基于物联网的无线一氧化碳多点监测系统

基于物联网的无线一氧化碳多点监测系统
广西民族师范学院 罗岑燕 李林峰 方胜飞 黄秀梅
为了保证人们在日常生活使用气体燃料过程中的安全以及在煤矿开采过程中的安全，本文设计了一种基于物联网的无线一氧化碳多点监测系统。

系统采用无线模块和单片机结合一氧化碳传感器，进行家庭或者户外的一氧化碳浓度的检测实现多点实时监测，并利用物联网模块结合物联网技术实现了信息的跨地域传输。

系统在实现过程中主要采用的方法有实验法、经验总结法和案例研究法。

引言：随着物联网技术、无线通信技术、单片机技术和传感器技术等技术的发展，传感器技术和无线技术的结合应用变得越来越紧密，利用无线技术实现数据采集无线传输系统，不仅具有应用灵活、方便携带等优良特性，还在一定程度上保护了人们的人身安全。

而单片机指令丰富，具有集成度高、可靠性好、功耗低、便于生产便携式产品等优点，因此，采用单片机和传感器结合使用的技术，不但可以实现相应的功能，还可以有效地提高传感器的稳定性和抗干扰性能，使得传感器的工作性能更佳。

我国正在处于工业化、城镇化的快速发展时期，各种自然的和社会的风险以及矛盾并存，公共安全和应急管理工作面临着严峻的形势，亟待构建物联网来感知公共安全隐患，维护环境的安全和稳定。

因此，我们设计了一种基于无线模块和单片机的一氧化碳多点监测系统，并结合物联网技术实现信息的跨地域传输，以及对终端设备的远距离控制。

除了可以在各种煤矿工业场合应用之外，还可以应用于各种野外操作和家庭监测等场合。

1 系统概述与总体设计思路
该系统主要由发送终端、总接收装置、云服务器和APP 终端组成，发送终端的主要功能是对一氧化碳浓度采集、对执行器件的控制。

总接收装置实现数据接收和实时信息的显示，并利用物联网模块将数据上传至云服务器，云服务器转发数据给APP 。

发送终端和总接收装置之间通过无线模块实现数据传输和信息交换，每一个终端将输入的信号发送到总接收装置端，同时总接收装置端返回一个是否正确接收的握手信号，如果对方接收正确则停止本次发送，如果对方接收不正确，则发送方继续进行发送，直到对方接收正确为止，以确保无线传输的可靠性。

总体设计框图如图1
所示。

图1 总体设计框图
2 系统的硬件设计
本设计中单片机的功能为数据处理利用传感器技术（王乐.单片机在传感器设计中的应用[J].科学之友,2015,12(35):125-126）实现对环境一氧化碳气体的多点式检测，以无线模块为基础实现主从单片机之间的无线通信。

电源采用锂电池供电，处理器STC89C52单片机作为核心处理器，自带UART 模块和ADC 模块，无线模块采用NRF24L01模块，实现无线通信。

2.1 单个发送终端的硬件设计
单个发送终端的硬件主要包括电源电路、核心处理器MCU 、一氧化碳传感器、无线传输模块NRF24L01、报警系统（莫晓山,周国雄.一氧化碳报警器综述,2013）等。

其组成框图如图2所示。

MCU 将经过A/D 转换后的数据通过SPI 协议传送到无线收发模块NRF24L01，另一个无线收发模块NRF24L01经过编码调制后将数据发送出去，总接收装置就可以收到各个测试点数据采集到单片机（朱江泉,陈杰.单片机技术在数据采集及监测过程中的应用，2013年10月25日）。

根据锂电池的特性：利用单片机ADC 检测锂电池电压，利用平均滤波算法处理电压采样值，根据公式来计算当前电池的剩余量，并推送给OLED 屏幕。

OLED 屏幕用来显示单片机处理之后的一氧化碳含量数据和当前电池电量。

图2 单个终端的组成框图
图3 总接收装置的组成框图
（下转第149页）
才能使衣架出去晾晒，或者回到室内。

当机器出现故障的时候，我们需要对衣架的各个地方进行检查，检查其是否有故障出现，当发现故障时，我们应停止系统的运行，反之如果没有发现故障，就继续执行上一步没有完成的运行动作。

具体工作流程如图4
所示：
图4 主控程序流程图
4.2 温湿度传感器
在该设计之中，我们选择使用的温湿度传感器是DHT11型号的传感器。

之所以选择这种型号的传感器，是因为它的每一种操作都必须严格按照时序进行。

系统首先进行复位指令，再发出匹配的信息指令，从而逐步转换为温湿度检测指令，根据所收到的指令，循环检验是否完成温湿度转换指令。

如图5所示为温湿度检测流程图。

5 结论
基于物联网的智能晾衣架控制装置，在机械结构上选择了最新的传动机构，在运行模式上采用了符合当今社会流行趋势的创新智能的控制模式，更是在晾衣架领域内一次大胆的突破与尝试。

该型晾衣架既可以实现传统型晾衣架的运作模式，又可以实现自动控制模式，用户操作更加方便、价格经济容易被消费者接受、易于安装
和后期的维修、智能性较高。

图5 温湿度检测流程图
参考：张谦，孙晓，周浩，卢祥江，周叶青，谭利江，肖观生，基于单片机的智能晾衣架设计：机械工程与自动化，2012(06):132-140；胡帆，李文钧，何风行，变电运维现场的多目标超声定位系统设计：物联网技术，2015,5(1):9-12；张俊，张安安，IEEE30节点系统电压/无功优化:物联网技术，2016,6(5):43-45；李东亚，张洁峰，可伸缩式自动晾衣架的系统设计：机电工程技术，2015(01)；郭中会，孙春志，基于STM32晾衣机器人的设计：物联网技术，2015,5(10):77-79；李素云，覃若宝，基于多传感器的智能晾衣架设计：山东工业技术，2016(03):128；荆海霞，李洪义，一种智能晾衣架系统的设计：机电一体化，2016,22(07):57-60。

作者简介：孙宇丹，黑龙江大庆人，硕士研究生，主要从事单片机、嵌入式技术应用研究。

通信作者：刘开绪。

（上接第147页）
2.2 总接收装置的硬件设计
接收部分的硬件和发送部分的硬件组成大致相似，在此不做过多的赘述。

唯一的不同是MCU接收各个终端发来的数据之后，将其打包成我们自定义的通信格式，进而发送给ESP8266（乐鑫信息科技.ESP8266用户手册V0.3[EB/OL].），ESP8266通过与无线路由器连接后，采用TCP/IP协议连接到指定云服务器（图3）。

3 系统的软件设计
在系统设计的过程中，采用模块化设计的思路，进行每一个模块的设计。

该系统的软件程序使用C语言编写，主要包括MCU 的初始化、串口的初始化和NRF24L01模块的初始化等一系列的初始化配置，其中的NRF24L01模块同时进行数据接收和数据发送。

ESP8266与云服务器连接进行数据传输，在此主要对云服务器和APP设计进行介绍。

3.1 云服务器软件设计
本团队购买了阿里云轻量级服务器，进行本系统的测试。

云服务器上运行的程序采用JAVA语言进行编写。

在云服务器上部署了Tomcat框架来运行Java服务程序。

在ESP8266与服务器进行握手连接时，首先会对其进行身份验证，也就是校验握手协议，握手成功之后，建立socket并侦听，接收ESP8266发送的数据。

云服务器在收到数据的同时会将数据转发给APP终端。

3.2 APP设计方案
本APP终端运行在安卓环境下。

在APP启动时会和云服务器进行握手，握手成功之后云服务器与其建立socket和侦听，APP开始接收云服务器的数据。

数据接收之后，按照通信协议解析数据并完成拼接和显示，显示当前各个终端设备的检测情况和电源余量。

4 结论
本文研制出了一个基于物联网技术和单片机结合无线技术的一氧化碳多点监测系统。

该系统主要综合考虑了实用性、可靠性以及成本等因素，运用物联网技术、传感器技术、无线通信技术和单片机技术等技术，实现了基于物联网的无线一氧化碳多点监测系统数字化、微型化。