智能环境监测系统APP软件设计毕业论文

 2020-04-02 11:04

摘 要

人们生活水平的大幅度提高使得人们对家居生活环境质量越来越关注。恶劣的家居生活环境会严重危害人们的身体健康。而信息时代的到来,使得传统的环境监测系统逐渐被智能环境监测系统所取代。智能环境监测系统通常由传感器信息采集模块、单片机控制模块、无线通信模块和Android终端显示模块所组成。

本文主要内容是基于Android平台的智能环境监测系统app软件的设计,即Android移动终端显示模块的设计。本系统是以温度、湿度、一氧化碳浓度作为环境监测对象,因此app发送监测命令给下位机后,可获取此时的温度湿度或者一氧化碳浓度并将数据进行存储、分析和显示,且可根据用户需要展现表格或折线图i形式的历史数据。

系统设计使用Android6.0的oppoR9s作为上位机,app在Eclipse-Android的环境下开发而成。其中利用了Android系统中的蓝牙模块完成无线通信,利用MPAndroidChart图表库完成历史数据折线图的显示,利用Android中的Listview布局完成表格历史数据显示。利用SharedpPreferences来存储数据。

关键词:智能环境监测;Android;蓝牙技术

Abstract

With the great improvement of people's living standard, people pay more and more attention to the quality of living environment at home.A bad environment can seriously harm people's health. With the arrival of the information age, the traditional environmental monitoring system is gradually replaced by the intelligent environmental monitoring system.Intelligent environment monitoring system is usually composed of sensor information acquisition module, MCU control module, wireless communication module and Android terminal display module.

The main content of this paper is the design of app software of intelligent environment monitoring system based on Android platform,that is,the design of Android mobile terminal display module. The system takes temperature, humidity and carbon monoxide concentration as the environmental monitoring object,so the app sends the monitoring command to the lower computer, can obtain the temperature, humidity or carbon monoxide concentration at this time,in addition,the app can store,analyze and display the data.And according to the needs of the user,there can display historical data with the form of line chart or table.

The system is designed to use the oppoR9S of Android6.0 as the upper computer.The app is developed in the environment of Eclipse-Android.The Bluetooth module in the Android system is used to complete the wireless communication.The display of the historical data line chart is completed by using the MPAndroidChart chart library,and the table historical data display is completed by using the Listview layout in Android.The system uses SharedPreferences to save all data.

Keywords:intelligent environment monitoring;Android;Bluetooth technology

目 录

第1章 绪论 I

1.1 课题研究的背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 研究内容 2

1.4 本章小结 3

第2章 安卓客户端应用软件的设计及关键技术 4

2.1 Android操作系统 5

2.1.1 Android系统概述 5

2.1.2 Android体系结构 5

2.2 BLE蓝牙传输技术 7

2.2.1 蓝牙技术简介 7

2.2.2 低功耗蓝牙分架构和分类 7

2.2.3 Android系统中的蓝牙模块 7

2.3 MPAndroidChart图表库 8

2.4 SharedPreferences存储 9

2.5 本章小结 9

第3章 安卓客户端应用软件的实现与测试 10

3.1 Android开发环境搭建 10

3.2 客户端应用软件UI界面设计 10

3.3 客户端应用软件的实现过程 12

3.3.1 蓝牙配对模块 13

3.3.2 实时监测模块和等级评价模块 15

3.3.3 历史数据显示模块 18

3.4 客户端应用软件系统测试 20

3.4.1 测试蓝牙配对连接 21

3.4.2 测试实时监测模块和等级评价模块 21

3.4.3 测试历史数据模块 22

3.4.4 测试数据存储 22

3.5 本章小结 23

第4章 结论 24

参考文献 25

致谢 26

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

伴随着经济的飞速发展,科技的迅猛进步和革新,温饱问题得到了基本解决,人们对高品质高舒适度的家居生活的要求也越来越高。然而经济发展伴随而来的室内环境污染却不容忽视,这与人们对高品质生活的追求背道而驰。比如甲醛浓度超过30mg/时会导致人当即死亡。室内空气质量的优劣会直接影响到人体健康。然而传统的室内环境监测手段不仅不够精确,而且设备复杂,体积庞大,有的甚至十分昂贵。例如用非色散红外线吸收法、气相色谱—氢火焰离子化检测器法等测量二氧化碳的浓度。随着信息大爆炸时代的到来,智能家居(Smart Home)的概念越来越受到人们的关注,加上传感器技术、无线通信技术、计算机技术、移动互联网技术、微处理器的发展也不断发生着日新月异的变化,使得传感器测量数据越来越精确、无线通信技术越来越稳定、微处理器处理速度越来越快,容量越来越大等。这些技术的发展引发了人们对智能家居的幻想,于是越来越多的智能家居产品诞生。智能环境监测系统就是这些技术发展的产物之一。但是传统的智能环境监测系统虽然能满足基本的控制要求,但是还不够便捷。将智能环境监测系统与在Android平台下app软件开发相结合能动态实时地获取和监测环境的各项指标,使得家居环境监测更方便快捷准确,满足人们对家居环境的高品质、高舒适度的要求。

1.2 国内外研究现状

美国、英国、加拿大和法国在上个世纪的时候提出了“智能家居”这个新概念。现在智能家居已经发展到通过互联网和移动互联网组网的方式。近年来,安卓系统开发速度迅猛,在智能手机中得到普及。把智能家居这个概念应用到安卓系统的智能手机上不仅仅成为不可阻挡的潮流,而且在不断走向成熟阶段。智能环境监测系统也可以利用Android系统的手机移动端,来实现控制和数据显示功能。保证监测数据的准确、保证系统能实时做出反应,操作者有友好的操作界面都要求合理设计环境监测系统客户端平台。这也受到一些国内外学者和研究者的重视[1]

无线传感器技术可以应用在很多领域,环境监测就是其中一个方面。因特尔的技术研究人员顺利地完成了对敏感野生动物的栖息地的监测系统,通过将很多个传感器接入到互联网。该系统提高了安全性,但却不能获取实时数据。

韩国的Jin Seo Oh等人开发了一个环境监测系统。该检测系统将Web作为客户端,通过Web请求模块、数据持久模块、数据管理模块来实现实时监测模型。监测到的环境数据用曲线的形式显示。

在葡萄牙的Fortaleza Sao Tiago博物馆的展览室里,De Brito等人在室内部署多个传感器,室内的温度、湿度、光照强度等各项指标被所布置的传感器所采集。在此监测系统的客户端中能够以图形的形式显示历史数据,但是实时数据不能图形显示。

将无线传感器网络技术应用于楼宇中已被Won-Suk Jang、William M.Healy等人实现[1]。此环境监测系统主要是利用无线传感器节点对环境的各项指标进行采集组网,然后对信息进行显示分析和存储,利用采集来的实时数据和历史数据分析楼宇的环境质量。

相比国外,国内的环境监测工作起步比较晚。再于各种主观或者客观因素的制约,对智能家居的认识比较迟,了解也不够。传感器技术、数据处理技术和通信技术仍然是我国环境监测的研究重点。但是伴随着物联网技术的不断革新,我国的环境监测系统的研究重点也开始朝着网络化智能化的方向不断发展。近几年来我国对环境监测客户端的研究取得了一些进展。如袁腾和李秋红等人提出以C/S为架构的监测系统[1]。这个监测系统的客户端是基于移动智能手机的,因此使得系统具有更好的通信质量和更高的传输速率,增大可用性和便捷性。

以上可以看出,国内外的环境监测水平在不断地跟进和提高,结合智能手机终端开发的智能环境监测系统也在不断完善。如今智能环境监测系统的研究热点是用无线传感网络来采集信息和传输信息,以PC或者移动智能设备作为监测系统的上位机。本文将基于Android平台对智能环境监测系统进行设计和实现,以智能手机作为系统的上位机进行开发[2]

1.3 研究内容

本文结合低功耗蓝牙短距离无线传输技术和Android平台开发技术设计智能环境监测系统app软件,在Android平台上实现实时监测和历史数据显示。具体研究内容如下:

首先先研究基于Android平台开发的智能环境检测系统app软件所要涉及的关键技术。比如Java开发技术、短距离无线通信方式之一的蓝牙技术等。在Android平台上借助于Eclipse开发环境,所以需要搭建这个开发环境并研究其具体使用方法,比如在界面开发中各种布局的特点和使用技巧、蓝牙权限的声明、不同活动之间的数传输等。在此基础上研究MPAndroidChart图表库,此图表库可以以图形化的形式显示历史数据,再研究ListView布局则可以让历史数据以表格的形式显示。设计并实现智能环境监测系统app后,再研究app的功能是否符合要求,软件系统运行是否稳定、历史数据是否对应等。并对应用软件的数据进行准确性分析。

本系统中app软件主要完成对监测系统终端进行控制管理的功能,预期目标如下:该软件可根据用户需要向监测系统终端发送相关命令,比如测试此时的温度、湿度、二氧化碳浓度,并将实时数据显示出来,实现良好的即时的交互性。传感器启动后将数据传给微处理器,微处理器继续将信息数据借助蓝牙串口通信模块传输给Android手机端。手机移动端的app对终端发送的数据进行存储、分析、显示。软件可根据使用者不同的要求进行图形显示或表格显示等,具备一定的统计意义。

1.4 本章小结

本章首先讲解了智能环境监测系统app软件的设计这个课题的背景以及其实现的意义。在信息化社会这个大背景下,这个课题迎合了社会的需要。再结合国内外的发展情况,说明了这个课题有关的国内外的发展现状。国内外的研究都在不断进步和革新,随着无线通信技术的发展而发展。在此基础上,验证了此课题的可行性和实用性。最后提出了本课题的研究内容和预期的目标。

第2章 安卓客户端应用软件的设计及关键技术

本系统中安卓客户端应用软件的设计方案有两种。

方案一利用ZigBee无线通信技术和C/S模式获取数据,用SQLite数据库进行数据存储,该方案的整体结构图如图3.1所示。用CC2530单片机作为微处理器,CC2530单片机结合了ZigBee协议栈,给开发者提供了一套完整和强大的解决方案[3]。通过各类传感器所测得的数据将经过CC2530处理,并将该CC2530作为一个子节点。子节点经过射频模块将处理好的数据发送给主节点。主节点与服务器通过串口连接,服务器获取数据后,通过C/S模式、TCP/IP协议、Scoket套接字与手机客户端通信,手机客户端可以接收服务器数据,也可以发送控制命令给服务器。

手机客户端将基于Android平台开发一款智能环境监测系统app软件,客户端通过与服务器通信接收各个环境监测对象的数据后,客户端app把数据进行显示、分析和存储。其中存储方式采用SQLite数据库存储。

图2.1 方案一结构图

方案二利用低功耗蓝牙技术进行无线通信,用SharedPreference进行数据存储,整体结构图如图2.2所示。由结构图可知,各传感器将数据发送给微处理器处理,微处理器添加的蓝牙设备将会把数据直接无线发送给手机客户端,手机客户端同样可以直接发送控制命令给下位机的蓝牙设备。这是基于手机客户端是以Android为开发平台,Android平台的蓝牙模块提供了很多访问蓝牙的API,开发者可以利用Android平台提供的蓝牙API对下位机的蓝牙设备进行访问和通信。

图2.2 方案二结构图

由以上两种方案,可以看到两种方案的明显的不同之处,以下比较不同技术的优缺点。 (1)ZigBee无线通信技术和蓝牙无线通信技术

蓝牙技术起步早于ZigBee技术,技术更加成熟。随着蓝牙4.0的风靡,蓝牙技术应用越来越广泛,在智能家居领域也有涉足。虽然ZigBee技术的使用起来耗更低、传输距离更远还有明显的组网优势,但是基于Android的智能手机相当普及和低功耗蓝牙的成熟,人们更愿意选择直接利用手边的智能手机获取消息,相比利用ZigBee技术更加便捷,更加符合现代人们的生活特点。蓝牙在遇到干扰时还会进入自动跳频模式,而ZigBee不行[4]。ZIgBee技术的自组网优势更适合于需要大量监测点的场合,而日常家居生活使用蓝牙技术更加便捷[5]

(2)SQLite数据库和SharedPreference

SharedPreference实质上是一个XML文件,数据以键值对的格式进行存储[6]。SharedPreference与SQLite数据库相比,不需要建表格和建数据库等一些操作,使用起来更加简单方便,并且也和数据库一样,有对数据存储、修改、删除的基本功能,缺点是不能根据条件进行查询,且存储的数据类型也有限。本次app软件设计由于只需要存储数量固定且少量的数据,不需要进行查询,数据类型也是SharedPreference存储方式所支持的,所以本次设计选择更加容易操作的SharedPreference作为存储数据的方式。

经比较,选择方案二作为智能环境监测系统app软件设计的实现方案。以下根据方案二的设计思想对安卓客户端应用软件所涉及到的关键技术进行介绍。

2.1 Android操作系统

2.1.1 Android系统概述

Android原来的含义是指“机器人”,是Google的开源手机操作系统,基于2007年推出的Linux平台,主要用于便携设备[7]。 Android平台是由中间件,操作系统,用户界面和应用软件组成[8]。目前最新版本为Android8.0。

随着安卓4.4的诞生和发展,Android系统的开发和应用越来越广泛,并且发展很快。版本更新速度非常快。目前,它已经占据了全球智能手机操作系统市场的80%以上[9]。谷歌对Android的命名方式是使用甜点名称作为他们的系统版本的代号。当Android 1.5版本发布时,这个命名方法就开始了。目前,使用棉花糖(安卓6.0)是的用户最常见的,在所有Android版本中占有最大的份额。Android 6.0于2015年在谷歌新闻发布会上正式给予发布[7],本次智能环境监测系统所使用的Android版本即是棉花糖。

2.1.2 Android体系结构

作为移动设备的系统平台,Android采用了层次间功能结构明确的软件堆层体系结构。从下层到上层的四层分别为:Linux内核层、系统运行库层、应用程序框架,应用程序[7]。如图2.3所示。

图2.3 Android体系架构

Linux内核层:底层是基于Linux核心,由c语言开发的,Linux是一个开放的操作系统。它只提供基本功能。它可以提供:安全机制,进程管理,内存管理,网络协议栈和驱动程序等[7]。 .与移动设备关联的主要驱动程序是有:显示、闪存、相机、音频和WiFi驱动,键盘、蓝牙驱动,Binder IPC和电源管理[10]

系统运行库层:本层包括两部分,库文件和Android运行环境。相当于一般嵌入式系统的中间件层。其中包含的库有:C库、多媒体框架、SGL、SSL、OpenGLES、SQLite、WebKit、FreeType。Android的各种库与移动设备的应用密切相关[10]

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