赵刚+何博+曾智+黄浩+王陆强

摘要：智能家居在我们的生活中是越来越发展起来了，随着智能家居的发展，在我们实验室方面也可以借鉴智能家居的发展。智能实验室是利用先进的科学计算机技术，网络通讯技术等将实验室的各种子系统有机结合在一起，通过统筹管理，让我们的实验室能安全、舒适、有效的利用，随着网络技术，通讯技术的发展，以及嵌入式的日渐完善，智能实验室也是时代开发的热点，而嵌入式系统具有体积较小，功能强大，可靠性高等特点，被广泛的应用到各个领域。所以结合智能家居的发展和嵌入式的研究，与我们在实验室应用方面的需求，提出了智能实验室管理系统的设计。智能实验室管理系统设计如下：（1）搭建实验室网关硬件开发平台，android系统的开发；（2）掌握android平台上的底层开发，读取串口数据；（3）搭建嵌入式web服务器，结合SQLite结构一个轻量級数据库来开发远程控制系统；（4）各个实验室组内部组网系统，利用TI公司的CC2530的zigbee模块来做无线传感器网络来做无线传感器的硬件开发，最终实现用户的远程web访问智能实验室的网关系统；（5）在各个实验室安装安防模组硬件设施，主要是以STM32+CC2530作为数据采集和传输，以及气体监控，温湿度监控，火焰控制等功能。

关键词：智能实验室Android；CC2530；Web实验室网关系统STM32

1引言

发展智能实验室是社会经济发展的必然条件，智能实验室是实现对实验室的实时监控，管理和利用，能够舒适、安全、有效实时的对所控制的实验室进行管理。我们智能实验室利用STM32单片机（STM32单片机具有成本低，功能强大，可编程容易，体积小，功耗低等优势）作为我们各个实验室子系统的发送控制端，我们ARM8开发板作为我们的主机利用串口读取zigbee数据来有效接收子系统的状况和控制子系统。

在ARM8的开发板上我们利用Aandroid的控制系统开发和数据库SQLite以及搭建嵌入式Web服务器等有机结束构建一个轻量级数据库来远程开发控制系统。我们利用ARM8开发板来编写控制界面和数据处理，并将有效数据分享Web服务器让远程能够实时的检测我们系统的信息，并且利用读取Web我们主机ARM8开发板能够有效的读取远程用户的控制信息，这样能够有效的实验用户远程监控与控制。

通过MQ-5液化气检模块达到对天然气、煤气、酒精气体等气体检测和烟雾等电气参数的采集，之后通过AM2305温湿度传感器采集温度和湿度，AM2305主要通过单总线通讯协议的方式采集数据，因其具有校准功能，所以采集到的数据十分准确。利用火焰传感器模块可以检测火焰或者波长在760纳米～1100纳米范围内的火焰，探测角度60°左右，对火焰光谱特别敏感，利用比较输出、信号干净、波形好、驱动能力强、超过15mA等优势，通过以上模块将所需要的参数采集到，通过无线传输的方式传输到控制系统，在手机上可以读出所采集到的数据，并进行实时监控。所以，实现智能实验室的数的监测，及时掌握实验室设备的运行情况。

2 液化气体采集系统的设计

本系统通过MQ-5液化气检模块达到对天然气、煤气、酒精气体等气体检测和烟雾等电气参数的采集，采用工业级专业电能计算芯片，对气体信号进行采集，通过高速处理器读出计量芯片提供的参数，进行数据分析、处理、储存。MQ-5传感器对丁烷、丙烷、甲烷灵敏度高，对甲烷和丙烷可较好的兼顾，这种传感器可检测多种可燃气体，特别是液化气（丙烷），是一款适合多种应用的低成本传感器。在较宽的浓度范围内可对可燃气体有较好的灵敏度：

3温湿度采集

一种拥有温湿度结合以及准确数字信号的测量的护额型传感器AM2305，它是一款数字温湿度传感器。它拥有专门的温湿度传感和数据采集技术，使产品拥有高性能的长期稳定性和卓越的可靠性。有一个测温器件和一个电容式感湿器件组成的传感器，并且连接一个8位单片机。校准系数都是经过程序储存在OTP中的，检测信号和处理比较准确。单总线接口形式，令传感器系统的合成显得十分便捷。信号的传输距离在20米左右和较小的体积和功耗是各种应用场合上的最佳选择。

3.1电气特性

VDD=5V，T=25℃，特殊情况：

注：采样间隔不低于2秒

3.3单总线通讯协议

单总线的通讯方式和其他的通讯方式大致相同，为了保证数据的完整性对于通讯协议比较严格。单总线芯片在数据传输过程中，每个单总线芯片都拥有唯一的地址，系统主机一旦选中某个芯片，就会保证通信连接直到复位，其他器件则全部脱离总线，在下次复位之前不参与任何通信[1]。

3.3.1单总线通信信号类型

单总线通讯有以下几种，主机的复位脉冲、从机的应答脉冲、写0、写1、读0和读1。

下面就单总线的两种写时隙写0和写1进行简单的介绍。主要有主机写入1和0传入到从机相应的1和0。每次的写时隙有60us的间隔。1时隙的产生方式：主机拉低总线后，接着必须在15us之内释放总线，由上拉电阻将总线拉至高电平；主机先将总线拉底，在15us内释放，将总线拉倒高电平。0时隙的产生方式为在总线被拉低后，一直保持低电平。（至少60us）。下图给为写时隙（包括1和0）时序的图形解释。

3.3.2单总线通信的初始化

初始化序列是所有在单总线上的通信的开始，初始化序列包括复位脉冲和应答脉冲。黑色实线代表系统主机拉低总线，灰色实线代表从机拉低总线，而黑色的虚线则代表上拉电阻极爱那个总线拉高[2]。复位与应答脉冲的工作情况如下图：

4软件设计网络技术

4.1STM32单片机软件设计

系统启动之后，由STM32单片机通过安装在实验室硬件上的传感器采集所需要的参数值，之后利用zigbee无线传输模块进行对数据的输送，将其传输到主机上达到对各种参数的实时监控。利用上述方法达到预期的功能，实现智能实验室控制的目的。endprint

程序流程框图如图4所示：

4.1客户机/服务器通讯的实现

1服务器的开发

（1）服务器端实现对主机某个端口的不断监听，并不断的接受客户机的连接请求，当受到连接后打印客户信息的并向客户端完成一次服务。

（2）使用readUTF方式的DataInputStream处理流的提供的方法，功能为读取满足UTF格式的字符串。并使用writeUTF方法为DataOutputStream处理流提供的方法，功能为写出满意足UTF格式的字符。在一般的的网络中发生学消息都在发送端用writeUTF方法写，在接收端用writeUTF方法写，在接收端使用readUTF方法读取这样程序的兼容性强，不容易受到乱码。

2客户机的开发

（1）客户端用于对某个固定IP的服务器进行连接，接着向服务器发送一条消息，最后接受服务器返回的消息并打印。

（2）为了与服务器对应，发送消息还要用DataInputStream的writeUTF方法。同时应该注意的两边的首发顺序是互逆的，服务器先收后发，客户机先发后收。

6结束语

本次项目的模拟装置能基本实现传感器值的采集、无线数据传输，实现对各种参数的实时监控，能及时准确的系统中各种参数的变化情况。整个系统成本低，操作简单，数据显示稳定、及时、精确。同时利用MQ-5烟雾模块、AM2305温湿度传感器、火焰传感器可以使所采集的数据十分的精准。此项目的开展也对智能实验室的数据采集方面有现实意义。

参考文献：

[1]裴静. 一种基于物联网技术的智能家居应用系统[D].南京理工大学，2012.

[2]薛震南. 基于物联网的智能家居研究[D].南京大学，2013.

[3]杨海川. 基于物联网的智能家居安防系统设计与实现[D].上海交通大学，2013.

[4]王立杰. 基于智能手机的智能家居控制设计[D].宁夏大学，2013.

[5]朱佳鸽. 基于物联网的智能家居系统的设计与实现[D].长安大学，2013.

[6]戚振兴. 浅议我国智能家居发展[J]. 广西轻工业，2009，10：63-64.

[7]童晓渝，房秉毅，张云勇. 物联网智能家居发展分析[J]. 移动通信，2010，09：16-20.

[8]俞文俊，凌志浩. 一种物联网智能家居系统的研究[J]. 自动化仪表，2011，08：56-59.

[9]张维华，皇晓琳. 物联网智能家居技术与标准化综述[J]. 信息技术与标准化，2012，07：35-38.

[10]申斌，张桂青，汪明，李成栋. 基于物联网的智能家居设计与实现[J]. 自动化与仪表，2013，02：6-10.

作者简介：赵刚（1993-），男，四川南充人，本科，主要从事基于ARM开发板的智能实验室软件界面设计以及ARM开发板的底層驱动的编写。

通讯作者：李富钢，本科，实验师，主要从事智能控制领域。

项目资助：乐山市科技局重点研究项目。endprint