监测控制系统设计(ESP8266与自行开发APP通信)

1.方案设计

1.1需求分析

1.1.1性能性要求

1.环境监测

实时准确地采集和监测室内外的温度、湿度等环境参数。

能够对不同区域（如办公区、休息区、机房等）进行独立监测。

2.安全防范

集成火灾报警系统，实时监测烟雾、温度等火灾特征参数，并及时发出警报。

1.1.2性能需求

1.数据准确性

传感器采集的数据误差应控制在规定范围内，确保监测结果的可靠性。

2.响应及时性

系统对设备状态变化和环境参数异常的响应时间应小于一定阈值，以便及时采取措施。

3.稳定性

系统应能够长时间稳定运行，具备容错和故障恢复能力，确保不间断的监测和控制服务。

4.扩展性

系统应易于扩展新的监测点和控制设备，以适应未来楼宇功能的变化和升级需求。

1.2具体方案设计

1.2.1传感器选择与布局

1.温度传感器

采用高精度的热敏电阻或热电偶温度传感器。

安装在易发生火灾的部位，如电气设备附近、厨房、机房等，以及重要的通道和公共区域。

2.火焰传感器

选择能够快速响应火焰光谱的传感器。

安装在视野开阔的位置，如大厅、天台等。

2.2.2数据采集与传输

1.采集频率

设定传感器的数据采集频率，确保及时发现火灾迹象。一般情况下，每 1 - 5 秒钟采集一次数据。

2.传输方式

采用有线（如 RS485 总线、以太网）或无线（如 Zigbee、LoRa）通信方式，将传感器数据传输至中央控制单元。

2.2.3中央控制单元

1.数据处理

接收和分析来自各个传感器的实时数据，运用算法判断是否存在火灾风险。

2.预警级别设定

设定不同的预警级别，如轻度预警（可能存在隐患）、中度预警（火灾可能性较大）和重度预警（确认火灾发生）。

2.硬件设计

2.1主控模块设计

2.1.1ESP8266 芯片特性

ESP8266芯片如图1-1所示。

图 1-1 ESP8266芯片

ESP8266 是一款低功耗、高性能的 Wi-Fi 芯片，具有以下特点：

内置 TCP/IP 协议栈，支持 Wi-Fi 连接，方便与云平台或本地网络进行通信。

具有多个通用输入输出（GPIO）引脚，可用于连接各种传感器和执行器。

低功耗运行模式，适合电池供电的应用场景。

2.1.2硬件接口设计

1.电源接口

为 ESP8266 提供稳定的 3.3V 电源。

2.传感器接口

使用 GPIO 引脚连接温湿度传感器（如 DHT11 ）、烟雾传感器（如 MQ-2 ）等，通过模拟输入或数字输入方式获取传感器数据。

3.执行器接口

通过 GPIO 引脚控制继电器、电机驱动器等执行器，实现对设备的控制。

4.通信接口

利用 UART 接口与其他串行设备进行通信，如蓝牙模块、GSM 模块等。

2.1.3软件编程

1.开发环境

使用 Arduino IDE开发环境进行编程。

2.Wi-Fi 连接配置

编写代码设置 ESP8266 连接到本地 Wi-Fi 网络，并获取 IP 地址。

3.传感器数据采集

读取连接的传感器数据，并进行数据处理和转换。

4.数据上传与控制指令接收

通过 Wi-Fi 向服务器上传传感器数据，同时接收来自服务器或手机 APP 的控制指令。

2.1.4系统稳定性与可靠性设计

1.电源滤波

为 ESP8266 电源添加滤波电容，减少电源噪声对芯片的影响。

2.硬件复位电路

设计硬件复位电路，确保在系统异常时能够可靠复位。

3.软件容错处理

在程序中添加异常处理代码，对传感器数据异常、通信故障等情况进行处理，保证系统的稳定性。

例如，在一个智能办公室的监测系统中，ESP8266 通过 GPIO 读取 DHT11 传感器的温湿度数据，每隔一定时间将数据通过 Wi-Fi 上传到服务器。当服务器发送控制指令（如调节空调温度）时，ESP8266 接收到指令后通过 GPIO 控制相应的继电器来实现控制操作。

2.2传感器模块设计

2.2.1温湿度传感器（DHT11）模块设计

温湿度传感器（DHT11）如图2-1所示。

图 2-1 温湿度传感器（DHT11）

1.接口连接

DHT11 通常使用单总线与主控模块通信。将 DHT11 的数据引脚连接到 ESP8266 的一个 GPIO 引脚。

2.供电

DHT11 工作电压为 3.3V - 5.5V ，可直接由 ESP8266 的 3.3V 电源引脚供电。

3.数据读取

通过编程实现按照 DHT11 的通信协议读取温湿度数据。

2.2.2烟感传感器（MQ-2）模块设计

烟感传感器（MQ-2）如图2-2所示。

图 2-2 烟感传感器（MQ-2）

1.接口连接

MQ-2 的输出通常是模拟电压信号。将其输出引脚连接到 ESP8266 的 ADC （模拟数字转换）引脚。

2.供电

为 MQ-2 提供 5V 电源。

3.数据处理

通过 ESP8266 的 ADC 功能将模拟电压转换为数字值，并根据预先校准的曲线或公式计算烟雾浓度。

2.2.3有源蜂鸣器模块设计

有源蜂鸣器如图2-3所示。

图 2-3 有源蜂鸣器

1.接口连接

有源蜂鸣器的正极连接到 ESP8266 的一个 GPIO 引脚，负极接地。

2.驱动方式

通过控制 GPIO 引脚的高低电平来驱动蜂鸣器发声。

2.2.4三线火焰传感器模块设计

三线火焰传感器如图2-4所示。

1.接口连接

三线火焰传感器一般包括电源正、电源负和信号输出线。电源正接 5V ，电源负接地，信号输出线连接到 ESP8266 的 GPIO 引脚。

2.数据处理

当检测到火焰时，传感器输出高电平或低电平信号，通过读取 GPIO 引脚的状态来判断火焰情况。

图 2-4 三线火焰传感器

例如，在一个智能楼宇的走廊中，DHT11 实时监测温湿度，MQ-2 检测烟雾，当烟雾浓度超过阈值或者火焰传感器检测到火焰时，ESP8266 控制有源蜂鸣器发出警报声，提醒人员注意。

通过以上的设计，可以有效地将这些传感器集成到智能楼宇监测控制系统中，实现对环境的实时监测和预警功能。

3.软件设计

3.1.项目相关软件

3.1.1.Arduino IDE

使用 Arduino IDE 与 ESP8266 和传感器通信：

1.安装 Arduino IDE 并添加 ESP8266 支持库：

打开 Arduino IDE，通过“首选项”添加 ESP8266 开发板的 URL ，然后在“工具”>“开发板”中选择合适的 ESP8266 板型。

2.编写代码：

使用 Arduino 编程语言编写控制 ESP8266 和传感器的代码。例如，配置 GPIO 引脚以读取烟雾和火焰传感器的状态，控制蜂鸣器的发声。

3.上传代码到 ESP8266：

通过 USB 数据线将 ESP8266 连接到计算机，选择正确的端口，然后将编写好的代码上传到芯片。

3.1.2Android studio

使用 Android Studio 与 ESP8266 通信（通常通过网络）：

1.开发 Android 应用界面：

使用 Android Studio 的布局编辑器设计应用的用户界面。

2.网络通信编程：

在 Android 应用中，使用网络编程技术（如 HTTP 请求、TCP/IP 套接字等）与 ESP8266 建立通信。ESP8266 可以作为服务器端，Android 应用作为客户端发送请求获取传感器数据或发送控制指令。

3.数据处理和显示：

接收到来自 ESP8266 的传感器数据后，在 Android 应用中进行处理和显示，例如在界面上显示烟雾浓度、火焰检测状态等。

例如，ESP8266 读取烟雾传感器的数据，通过 Wi-Fi 网络将数据发送到 Android 应用，应用根据数据决定是否在界面上显示警报信息并采取相应的操作。同时，Android 应用也可以向 ESP8266 发送指令，控制蜂鸣器的开关。

通过这样的方式，将 Arduino IDE 用于底层的硬件控制和数据采集，Android Studio 用于开发用户友好的移动端应用，实现对 ESP8266 及相关传感器的全面控制和监控。

3.2主程序设计

void loop() {
  WiFiClient client = server.available();
  if (client) {
    while (client.connected()) {
      float humidity = dht.readHumidity();
      float temperature = dht.readTemperature();
      int smokeLevel = analogRead(MQ_PIN);
      int flameState = digitalRead(FLAMEPIN);
      Serial.print("湿度: ");
      Serial.print(humidity);
      Serial.print(" %\t");
      Serial.print("温度: ");
      Serial.print(temperature);
      Serial.println(" °C");
      Serial.print("烟雾: ");
      Serial.println(smokeLevel);
      Serial.print("火焰状态: ");
      Serial.println(flameState);
      // 发送数据到客户端
      client.println(String(temperature));
      client.println(String(humidity));
      client.println(String(flameState));
      client.println(String(smokeLevel));

      // 检测火焰和烟雾浓度
      if (flameState == HIGH || smokeLevel > 100) {
        digitalWrite(BUZZERPIN, HIGH); // 触发蜂鸣器
      } else {
        digitalWrite(BUZZERPIN, LOW);  // 停止蜂鸣器
      }

      delay(1000);
    }

    client.stop();
    Serial.println("Client disconnected");
  }
}

这段代码在 loop 函数中处理客户端连接，读取传感器数据，检查数据有效性，打印数据到串口，并将数据发送给客户端。

3.3.分程序设计

#include <ESP8266WiFi.h>
#include <DHT.h>

// 替换为你的WiFi网络的SSID和密码
const char* ssid = "damn";
const char* password = "12345678";
// DHT传感器设置
#define DHTPIN 2        // DHT11连接到ESP8266的GPIO2 (D4)
#define DHTTYPE DHT11   // 使用DHT11传感器
#define MQ_PIN A0       // MQ-2连接到模拟引脚A0
#define FLAMEPIN D1     // 火焰传感器连接的GPIO5 (D1)
#define BUZZERPIN D2    // 有源蜂鸣器连接的GPIO4 (D2)
DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE);
WiFiServer server(80);
void setup() {
  Serial.begin(115200);
  pinMode(FLAMEPIN, INPUT);
  pinMode(BUZZERPIN, OUTPUT);
  digitalWrite(BUZZERPIN, LOW);
  WiFi.begin(ssid, password);
  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
    delay(500);
    Serial.print(".");
  }
  Serial.println("");
  Serial.println("WiFi 连接");
  server.begin();
  Serial.println("服务启动");
  Serial.print("IP:");
  Serial.println(WiFi.localIP());
  dht.begin();
}

这段代码主要完成了 Wi-Fi 连接的设置、传感器引脚的配置、DHT 传感器和 Wi-Fi 服务器的初始化，并提供了连接状态和相关信息的打印输出。

4.4.用户界面设计

<?xml version="1.0" encoding="utf-8"?>
<LinearLayout xmlns:android="http://schemas.android.com/apk/res/android"
    xmlns:app="http://schemas.android.com/apk/res-auto"
    xmlns:tools="http://schemas.android.com/tools"
    android:layout_width="match_parent"
    android:layout_height="match_parent"
    android:orientation="vertical"
    tools:context=".MainActivity">
    <LinearLayout
        android:layout_width="match_parent"
        android:layout_height="wrap_content"
        android:orientation="horizontal"
        android:layout_marginTop="50dp"
        android:layout_marginLeft="30dp"
        android:layout_marginRight="30dp"
        >
        <TextView
            android:layout_width="wrap_content"
            android:layout_height="wrap_content"
            android:text="温度："
            android:textColor="#000000"
            android:textSize="20sp"
            android:textStyle="bold"
            />
        <TextView
            android:id="@+id/temperatureTextView"
            android:layout_width="match_parent"
            android:layout_height="wrap_content"
            android:textSize="30sp"
            />
    </LinearLayout>
    <LinearLayout
        android:layout_width="match_parent"
        android:layout_height="wrap_content"
        android:orientation="horizontal"
        android:layout_marginTop="30dp"
        android:layout_marginLeft="30dp"
        android:layout_marginRight="30dp"
        >
        <TextView
            android:layout_width="wrap_content"
            android:layout_height="wrap_content"
            android:text="湿度："
            android:textColor="#000000"
            android:textSize="20sp"
            android:textStyle="bold"
            />
        <TextView
            android:id="@+id/humidityTextView"
            android:layout_width="match_parent"
            android:layout_height="wrap_content"
            android:textSize="30sp"
            />
    </LinearLayout>
    <LinearLayout
        android:layout_width="match_parent"
        android:layout_height="wrap_content"
        android:orientation="horizontal"
        android:layout_marginTop="30dp"
        android:layout_marginLeft="30dp"
        android:layout_marginRight="30dp"
        >
        <TextView
            android:layout_width="wrap_content"
            android:layout_height="wrap_content"
            android:text="火焰："
            android:textColor="#000000"
            android:textSize="20sp"
            android:textStyle="bold"
            />
        <TextView
            android:id="@+id/flameStatusTextView"
            android:layout_width="match_parent"
            android:layout_height="wrap_content"
            android:textSize="30sp"
            />
    </LinearLayout>
<LinearLayout
        android:layout_width="match_parent"
        android:layout_height="wrap_content"
        android:orientation="horizontal"
        android:layout_marginTop="30dp"
        android:layout_marginLeft="30dp"
        android:layout_marginRight="30dp"
        >
        <TextView
            android:layout_width="wrap_content"
            android:layout_height="wrap_content"
            android:text="烟雾："
            android:textColor="#000000"
            android:textSize="20sp"
            android:textStyle="bold"
            />
        <TextView
            android:id="@+id/smokeStatusTextView"
            android:layout_width="match_parent"
            android:layout_height="wrap_content"
            android:textSize="30sp"
            />
    </LinearLayout>

</LinearLayout>

这是整个布局的根元素，是一个垂直方向的线性布局（LinearLayout）。xmlns:android、xmlns:app 和 xmlns:tools 分别定义了 Android 相关的命名空间。layout_width 为 match_parent 表示宽度填满父容器，layout_height 设为 match_parent 表示高度填满父容器orientation 为 vertical 表示内部子元素按垂直方向排列，tools:context=".MainActivity" 表示与 MainActivity 相关的上下文。

显示文本“温度：”的 TextView 控件。layout_width 设为 wrap_content 表示宽度根据文本内容自适应，layout_height 设为 wrap_content 表示高度根据文本内容自适应。text 定义了显示的文本，textColor 定义了文本颜色，textSize 定义了文本大小，textStyle 设为 bold 表示文本加粗。

这是一个显示文本“温度：”的 TextView 控件。layout_width 设为 wrap_content 表示宽度根据文本内容自适应，layout_height 设为 wrap_content 表示高度根据文本内容自适应。text 定义了显示的文本，textColor 定义了文本颜色，textSize 定义了文本大小，textStyle 设为 bold 表示文本加粗。

另一个 TextView 控件，用于显示温度的具体值。通过 android:id="@+id/temperatureTextView" 为其设置了一个唯一的标识符，方便在代码中对其进行操作。

两个线性布局及其中的 TextView 控件与上述类似，分别用于显示湿度和火焰的相关信息：

总体来说，这段代码定义了一个包含三个水平布局的垂直布局，每个水平布局都有一个标签文本（如“温度：”“湿度：”“火焰：”）和一个用于显示具体值的较大字体的 TextView 控件。

protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
        super.onCreate(savedInstanceState);
        setContentView(R.layout.activity_main);

        textViewTemperature = findViewById(R.id.temperatureTextView);
        textViewHumidity = findViewById(R.id.humidityTextView);
        flameStatusTextView=findViewById(R.id.flameStatusTextView);
        smokeStatusTextView=findViewById(R.id.smokeStatusTextView);

        // 启动后台线程来连接ESP8266并接收数据
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    socket = new Socket("192.168.61.189", 80);  // 替换为ESP8266的IP地址
                    //printWriter = new PrintWriter(socket.getOutputStream(), true);

                    while (true) {
                        // 发送请求，获取温湿度数据
                        //printWriter.println("get_data");
                        BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
                        final String temperature = in.readLine();
                        final String humidity = in.readLine();
                        final String flamestatus=in.readLine();
                        final String smoke=in.readLine();

                        // 更新UI显示温湿度数据
                        handler.post(new Runnable() {
                            @Override
                            public void run() {
                                if (temperature!=null&&humidity!=null&&flamestatus!=null&&smoke!=null) {
                                    textViewTemperature.setText("Temperature: " + temperature + " °C");
                                    textViewHumidity.setText("Humidity: " + humidity + " %");
                                    flameStatusTextView.setText("Flamestatus:"+flamestatus);
                                    smokeStatusTextView.setText("smokevalue:"+smoke);
                                }else {
                                    textViewTemperature.setText("异常");
                                    textViewHumidity.setText("异常");
                                    flameStatusTextView.setText("异常");
                                    smokeStatusTextView.setText("异常");
                                }
                            }
                        });
                        // 每隔1秒更新一次
                        Thread.sleep(1000);
                    }
                } catch (IOException | InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    try {
                        if (socket != null) {
                            socket.close();
                        }
                    } catch (IOException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        }).start();
    }
}

4.系统组装与测试

4.1实物展示

4.1.1实物连接图

实物连接图如图3-1所示。

图3-1 实物连接

4.1.2原理图

原理图如图3-2所示。

图3-2 原理图

4.1.3.PCB封装图

PCB封装如图3-3所示。

图3-3 PCB封装图系统测试

4.2.功能测试

4.2.1功能测试

如图3-4所示。

图3-4 功能测试展示

4.2.2.测试结果

测试结果如图3-5所示。

图3-5 测试结果展示

4.2.3结构分析与改进

1.结构分析：

（1）主控模块 ESP8266：ESP8266 虽然能作为核心控制单元协调各项工作，但在处理复杂数据和多任务时出现延迟，这可能影响系统的实时性和响应速度。例如，在需要同时处理多个传感器数据并进行快速通信的场景下，可能会出现数据处理不及时的情况。

（2）温湿度传感器 DHT11：DHT11 能测量环境温湿度，然而精度有限。在对温湿度精度要求较高的特定环境，如精密仪器存放室或医疗环境中，其测量结果可能不够准确。

（3）烟感 MQ-2：MQ-2 烟感传感器对于某些特定类型的烟雾或浓度范围可能检测不够灵敏或准确，需要根据实际应用场景进一步评估其性能。

（4）有源蜂鸣器：有源蜂鸣器的声音音量和频率特性可能在某些情况下无法满足警示需求，比如在嘈杂环境中可能不够响亮。

2.改进措施：

（1）对于主控模块 ESP8266，可升级为性能更强的 ESP32 或其他更高级的主控芯片，以增强系统的处理能力和响应速度。比如，在智能家居系统中，ESP32 能更迅速地处理多个设备的指令和数据，提升用户体验。

（2）针对温湿度测量精度问题，若项目对精度有更高要求，可将 DHT11 替换为精度更高的 DHT22 或 SHT31 等专业传感器。以农业温室环境监测为例，高精度的温湿度传感器能更精准地指导灌溉和温度调节。

（3）对于烟感 MQ-2，如果检测精度不满足要求，可以考虑使用更灵敏和准确的烟感传感器，如 MQ-135 或其他针对特定烟雾类型优化的传感器。

（4）为改善有源蜂鸣器的警示效果，可选择音量更大、频率范围更广的蜂鸣器，或者结合其他警示方式，如灯光闪烁，以确保在各种环境中都能有效提醒。