成为智能监控领域的一大热点。本文设计了基于WiFi技术的楼宇环境监测系统，用于监测楼宇内温湿度、天然气、煤气指标和气压情况。系统由STM32单片机、温湿度传感器、气体传感器、气压传感器和WiFi模块以及PC机组成，适用于楼宇环境检测，具有一定的实际意义。
1 系统结构
基于嵌入式微处理器STM32以及ATK?RM04 WiFi模块的智能楼宇监测系统，主要由监测中心和监测节点组成，监测中心与监测节点之间通过WiFi实现数据传输。监测节点由STM32单片机、温湿度传感器、气体传感器、气压传感器和WiFi模块组成，3个传感器把测量数据传到STM32单片机中，然后STM32单片机通过WiFi模块把检测数据传输到监测中心，监测中心由PC机和WiFi模块组成，从而监测中心可以实现对监测节点处具体情况实时监测。本系统可实现完全的无线数据传输，方便节点的移动与扩展，以路由器作为数据传输中介，从而更加方便实用。系统框图如图1所示。
2 硬件电路
2.1 电源模块电路
系统采用低功耗设计，输入电源为直流5 V，经线性电源（LDO）LM1117?3.3产生3.3 V供电电压给STM32单片机供电。LM1117?3.3为线性电源，纹波较小，可以增加测量系统的精确度，同时也精简了外围电路。在LM1117?3.3的输出点设计了LC滤波电路，可以进一步减小电源的纹波，提高系统的性能。电源模块硬件电路图如图2所示。
2.2 主控制器电路
主控制器选用STM32F103ZET6芯片，该芯片采用了ARM公司的Cortex?M3高性能内核，具有强劲的性能，性价比高，适合多种用途。STM32F103ZET6单片机有64 KB SRAM和高达512 KB的FLASH，可以满足该系统的数据存储与计算。该单片机含有8个定时器（其中包括基本定时器、通用定时器和高级定时器），有3个12位的ADC以及一个12位的DAC，并且有12组通用I/O口，每组I/O口为16位。STM32F103ZET6具有的外部通信接口有3个SPI接口、5个UART接口以及2个I2C接口，并且含有一个FSMC。另外，STM32F103ZET6的中断功能非常强大，所有I/O口都可以作为外部中断口，并且所有中断优先级可以通过编程设置，这在实际应用中非常方便。STM32F103ZET6单片机电路如图3所示。
2.3 WiFi模块电路
系统的WiFi模块选用广州星翼电子科技有限公司开发的ATK?RM04 模块，该模块中的核心芯片选用的是Hi?Link 公司高性能的 HLK?RM04 WiFi 芯片。ATK?RM04模块可以实现串口、WiFi以及以太网三者数据相互传输，可以用微处理器对其驱动，实现微处理器上数据通过无线网络或者以太网传输到因特网，也可以把因特网上的数据传输到微处理器中，实现单片机模块接入因特网的目的，从而方便通过网络对其控制。HLK?RM04 WiFi模块电路如图4所示。
2.4 温湿度传感器模块电路
系统采用DHT11一体式数字温湿度传感器，可以同时对环境的温湿度进行测量。DHT11采用单总线与微处理器通信，可以节省I/O口，方便编程，该芯片的功耗低。DHT11温湿度传感器电路如图5所示。
2.5 气体传感器电路
系统采用MQ?5气体传感器监测多种可燃气体（对丁烷、丙烷、甲烷的灵敏度高）。MQ?5气体传感器以二氧化锡作为其主导的感应元件，二氧化锡处在清洁气体时的电导率比较小。如果将MQ?5传感器放置在有可燃气体的地方，则随着周围可燃气体越来越多，传感器的电导率也会逐渐变大，可以运用很简易的电路使得发生改变的电导率换算成与可燃气体相匹配的输出电压值，从而可以实现对可燃气体的监测。MQ?5气体传感器电路如图6所示。
2.6 气压传感器电路
BMP180气压传感器是BMP085气压传感器的升级版，是新一代高精度数字式气压传感器。BMP180的设计原理是基于压阻技术，该传感器具有EMC鲁棒性、高精确度，线性特性好，稳定性高。BMP180气压传感器采用I2C接口，方便与微控制器连接。BMP180气压传感器硬件电路如图7所示。
3 系统软件
3.1 监测节点软件设计
监测节点由STM32单片机、WiFi模块、温湿度传感器、气体传感器以及气压传感器构成，软件设计主要分为2个部分：STM32单片机对3个传感器的驱动，并得到精确的测量数据；STM32单片机对WiFi模块的驱动，使其在监测节点与监测中心之间组成无线传感网，从而实现数据基于WiFi的无线传输。监测节点的软件流程图如图8所示。
3.2 监测中心软件设计
监测中心由PC机和WiFi模块组成，其中PC机通过Web方式控制WiFi模块工作在路由器模式下，监测节点的数据通过WiFi传输到监测中心的WiFi模块，然后PC机或智能手机通过特定软件读出监测节点的测量数据。PC机或者智能手机上网络调试助手设置具体步骤为：打开网络调试助手；在网络协议处配置TCP Client模式；在服务器IP地址处输入监测节点处的IP地址；配置网络端口为8086；确认连接。
4 实验与验证
通过实验验证，该系统的监测节点可以实现对环境参数的采集与测量，并通过WiFi传输到监测中心，监测中心可以通过PC机或者手机APP查看监测到的数据，方便使用，人机交互良好。
监测数据可以在PC平台的网络调试助手显示，如图9所示；监测数据也可以通过手机平台的网络调试助手显示，如图10所示。
5 结 语
本文设计了一种适用于小区居民楼或商务办公楼宇的基于WiFi技术的多点环境监测系统，系统由监测中心和监测节点组成，监测数据可以通过PC机或智能手机平台显示，具有良好的交互界面，便于读取各监测节点的多种环境参数。系统扩展性强，可靠性高，传输距离远，具有一定的实际意义。
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