基于STM32的车间环境质量监测系统设计与实现

王勋　陶铭

摘  要： 生产车间的环境质量监测仅靠传统的手持式仪器仪表及手工记录无法保证数据的即时性和准确性。因此，设计并实现了一种综合传感器技术、无线通信技术和移动应用开发技术的车间环境质量监测系统。以STM32F103C8T6单片机为核心，搭载传感器器件实现环境质量监测数据采集，采用ESP8266 Wi-Fi模块进行数据传输，并同步开发了安卓应用以展示车间环境质量监测数据。黑盒测试表明，该系统实现了预设功能，达到了预期目标。

关键词： 车间环境质量监测; STM32; ESP8266; 安卓应用

中图分类号：TP393          文献标识码：A   文章编号：1006-8228（2022）02-36-03

Design and implementation of STM32 based workshop environmental

quality monitoring system

Wang Xun， Tao Ming

（School of Computer Science and Technology， Dongguan University of Technology， Dongguan， Guangdong 523808， China）

Abstract： The environmental quality monitoring of production workshop cannot guarantee the immediacy and accuracy of data only by traditional hand-held instruments and manual records. Therefore， a workshop environmental quality monitoring system integrating sensor technology， wireless communication technology and mobile application development technology is designed and implemented. Taking STM32F103C8T6 single chip microcomputer as the core， sensor devices are adapted to realize environmental quality monitoring data acquisition， ESP8266 WiFi module is used for data transmission， and Android applications are synchronously developed to display workshop environmental quality monitoring data. The black box test shows that the system realizes the preset function and achieves the expected goal.

Key words： workshop environmental quality monitoring; STM32; ESP8266; Android application

0 引言

電子元件、原料及食物等产品，都需要在一个条件适合的环境中生产和保存，因此生产车间环境质量监测的即时性和准确性关乎一个车间以至整个工厂的效率、盈利等各个方面，也与员工的健康保障息息相关[1-2]。本文综合传感器技术、无线通信技术以及移动应用开发技术，设计并实现了一种车间环境质量监测系统。系统包括硬件设计及软件设计。硬件部分以STM32F103C8T6单片机为核心板，搭载传感器器件实现环境质量监测数据采集[3-4]，采用ESP8266 WiFi模块进行数据传输[5]，同步开发了安卓应用客户端展示及统计分析车间环境质量监测数据。通常在生产车间中，环境质量数据的监测容易受到外界环境的干扰[6-7]，为使系统监测数据更加精确，本系统结合应用场景的需求，采用了中位值数字滤波算法对监测数据进行筛选处理[8]。系统总体设计框架如图1所示。

1 系统硬件设计

硬件系统主要由四个子系统组成，分别为传感器信息采集子系统、通信子系统、控制子系统、显示子系统。四个子系统之间相互协调，构成车间环境监测硬件系统，系统硬件设计架构如图2所示。

图2中数据采集子系统采用STM32F103C8T6单片机为核心板，搭载WIFI通信模块、LCD模块、温湿度传感器、光敏电阻传感器、粉尘传感器、甲醛传感器、报警处理模块，对生产车间环境中的气体、温湿度、光照强度及粉尘浓度等信息进行实时采集，并将采集到的数据进行过滤处理[3-4]。控制子系统通过指令集的发送和接受，控制车间内灯、风扇、蜂鸣器等设备，实现警报和紧急事件处理等功能。显示子系统主要通过安卓应用客户端展示和统计分析车间环境质量监测数据。通信子系统主要实现上述子系统之间的数据传递功能[5]。

2 系统软件设计

系统后台软件采用MVP（Model-View-Presenter，即：模型层-视图层-表现层）架构开发[9]，客户端使用Android Studio原生开发的Android应用程序。客户端主要实现了登录、注册，以及监测数据展示、统计分析等功能。在用户个人中心还实现了新闻、天气等第三方功能模块。系统软件设计架构如图3所示。

3 数据库关系模型设计

从功能设计出发，本系统的关系数据库模型如下所述（其中“主键”下划线表示，“外键”双下划线表示）。

管理员：（用户ID，用户账号，用户密码，角色）

用户实体：（用户ID，用户昵称，用户性别，省份，城市，注册时间，政治面貌，出生年月，婚姻状态）

用户信息：（用户名，用户密码，邮箱，头像）

设备实体：（设备ID，设备类型，设备类型ID，当前数据，设备单位，设备图片，所属用户，备注信息）

数据类型实体：（数据ID，当前数值，当前时间，警报阈值，单位）

设备日志信息：（设备ID，设备图片，操作类型，操作时间，设备类型，是否已读）

警报信息：（信息ID，所属用户ID，警报图片，警报标题，警报描述，警报时间）

地理位置信息：（名称，位置ID，经度，纬度，国家，省份，城市）

当前天气信息：（报导时间，温度，湿度，图片，天气描述，风速，规模，气压，云密度，降水量等）

意见反馈实体：（意见编号ID，反馈用户的账号，反馈内容，反馈时间，反馈图片）

4 数字滤波算法设计

在采用STM32F103C8T6单片机为核心板搭载各类传感器进行生产车间环境质量数据采集时，通常会遇到非人为的误差，呈现出不可预料的不规律数值。为减弱甚至是消除外界环境带来的干扰，使得系统监测数据更加精确，本系统采用中位值数字滤波算法对监测数据进行筛选处理[8]。实际应用效果表明该算法能够有效克服因偶然因素引起的波动干扰，对温度、液位等变化缓慢的被测参数有良好的滤波效果。算法流程图如图4所示。

算法实现过程如算法1所示，实现过程大致描述如下：连续采样数值N次（N一般为奇数），然后把N个数值按从小到大的顺序进行排列，最后将这个序列中排在中间的数值作为本次采样的数据。计算公式如公式⑴所示。

5 系统测试

连接系统软、硬件各模块进行联调。系统硬件部分效果如图5所示。经测试发现，系统的开关电路、电源电路稳定输出3.3V，主控制器能够正常工作，能够经过USB与STM32F103C8T6通信，并通过串口下载程序，也可以通过J-Link下载程序。

Android客户端展示效果如图6所示。对软件程序测试发现，定时器正常工作，实时采集的生产车间环境中的气体、温湿度、光照强度及粉尘浓度等信息可发给客户端并且通过LCD液晶屏幕展示出来。当监测的数据超过预设阈值时，系统发出警报，并通过执行相关指令集控制相关设备作出应急响应。

6 结束语

本文综合传感器技术、无线通信技术，以及移动应用开发技术设计并实现了一种车间环境质量监测系统。硬件系统以STM32F103C8T6单片机为核心板搭载传感器器件完成生产车间环境质量监测数据的采集，并采用ESP8266 Wi-Fi模块进行数据传输。软件系统采用MVP架构开发了后台软件，以及采用Android Studio开发了Android客戶端，安卓客户端主要实现车间环境质量监测数据的展示及统计分析。同时采用了中位值数字滤波算法对监测数据做筛选处理，使得系统监测数据更加精确。本系统虽然实现了预设的功能，但仍需进一步完善[10]。

参考文献（References）：

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[3] 邵延华，罗燕杨，楚红雨，等.基于STM32的便携式环境质量监测仪设计[J].自动化仪表，2020，41（7）：7-10，14

[4] 毛伟成.基于单片机的列车车厢环境实时监测控制系统[J].物联网技术，2018，8（4）：23-24

[5] 钱久春，王小冬，李振杰.基于WiFi传输的环境质量实时监测系统[J].科学技术创新，2019（35）：89-90

[6] 云慧，郭继勇，张大伟，等.环境空气质量自动监测系统中动态校准仪臭氧浓度的复现性研究[J]. 中国环境监测，2015，31（6）：147-152

[7] 原忠虎，李沐，杜英魁，等.云误差修正与复合滤波的空气质量监测系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2019，19（12）：76-80

[8] 王颖，金志军.常用数字滤波算法[J].中国计量， 2012（3）：99-100

[9] Z Yang， Y Luo. An architecture and implement model forModel-View-Presenter pattern [C]. Proceedings of 3rd IEEE International Conference on Computer Science and Information Technology，2010，8：553-557

[10] 宋丽.黑盒测试在环境质量监测系统测试中的应用[J].电子技术与软件工程，2019（12）：54-56