薛文輝，李仁銘，潘宇浚，鄭 何，武永華

（福建江夏學(xué)院 電子信息科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350108）

0 引 言

近年來(lái)，隨著信息管理水平的迅速提高，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室管理模式已不能滿(mǎn)足實(shí)際需要。傳統(tǒng)的高校實(shí)驗(yàn)室環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)法得到統(tǒng)一的信息化監(jiān)管，實(shí)驗(yàn)室的物理環(huán)境仍需要依靠人工管理，消耗了很多人力和物力。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，云服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)使得環(huán)境數(shù)據(jù)收集有了更好的設(shè)計(jì)方案。本文將基于云服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、STM32嵌入式技術(shù)等對(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境安全監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)共分成三個(gè)模塊：云服務(wù)端模塊、客戶(hù)端模塊、設(shè)備端模塊。云服務(wù)端可劃分為前置服務(wù)器和后置服務(wù)器。前置服務(wù)器用于對(duì)設(shè)備端、客戶(hù)端的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取分析，后置服務(wù)器用于提取和更新SQLite3數(shù)據(jù)庫(kù)的內(nèi)容。設(shè)備端使用STM32F103ZET6作為核心處理器，采用DHT11溫濕度傳感器采集溫濕度、MQ-2煙霧傳感器采集煙霧數(shù)值、MQ-7一氧化碳傳感器采集有毒氣體數(shù)值，通過(guò)ESP8266無(wú)線傳輸模塊將三個(gè)環(huán)境傳感器檢測(cè)到的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境數(shù)據(jù)上傳。客戶(hù)端運(yùn)用Qt5.10.1作為開(kāi)發(fā)環(huán)境實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)用戶(hù)管理功能、環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能、傳感器歷史數(shù)據(jù)查看功能。本系統(tǒng)每30 s對(duì)客戶(hù)端的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，且用戶(hù)可以遠(yuǎn)距離查看實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由服務(wù)端、設(shè)備端、客戶(hù)端構(gòu)成，系統(tǒng)總設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總設(shè)計(jì)框圖

本系統(tǒng)服務(wù)端是建立在云平臺(tái)的，可劃分為前置服務(wù)器和后置服務(wù)器。前置服務(wù)器采用Epoll Socket技術(shù)、線程池技術(shù)、IPC通信技術(shù)、TCP通信技術(shù)等，用于對(duì)設(shè)備端、客戶(hù)端的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取分析。后置服務(wù)器主要負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)處理，用于提取和更新SQLite3數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容并實(shí)時(shí)保存。兩個(gè)子服務(wù)器之間以共享內(nèi)存作為進(jìn)程間通信工具。

本系統(tǒng)客戶(hù)端使用Qt5.10.1界面開(kāi)發(fā)軟件作為開(kāi)發(fā)環(huán)境，用于與服務(wù)器進(jìn)行通信，獲取云端服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容；采用MVC框架實(shí)現(xiàn)登錄注冊(cè)、獲取傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)等功能。

本系統(tǒng)設(shè)備端是以HMI串口觸摸屏作為主控制器，用戶(hù)可以查看HMI串口觸摸屏所顯示的實(shí)時(shí)傳感器數(shù)據(jù)。設(shè)備端以單片機(jī)STM32F103ZET6芯片作為中央處理器，主控制器與中央處理器之間的通信靠USART串口完成。環(huán)境數(shù)據(jù)由DHT11溫濕度傳感器、MQ-2煙霧傳感器、MQ-7一氧化碳傳感器監(jiān)測(cè)。無(wú)線通信系統(tǒng)由ESP8266WiFi模塊構(gòu)成。

2 系統(tǒng)服務(wù)端設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)前置服務(wù)器負(fù)責(zé)設(shè)備端和Qt客戶(hù)端之間的TCP Socket通信。通過(guò)Epoll Socket的I/O復(fù)用實(shí)現(xiàn)對(duì)客戶(hù)端、設(shè)備端的連接通信對(duì)應(yīng)的Socket套接字進(jìn)行保存。前置服務(wù)器封裝的線程池模塊負(fù)責(zé)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，并存入共享內(nèi)存，同時(shí)監(jiān)聽(tīng)并接收后置服務(wù)器對(duì)業(yè)務(wù)處理完畢后所寫(xiě)入共享內(nèi)存的數(shù)據(jù)。

本系統(tǒng)服務(wù)器選用的IPC通信工具是共享內(nèi)存。本系統(tǒng)云服務(wù)器將共享內(nèi)存區(qū)按照結(jié)構(gòu)體大小的1 000倍進(jìn)行創(chuàng)建，劃分成1 000個(gè)塊結(jié)構(gòu)體，其中共享內(nèi)存首地址Shm_addr指針作為共享內(nèi)存判斷的起始點(diǎn)。本服務(wù)器會(huì)開(kāi)辟一個(gè)線程用于判斷共享內(nèi)存起始點(diǎn)內(nèi)是否為空，倘若為空則不讀取數(shù)據(jù)；如果判斷索引內(nèi)容為有效數(shù)值，則提取出來(lái)跳入下一個(gè)結(jié)構(gòu)體塊循環(huán)執(zhí)行，直到下一個(gè)塊為空。共享內(nèi)存可以存儲(chǔ)1 000個(gè)結(jié)構(gòu)體，在全部接收完畢之后會(huì)將其清空，保證下一次前置服務(wù)器和后置服務(wù)器之間的交互能夠正常運(yùn)行。共享內(nèi)存存儲(chǔ)方式如圖2所示。

圖2 共享內(nèi)存存儲(chǔ)方式

本系統(tǒng)的后置服務(wù)器負(fù)責(zé)對(duì)SQLite3數(shù)據(jù)庫(kù)信息進(jìn)行提取和更新。封裝線程池對(duì)各個(gè)業(yè)務(wù)對(duì)應(yīng)的共享內(nèi)存提取數(shù)據(jù)并進(jìn)行增刪改查的操作。后置服務(wù)器結(jié)構(gòu)如圖3所示，后置服務(wù)器也會(huì)使用共享內(nèi)存與前置服務(wù)器進(jìn)行IPC通信。在后置服務(wù)器結(jié)束當(dāng)前對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)的提取和更新后，會(huì)向前置服務(wù)器提供其所需要的內(nèi)容。前置服務(wù)器共有以下三個(gè)功能模塊：

圖3 后置服務(wù)器結(jié)構(gòu)

（1）讀取業(yè)務(wù)包：讀取共享內(nèi)存中的業(yè)務(wù)包。

（2）業(yè)務(wù)回調(diào)函數(shù)：根據(jù)業(yè)務(wù)包的類(lèi)型，進(jìn)行相應(yīng)的業(yè)務(wù)處理。

（3）數(shù)據(jù)庫(kù)函數(shù)：根據(jù)業(yè)務(wù)的需要對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行讀寫(xiě)訪問(wèn)。

本系統(tǒng)使用的是SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)后置服務(wù)器管理User_Info和Sensor_Info兩個(gè)表格。用戶(hù)在執(zhí)行登錄注冊(cè)模塊時(shí)后置服務(wù)器將會(huì)對(duì)User_Info表進(jìn)行是否存在用戶(hù)的判斷或者添加。用戶(hù)在獲取實(shí)時(shí)傳感器數(shù)據(jù)和讀取歷史傳感器數(shù)據(jù)時(shí)后置服務(wù)器將會(huì)對(duì)Sensor_Info表進(jìn)行讀取和存儲(chǔ)操作。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中關(guān)于用戶(hù)數(shù)據(jù)和傳感器數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)設(shè)備端設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用單片機(jī)STM32F103ZET6芯片作為設(shè)備端的中央核心處理器，該芯片的兩個(gè)USART接口分別與HMI電容串口觸摸屏、ATK-ESP8266無(wú)線通信模塊連接，以完成數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。通過(guò)DTH11溫濕度模塊的Data引腳與PB6引腳相連，完成單片機(jī)與溫濕度模塊的檢測(cè)數(shù)據(jù)交互。

本系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)采用了DHT11模塊采集溫濕度數(shù)值、MQ-2模塊采集煙霧數(shù)值、MQ-7模塊采集一氧化碳數(shù)值以及HMI顯示屏顯示傳感器采集的環(huán)境數(shù)據(jù)。

DHT11傳感器包括電阻式濕敏元件和測(cè)溫元件，將STM32F103ZET6的PG_11引腳與DHT11芯片的DATA引腳相連接。DHT11接3.3 V的電壓，GND接地，NC懸空。上電后，DHT11采集數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)通過(guò)DATA口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，PG_11口負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)，由此完成對(duì)環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)的采集。DHT11模塊原理如圖5所示。

圖5 DHT11模塊原理

本系統(tǒng)采用的MQ-2煙霧傳感器的AO引腳與STM32F103ZET6的PA_1口相連，通過(guò)STM32的ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換測(cè)得實(shí)際值。MQ-2傳感器模塊的輸出方式分別為數(shù)字量和模擬量輸出方式。原理如圖6所示。

圖6 MQ-2模塊原理

本系統(tǒng)采用的MQ-7一氧化碳傳感器的AO引腳與STM32F103ZET6的PA_0口相連，原理如圖7所示。

圖7 MQ-7模塊原理

無(wú)線模塊ESP8266共有AP、STA、AP+ASP三種模式。本系統(tǒng)采用STA模式，將設(shè)備端作為單個(gè)客戶(hù)端，使用AT指令連接手機(jī)熱點(diǎn)和云服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備端與云服務(wù)器之間的通信。本設(shè)計(jì)使用的顯示器采用的是TJC3224K024_011型HMI電容串口觸摸屏，HMI電容串口觸摸屏的RXD引腳、TXD引腳與單片機(jī)STM32F103ZET6芯片的USART2串口相連，實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)與HMI顯示屏的數(shù)據(jù)通信。

4 系統(tǒng)客戶(hù)端設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)客戶(hù)端是查看傳感器采集信息的應(yīng)用程序，采用MVC框架，使用Qt、C++語(yǔ)言編寫(xiě)。

4.1 Qt登錄注冊(cè)功能模塊

本系統(tǒng)客戶(hù)端登錄注冊(cè)功能是對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的User_info表進(jìn)行操作，User_info表結(jié)構(gòu)見(jiàn)表1所列。

表1 User_info表結(jié)構(gòu)

當(dāng)點(diǎn)擊登錄的時(shí)候，客戶(hù)端會(huì)發(fā)送此時(shí)所輸入的登錄賬號(hào)和密碼給服務(wù)器，服務(wù)器通過(guò)與服務(wù)器內(nèi)部的User_info表進(jìn)行比對(duì)，若查詢(xún)到相同的結(jié)構(gòu)，說(shuō)明此用戶(hù)是存在的，則同意該客戶(hù)端進(jìn)行登錄。

4.2 Qt傳感器數(shù)據(jù)查詢(xún)顯示模塊

本系統(tǒng)客戶(hù)端傳感器數(shù)據(jù)查詢(xún)共分為兩個(gè)功能模塊：（1）用Qlabel類(lèi)顯示接收到的傳感器監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；（2）通過(guò)QListWidget和QListWidgetItem的配合實(shí)現(xiàn)傳感器監(jiān)測(cè)的歷史數(shù)據(jù)的查看功能。用戶(hù)可以選擇日期并查看當(dāng)天所記錄的數(shù)據(jù)。本功能是對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的SenSor_Num表進(jìn)行操作，SenSor_Num表格式見(jiàn)表2所列。

表2 SenSor_Num表格式

當(dāng)?shù)卿洺晒螅蛻?hù)端會(huì)收到來(lái)自服務(wù)器的當(dāng)前傳感器數(shù)據(jù)顯示包；并且每30 s就會(huì)再次收到傳感器數(shù)據(jù)包更新后客戶(hù)端界面顯示的數(shù)據(jù)內(nèi)容，同時(shí)會(huì)把這些數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，以實(shí)現(xiàn)客戶(hù)端歷史數(shù)據(jù)查看功能。

5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)調(diào)試

5.1 硬件測(cè)試

將DHT11模 塊、MQ-7模 塊、MQ-2模 塊 分 別 與STM32F103ZET6的 PG_11、PA_1、PA_0連 接， 使 用FlyMCU完成程序調(diào)試和下載后，給模組上電。通過(guò)HMI模塊顯示屏可看到各項(xiàng)測(cè)試結(jié)果分別如圖8、圖9、圖10所示。

圖8 溫濕度數(shù)據(jù)顯示

圖9 煙霧指數(shù)顯示

圖10 一氧化碳指數(shù)顯示

5.2 軟件測(cè)試

當(dāng)用戶(hù)選擇查看日期時(shí)，前置服務(wù)器會(huì)收到數(shù)據(jù)包并進(jìn)行解析。如圖11（a）所示，前置服務(wù)器顯示用戶(hù)想要查看的日期為2021年4月13號(hào)當(dāng)天所采集的傳感器數(shù)據(jù)信息；將此信息寫(xiě)入共享內(nèi)存，供后置服務(wù)器讀取該結(jié)構(gòu)體信息；在后置服務(wù)器完成一系列操作后，將會(huì)收到關(guān)于后置服務(wù)器提取數(shù)據(jù)庫(kù)信息的結(jié)果。

圖11 服務(wù)器歷史數(shù)據(jù)查看功能顯示

用戶(hù)選擇查看日期后后置服務(wù)器提取共享內(nèi)存數(shù)據(jù)并進(jìn)行解析。如圖11（b）所示，后置服務(wù)器會(huì)根據(jù)收到的日期對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行一一搜索，將搜索到的信息存入鏈表并逐一發(fā)給前置服務(wù)器；再由前置服務(wù)器從共享內(nèi)存提取結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)包，并將歷史記錄數(shù)據(jù)包發(fā)往客戶(hù)端。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了基于STM32的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境安全監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)傳感器采集數(shù)據(jù)并通過(guò)ESP8266模塊發(fā)送至云服務(wù)器，用戶(hù)通過(guò)登錄客戶(hù)端可以查看現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)如下功能：（1） ESP8266與Epoll Socket服務(wù)器交互通信；（2）Windows Qt客戶(hù)端與Epoll Socket服務(wù)器交互通信；（3）云前置服務(wù)器與后置服務(wù)器IPC通信；（4）后置服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的提取和更新；（5）DHT11溫濕度傳感器、MQ-7一氧化碳傳感器、MQ-2煙霧傳感器的數(shù)值采集；（6）Qt客戶(hù)端用戶(hù)登錄注冊(cè)功能、Qt客戶(hù)端傳感器數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)查看功能。

經(jīng)過(guò)測(cè)試，結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)的基于STM32的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境安全監(jiān)控系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了以上功能；在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)范圍內(nèi)可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行高效采集并傳輸至云服務(wù)器，每30 s對(duì)客戶(hù)端的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行更新。用戶(hù)能夠及時(shí)地發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室可能出現(xiàn)的各種安全問(wèn)題。