吴琦++张劲弓++刘瑜

摘要：为了实现对偏远景区酒店室内环境的有效监测与管理，本文基于物联网，采用GPRS数据传输技术，设计了一套景区酒店环境远程无线监测系统。本系统能将传感器采集到的数据，通过STM32发送给GPRS模块，利用GPRS网络将数据上传至Web服务器，并运用CGI技术，实现动态监测结果显示报告功能，从而保证景区酒店中的淋浴设施以及其室内空气环境质量有效管理与控制，提高酒店服务质量，具有很强的社会价值和实用意义。

关键词：物联网技术；GPRS数据传输；STM32；Web服务器；环境监测与管理

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）17-0032-03

Abstract： In order to carry out effective interior environment monitoring and management for the remote scenic hotels， this paper designed a remote wireless environment monitoring system in which GPRS data transmission technology was adopted based on the Internet of things technology. The system can transmit the data collected by sensors installed in the hotels and send to GPRS modules automatically through STM32 equipment， and then exchange the data to Web server through the internet and display the real monitoring results on the screen based on the CGI technology. The application of this system can guarantee the effective management and control for the shower equipment and interior environment air quality in the scenic hotels and improve the hotels service quality greatly for the customers. The system is of great benefit and significance of application.

Key words： the Internet of things technology； GPRS data transmission； STM32； Web sever； environment monitoring and management

1 概述

伴随信息技术的高速发展，物联网技术和产业异军突起，成为新一轮产业革命的重要发展方向和世界产业格局重构的重要推动力量。同时伴随着社会经济的高速发展，越来越多的人外出旅游，对景点酒店住宿环境也提出了更高的要求。当前，一方面国内很多酒店内部管理不是很科学，存在淋浴设施的水流量浪费现象，与国家推行的“节能减排，低碳经济”政策相悖；另一方面，又由于大多数景区处于地形复杂，远离市郊，采用有线通信管理方式投入成本高，难以实现高效的管理。根据调查，很多景区的酒店淋浴设施的水温条件以及室内的空气条件不达标[1]，导致了服务质量的下降，影响了酒店的声誉，以致给景点旅游产业的发展带来不利影响。近年来，移动无线通讯技术的发展，为偏远景区酒店的环境监测管理提供了有效的途径。其中，在各种无线通信技术中，GPRS最受青睐。通过GPRS网络系统，采用Internet技术与服务器间的数据交换，能便利地实现酒店环境的远程无线监测与互联网的连接。基于这样的背景，本文依托物联网技术设计了景区酒店环境远程无线监测系统平台，可为酒店和当地景区管理部门提供有益的参考，具有很强的社会价值和实用意义。

2 系统总体设计

本设计以ST推出的STM32作为主控核心，加以用于数据采集的传感器，并结合嵌入式 Web服务器Boa完成系统构建。旨在实现将温度传感器DS18B20的采集水温数据，水流量传感器采集的水流量数据，DHT11采集的室内温湿度数据，MQ-135气体传感器采集的室内有害气体数据并通过 STM32芯片控制并发送到GSM模块SIM900A，利用SIM900A的GPRS数据网络将采集到的数据实时上传至Web服务器中[2]，并利用CGI技术使得景区管理人员可以通过浏览器获取监测数据。其中Web服务器Boa主要完成创建套接字、接收和分析Web浏览器的请求、 调用后台CGI脚本程序以及向Web浏览器发送处理请求的结果。同时在进行酒店中淋浴设施的设计中，增加了利用VS1053模块播放音乐的功能，提高用户在淋浴时的舒适性。系统的功能结构图如图1所示：

3 系统硬件设计

3.1 STM32 核心模块

STM32处理器是ST（意法半导体）公司基ARM的Crotex-M4内核开发的一系列新型单片机。具有门数少，中断延迟少，调试容易等特点，而且具有丰富的GPIO引脚。STM32作为本模块的核心，可以很好地满足本系统对现场环境的数据采集。STM32通过与各种传感器连接构成数据采集模块。通过数据采集模块实时采集酒店环境参数等信号，交由STM32处理器进行处理。

3.2室内空气环境监测

3.2.1有害气体监测

系统采用气体传感器MQ135进行室内污染气体浓度的采集监测，MQ135的工作原理是当其处在有污染气体的地点时，其内部的气敏材料（SnO2）的电导率会随污染气体的浓度的增大而增大，随后通过相应的转换电路即可将电导率转换成与污染气体浓度对应的输出电压。此传感器可用于检测多种气体，例如氨气、芳族化合物、硫化物、苯系蒸汽、烟雾等气体，气敏元件测试浓度范围：10to1000ppm。MQ135输出是模拟信号，通过STM32的ADC接口进行模数转换成数字信号，完成对于室内有害气体浓度的采集[3]。

3.2.2室内温湿度采集

DHT11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，具有超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点[4]。系统采用DHT11温湿度传感器对室内的温度以及湿度数据进行采集。STM32与DHT11之间的通讯采用单总线数据格式，一次通讯时间4ms 左右，数据分小数部分和整数部分：一次完整的数据传输为 40bit，高位先出。数据格式：8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bit温度整数数据+8bit温度小数数据+8bit校验和。

3.3淋浴设施监测

3.3.1水温采集

水温采集使用温度传感器DS18B20，与DHT11温湿度传感器一样具有独特的单总线接口方式，在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现与微处理器的双向通讯。测温范围为 -55℃至 +125℃[5]。DS18B20硬件连接如图2所示：

单总线上的所有通信都是以初始化序列开始，初始化过程包括复位过程和从机应答过程，按照DS18B20的时序图，相应的写0和写1并保持一定的时间，初始化之后，就可对DS18B20进行读写了，根据读写时序就可以对其进行一个字节的读取，读取到的数据是一个16位的带符号的二进制补码，对其进行相应的转换便能得到所需要的温度数据。

3.3.2水流量采集

水流量传感器是利用霍尔元件的霍尔效应来测量磁性物理量。在霍尔元件的正极串入负载电阻，同时通上5V的直流电压并使电流方向与磁场方向正交。由于霍尔元件的输出脉冲信号频率与磁性转子的转速成正比，转子的转速又与水流量成正比。

STM32拥有强大的定时器功能，通用定时器拥有捕获/比较寄存器，在对PWM脉冲输入进行分析的时候，将流量传感器的脉冲通过引脚输入到定时器的脉冲检测通道，通过相应的寄存器对捕获数据便进行计算可以得出输入脉冲的频率以及水流量的数据。

3.3.3音乐播放

VS1053是继VS1003后荷兰VLSI公司出品的又一款高性能解码芯片。该芯片可以实现对MP3/OGG/WMA 等音频格式的解码。主控通过对VS1053进行复位，相关寄存器的配置，发送音频数据即可进行音乐播放了。用户可以根据自身需要选择该功能。

3.4 GPRS数据传输

3.4.1 GPRS无线传输原理

基于GPRS的无线网络通信系统结构主要由位于数据采集现场的GPRS数据采集模块 、网络运营商提供GPRS网络与远程服务器三部分构成。数据采集模块位于景区酒店中，由于运营商的基站建设的普及，通信范围已覆盖我国的绝大部分地区，所以各数据采集模块可分散地使用在分布于各种不同地理环境的景区酒店中，从而避免了使用有线通信时线路铺设所带来的成本与施工难度问题，有利于推动了本系统的建设和布局。GPRS网络是现场数据采集系统与远程监控中心数据交换的桥梁[7]。GPRS网络机构如图3所示：

数据采集模块与位于酒店中的子系统主控STM32进行数据通信 ， 将各传感器采集到的数据通过移动基站实时发送到GPRS网络服务商所提供的GGSN服务器，GGSN分配给GPRS数据采集终端相应的IP地址，从而实现了数据采集终端与Internet 的连接。

3.4.2 GPRS数据采集

系统使用SIM900A模块进行GPRS通信，SIM900A是通过AT指令进行控制的，通过AT指令可以对模块进行各种参数的设置，数据的查询和发送，将传感器采集到的数据进行实时的上传[8]。其中常用到的AT指令如下所示：

AT+CSQ 查询当前信号质量，AT+CGREG？ 查询模块是否有注册网络，AT+CGATT？ 查询模块是否附着GPRS 网络，AT+CIICR 激活移动场景，AT+CIFSR 获得本地IP地址，AT+CIPSTART="TCP"，"124.235.160.149"，12345 建立TCP/IP连接，AT+CIPSEND 模块向服务器发送数据。SIM900A结构图如图4所示：

GPRS网络通信是以GSM网络为基础，GSM网络的语音通信优先级较高，在景区旅游的淡季时，可能会有有酒店接待游客较少的情况，由此会造成GPRS虽然在线但却没有数据流量传输， 由此造成数据业务的优先级会自动降低，GGSN服务器则会为了提高带宽利用效率而断开网络连接，此时对于GPRS模块来说，虽然IP地址还在，但已无法进行正常的数据传输。为了防止由此导致的网络中断 ，可在系统中设定每隔一段时间向服务器发送一个TCP数据包，以保证系统的网络连接不断线 。数据包发送的频率根据不同时间的需求做出调整，且不宜过高，免产生过高的额外流量带来的成本问题。

4 系统设计

4.1 主控移植UCOS操作系统

嵌入式操作系统在系统实时高效性、软件固态化、硬件的相关依赖性低以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。在位于酒店中的主控STM32中移植嵌入式UC0SIII操作系统，系统程序中采用时间轮偏转切换，每个任务具有相同的优先级，按顺序进行工作。该操作系统具有精简的内核，性能高、稳定，能提供很好的实时性[8]。

4.2 Web服务器与Boa移植

在远程监测系统中，为了使景区管理人员能够远程检测到酒店环境信息，需要在系统中移植一个支持CGI和脚本功能的Boa服务器，Boa服务器是一种单任务的服务器，支持CGI，而且源代码开放[10]。 Boa服务器的执行流程如图5所示。

Web服务器的初始化工作由Boa服务器来完成，当景区管理员在浏览器上做出数据请求时，Web服务器接受浏览器的请求后分析并解析出请求的方法、URL目标、可选的查询信息以及表单信息，Web服务器完成相应的处理后，向Web浏览器反馈相应信息，嵌入式Boa服务器为系统提供了网络接入和数据服务功能。系统基于TCP/IP协议、HTTP 协议，通过调用具有数据请求和控制功能的CGI程序，从而实现对远程端浏览器的请求处理，达到远程监控的目的。在服务器网页设计中，景区管理人员在浏览器中输入服务器的IP地址，得到登录界面，输入用户名和密码之后便可进入远程酒店环境监测界面。

5 结论

系统实现了酒店环境远程的功能，景区管理人员通过远程Web浏览器便可以对酒店环境进行实时监控，系统主要特点：1）温度传感器通过单总线与STM32进行通信；2）CGI控制界面动态刷新快，采用将文件保存到数组中的方式，数据处理和输出速度快，保证了对酒店环境的实时性监测；3）将酒店环境数据采集与Internet互联，是物联网技术在现代生活中的又一具有使用价值的应用；4）同时系统主控引脚众多，可以根据需要增加相应的传感器模块。本系统的设计旨在对景区酒店的服务质量进行监督，为旅客提供更好的住宿环境，对于景区旅游业的可持续发展以及拉动地方经济有着深远的影响，具有广泛的市场价值和社会价值。

参考文献：

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[4] 范治政，刘永春.基于ARM9的大棚远程温湿度监控系统设计[J].湖北农业科学，2015，54（3）：705-708

[5] 向阳，曾超尘，熊瑛，等.基于GPRS网络的育苗温室远程监控系统研究[J].农机化研究，2015（10）：228-231

[6] 宫鹏，宫玥，王瑞宝，等.基于嵌入式系统的多媒体音乐播放器[J].现代电子技术，2011，34（12）：100-103.

[7] Walke， B.H..The roots of GPRS： the first system for mobile packet-based global internet access[J].IEEE wireless communications，2013，20（5）：12-23

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[9] 刘国锋，许慰玲.基于WSN的农业环境信息监测平台设计与应用研究[J].网络安全技术与应用，2014（10）：84-85.

[10] 吴贞贞，宁永海.基于嵌入式Web的HART仪表远程控制系统[J].火力与指挥控制，2014，（11）：168-170，174.