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基于Ardunio的电子仓环境监控系统设计

范文

高弘扬+徐琴

摘要：随着电子产业快速发展，对于电子仓库的智能化管理和实时监控也有了更高的需求。在一些较为精密的电子仓库中，需要进行实时的温湿度环境监控，以Arduino开源板和AndroidTVBox作为开发平台，设计了一套无线网络电子仓环境监控系统。通过传感器将电子仓内的温湿度环境信息以及设备运转状态采集到Arduino控制器中，再通过Wifi模块将数据传送至网关模块，通过无线网络在服务器端实现数据的存储，同时在显示屏上进行实时的数据显示，如果超出阈值范围则会进行声、画报警提示，从而实现对电子仓内环境的调控。该系统具有部署方便、成本低、可靠性高、扩展性强等优点，具有推广应用价值。

关键词：Ardunio；环境监控系统；wIFI；Android；电子仓

1概述

电子工业是在电子科学技术发展和應用的基础上发展起来的。20世纪以来，随着大规模集成电路和计算机的大量生产和使用，以及光纤通信、数字化通信、卫星通信技术的兴起，使电子工业成为一个迅速崛起的高技术产业。伴随着这种快速发展，电子产品零部件的精密度、复杂度也越来越高，有些核心电子器件的成本很高，需要做到多方面的保护，因此对于电子仓的环境也提出了较高的要求。目前，大多的电子仓都需要做到恒温、恒湿、防静电。在传统的电子仓环境监控中，一般采取在仓内配置少量的温湿度监控报警设备，这种设备大多精度较低，并且由于设备自身较大，不利于多点布局。鉴于此，设计了一种分布式、多节点的电子仓温湿度环境监控系统，利用Ardu-ino开源板与AndroidTVBox作为控制系统的核心单元，对电子仓内环境进行调控，同时利用WiFi模块进行无线传输，解决了繁杂的布线问题。

2电子仓环境监控系统设计

随着电子工业和信息的发展，有两个架构概念使用范围很广，分别是“互联网+”和“物联网”。其中，“互联网+”是以互联网为主，外围智能模块和传感器为辅，构建互联生态；而“物联网”却是以互联网为基础，重点在传感器数据采集，设备控制，远程监控为主。在一个典型的物联网系统中，从组成上来看分为三个部分：感知（实现对物理世界的智能感知识别、信息采集处理和自动控制，包括了传感器、执行器，RFID，二维码和智能装置等）、连接（网络层）、智能（应用层，包涵应用基础设施、中间件和物联网应用）。本电子仓环境监控系统正是基于“物联网”的架构为基础而设计的。

该电子仓环境监控系统主要由3个部分组成：控制系统终端层、中心网关层、服务器层。控制系统终端层：主要包含多路温湿度传感器数据采集模块以及终端控制模块（Ardmfio）。根据现场的不同环境参数，设置对应的控制模块（Ardunio），可任意进行的扩展和改造；中心网关层（TVBox）：主要通过Wifi模块与控制系统终端层的各个小的终端模块（Ardunio）进行数据交互，同时将所获取的数据以网格的形式在显示屏上进行直观显示，针对不同的温湿度监测情况会有不同的显示效果。此外进行双网关设置，以做备用；服务器层：将中心网关发送和接收的数据统一存储于服务器的数据库中，服务器的编码使用spring-boot，数据库使用MongoDB，将所获取的数据进行分布式存储，便于后期将数据接入云端进行大数据的处理。其总体设计见图1。

2.1系统硬件设计

系统的硬件部分主要实现的功能是温湿度数据的采集和无线传输，并且能够依据数据的实际情况作出报警等相应操作。主要包括温湿度传感器、WIFI模块和每条线路的控制器（Ardunio），在实际的开发中选用DHT11数字温湿度传感器、ESP8266 WIFI模块和Ardunio UNO R3开发板。DHTl 1数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性，尤其适用于中小型系统设计应用。该传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接，产品为4针单排引脚封装，连接方便。具体的温湿度感知模块设计如图2所示。

结合电子仓的实际布局，我们在房间共设置了7条线路，每条线路上包含一个控制器（Ardunio）、一个WIFI模块和五个温湿度传感器（DHT11），其中每一条线路上Ardunio和温湿度传感器的引脚连线如图3所示。

2.2系统软件设计

系统的软件部分主要包括中心网关和服务器的设计，其中网关在整个系统中起到桥梁的作用，它实现的主要功能是实现控制系统终端数据的存储和显示，同时具备一定的控制功能。服务器主要实现数据的存储，在存储过程中我们选用了Man-goDB作为数据库来进行存储。

2.2.1中心网关设计

鉴于网关部分承载的数据展示作用，选用了Askey生产的TVBox Android智能盒子，盒子预装了4.4KitKat版本的Android系统，提供四个USB插口供存储设备或外部设备接入。基于该设备和人机界面人性化的需求，设计了一款与该系统相匹配的APP运行于智能盒子上。Android是一种以linux为基础的开放源码操作系统，主要应用于移动设备。Android采用Eclipse作开发环境，以Java作为开发语言。程序由用户界面（UI）层、服务层、保持层三大部分组成。其中UI层完成与用户交互和环境数据的显示，也就是我们最直观看到的显示；服务层由服务程序在后台运行，创建线程执行与服务器间的数据交互以及本地数据处理；保持层刷新服务器发送过来的实时数据，同时反馈给界面进行显示。应用软件设计好之后，将该apk文件拷贝至Android智能盒子中安装后即可运行，正常状态下的运行初始界面如图4所示。图中字母后面的序号1-7表示房间中所安置的7条线路，A-E表示每条线路上的5个温湿度传感器。当控制系统终端所上传的数据高于或低于所设置的阈值范围时，该传感器所在方格的背景色和文字会进行相应改变，从而达到警示的效果，警示状态颜色标示遵从表1。

2.2.1服务器设计

服务器主要用于接收中心网关传上来的温湿度数据，对数据进行格式转换后存储在MongoDB数据库中，然后可以通过MongoDB数据库指令对数据进行查询。另一个功能是对网关的状态进行判断，当一个网关出现故障时，会自动切换到备用网关，同时在原网关上进行警示，提醒工作人员进行替换。服务器编码使用spring-boot，数据库使用MongoDB。spring-boot是基于spring框架上的技术，主要优点是嵌入了tomcak简化了Maven配置且自动配置spring无须配置Xml文件，整体代码风格易懂简洁。MongoDB是NoSql数据库，在大型数据处理上比关系数据库（relational database）更优，同时也是目前主流的云服务所采用的数据库。

3结论

该系统先在实验室模拟状态下进行了测试，测试时搭建了两条数据采集线路，配置本地服务器进行测试，为了验证系统的稳定性和可靠性，在测试过程中给予部分人工干预，效果良好，达到了预期的效果。目前该系统已在实际的电子仓中进行安装，运行较稳定，数据实时反馈效果较好，同时由于使用了分布式的节点进行监测，对于电子仓的温湿度调控能达到更为精准的效果。

本系统以Arduino开源板和AndroidTVbox作为开发平台，设计了一套分布式无线网络电子仓环境监控系统，提高了自动化控制的手段，解决了传统电子仓环控系统数据不够准确，控制不方便的缺陷。Android平台和WIFI模块的加入，使得只要是厂区里覆盖了WIFI的电子仓都可进行安装、监控，利用Mon-goDB数据库进行分布式存储，也为之后的云端管理做了铺垫，具有一定的扩展能力。

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