基于Arduino的智能環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

渠 淼，牛國鋒，冒張霄，孫丹丹

（常熟理工學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500）

0 引言

近兩年，工業(yè)化進(jìn)程的日益發(fā)展導(dǎo)致環(huán)境污染問題日益突出，隨著環(huán)境狀況的不斷惡化，各地霧霾天氣日益嚴(yán)重，已經(jīng)影響到了人們的正常出行、生活以及健康，因此人們掌握了解自身所處周邊環(huán)境狀況信息的需求越來越迫切。伴隨著當(dāng)前移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，3G、WiFi、GPRS等無線通信方式的實(shí)現(xiàn)和廣泛應(yīng)用，都為實(shí)時(shí)環(huán)境狀況監(jiān)測提供了條件，人們可以隨時(shí)隨地了解自己所處的環(huán)境狀況信息，為出行和生活提供便捷服務(wù)，為尋求更加健康的環(huán)境提供依據(jù)。本文主要研究利用現(xiàn)有的成熟傳感技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)獲取環(huán)境狀況信息，這種實(shí)現(xiàn)方法簡單快速，成本低廉，具有很高的實(shí)用性。

Arduino是近年來快速流行起來的一種控制器，它是一個(gè)硬件平臺，使用的核心是一個(gè)AVR芯片，整塊控制板類似于單片機(jī)開發(fā)板，但是在功能上強(qiáng)大了很多。本文基于Arduino平臺設(shè)計(jì)一個(gè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，用來檢測一天中溫度、濕度、光照以及噪音變化情況，并將數(shù)據(jù)寫入SD卡中進(jìn)行分析，具有很高的實(shí)用性。

1 Arduino UNO主控板及傳感器

Arduino是一款便捷靈活、方便開發(fā)者使用和上手的開源電子原型平臺，包含各種型號的Arduino板及擴(kuò)展板硬件資源和Arduino IDE軟件資源。Arduino不僅僅是全球最流行的開源硬件，也是一個(gè)優(yōu)秀的硬件開發(fā)平臺，更是當(dāng)前硬件開發(fā)的趨勢。

本設(shè)計(jì)主要采用Arduino UNO主控板、DHT11溫濕度傳感器模塊、光照強(qiáng)度傳感器以及聲音傳感器，外接SD卡進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲。

1.1 Arduino UNO主控板及擴(kuò)展板

Arduino由一個(gè)基于Atmel AVR單片機(jī)的開放源碼的硬件平臺和一套專門的開發(fā)環(huán)境組成。Arduino UNO[1]是目前使用最廣泛的Arduino控制器，具有Arduino的所有基本功能。UNO的處理器核心是ATmega328，它包括14路數(shù)字輸入/輸出接口 （其中6路可作為PWM輸出，6路模擬輸入），一個(gè)16 MHz晶體振蕩器，一個(gè)USB接口，一個(gè)電源插座，一個(gè)ICSP接口和一個(gè)復(fù)位按鈕，其結(jié)構(gòu)和引腳電路如圖1所示[2]。在掌握了Arduino UNO開發(fā)技術(shù)以后，就可以將自己編寫的代碼輕松地移植到其他型號的控制器上，可以用來開發(fā)交互產(chǎn)品，比如可以讀取大量的開關(guān)和傳感器信號，并且可以控制各式各樣的電燈、電機(jī)和其他物理電子設(shè)備等。

圖1 Arduino UNO控制器結(jié)構(gòu)及引腳功能圖

1.2 DHT11溫濕度監(jiān)測模塊

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，它采用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保該傳感器模塊具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性能[3]。DHT11采用單總線方式與Arduino進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，單線制串行接口使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。該傳感器體積超小、功耗極低，信號傳輸距離可達(dá)20 m以上，同時(shí)具有精度準(zhǔn)確、讀取靈敏等優(yōu)點(diǎn)，使其成為各類應(yīng)用甚至最為苛刻應(yīng)用場合的最佳選擇。DHT11數(shù)字溫濕度傳感器可以測出實(shí)時(shí)的環(huán)境溫度和相對濕度，溫度范圍為0～50℃，溫度的檢測精度為1℃；它的相對濕度范圍為20%RH～90%RH，檢測精度為1%RH，兩次讀取傳感器數(shù)據(jù)的時(shí)間采樣周期間隔不低于1 s[4]。

傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接，因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、響應(yīng)超快、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。每個(gè)DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測型號的處理過程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。

1.3 光敏強(qiáng)度傳感器

熱敏模塊用于溫度檢測，對所處環(huán)境的溫度進(jìn)行檢測，采用NTC 10 kΩ熱敏電阻，靈敏度好，當(dāng)溫度升高時(shí)，電阻值會隨之降低，模擬值輸出為0～1 023，結(jié)合Arduino的傳感器擴(kuò)展板用模擬口便可以讀取模擬值。

光敏電阻器是利用半導(dǎo)體的光電導(dǎo)效應(yīng)制成的一種電阻值隨入射光的強(qiáng)弱而改變的電阻器，又稱為光電導(dǎo)探測器。當(dāng)入射光強(qiáng)時(shí)電阻減小，入射光弱時(shí)電阻增大。光敏電阻器可用來對周圍環(huán)境光的強(qiáng)度進(jìn)行檢測，結(jié)合Arduino控制器可實(shí)現(xiàn)光的測量，可通過3P傳感器連接線與Arduino專用傳感器擴(kuò)展板結(jié)合使用。

1.4 聲音傳感器

模擬聲音傳感器聲音模塊對環(huán)境聲音強(qiáng)度最敏感，一般用來檢測周圍環(huán)境的聲音強(qiáng)度。該傳感器在環(huán)境聲音強(qiáng)度達(dá)不到設(shè)定閾值時(shí)輸出高電平，當(dāng)外界環(huán)境聲音強(qiáng)度超過設(shè)定閾值時(shí)輸出低電平；小板數(shù)字量輸出可以與單片機(jī)直接相連，通過單片機(jī)來檢測高低電平，由此來檢測環(huán)境的聲音；小板數(shù)字量輸出可以直接驅(qū)動(dòng)繼電器模塊，由此可以組成一個(gè)聲控開關(guān)，可以使用它制作聲控開關(guān)等。此傳感器只能根據(jù)震動(dòng)原理識別聲音的有無，不能識別聲音的大小或者特定頻率的聲音，其靈敏度可通過數(shù)字電位器調(diào)節(jié)。Arduino可以通過模擬輸入接口對其輸出信號進(jìn)行采集。

2 硬件設(shè)計(jì)

溫度、濕度、光照和聲音傳感器采集到的都是模擬信號，需要從模擬量轉(zhuǎn)換到數(shù)字量，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)字式輸出。各個(gè)傳感器與Arduino連接也非常方便，只需將其輸出端接到Arduino相應(yīng)的數(shù)字引腳；也可以采用Arduino傳感器擴(kuò)展板，將傳感器的輸出端直接連在擴(kuò)展板上。硬件連接示意圖如圖2所示。

圖2 硬件連接示意圖

將DHT11溫濕度模塊的VCC、GND、DOUT引腳分別接至Arduino UNO控制板上的+5 V、GND、數(shù)字端口2，還需要在VCC與DOUT之間串聯(lián)一個(gè)5 kΩ的上拉電阻。將光敏傳感器的VCC、GND、DOUT引腳分別接至Arduino UNO控制板上的+5 V、GND、模擬引腳端口A0。將聲音傳感器VCC、GND、DOUT引腳分別接至Arduino UNO控制板上的+5 V、GND、模擬引腳端口A1。將SD卡模塊VCC、GND引腳分別接至Arduino UNO控制板上的+5 V和GND，MISO、MOSI、SCLK、CS 4個(gè)引腳分別連接控制板上的10、11、12、13端口。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 Arduino IDE

Arduino IDE是一個(gè)專門用來編寫Arduino程序的軟件，將程序編寫好后，就可以通過此軟件上傳程序到Arduino開發(fā)板中執(zhí)行。AVR單片機(jī)中的程序是使用Arduino庫寫成的，Arduino的集成開發(fā)環(huán)境使用起來簡單方便，簡化了單片機(jī)工作的流程，對AVR庫進(jìn)行了二次編譯封裝，把端口都打包好了，寄存器、地址指針之類的基本不用管，大大降低了軟件開發(fā)難度。

在計(jì)算機(jī)端安裝好Arduino IDE軟件開發(fā)環(huán)境后，使用USB線將Arduino UNO連接至計(jì)算機(jī)的USB端口為控制板供電，即可進(jìn)行程序的編寫、下載和調(diào)試[5]。

3.2 實(shí)現(xiàn)程序

3.3 數(shù)據(jù)導(dǎo)出并繪制圖表分析

連接的SD卡記錄到不同傳感器的數(shù)據(jù)后，通過計(jì)算機(jī)打開SD卡，可以看到名為datalog.txt的文件，這就是數(shù)據(jù)記錄器所采集到的數(shù)據(jù)環(huán)境。分析數(shù)據(jù)并繪制圖表的方法很多，可以采用很多專業(yè)的軟件完成。本設(shè)計(jì)只需要做一些簡單的數(shù)據(jù)分析，因此在Excel中即可完成。

將SD卡中數(shù)據(jù)記錄器記錄的文本數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Excel中，導(dǎo)入方法如下[6]：

（1）首先在EXCEL中選擇“文件”→“打開”菜單項(xiàng)，會彈出打開文件窗口，在打開的窗口中將打開文件類型選擇為“所有文件（*.*）”，然后打開需要導(dǎo)入的文件并打開；

（2）單擊 “打開”按鈕后，會彈出文本導(dǎo)入向?qū)?，Excel會對文本進(jìn)行分行處理和分列處理；

（3）被導(dǎo)入的文本按行和列分好后，選擇其中的一列數(shù)據(jù)（即某一傳感器的數(shù)據(jù)），根據(jù)數(shù)據(jù)選擇生成相應(yīng)形式的數(shù)據(jù)折線圖，顯示數(shù)據(jù)的變化情況。

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)利用DHT11溫濕度傳感器、光敏傳感器、聲音傳感器組成了環(huán)境監(jiān)測的基本因素，實(shí)現(xiàn)了對溫濕度、環(huán)境光以及噪音的快捷實(shí)時(shí)檢測，可以方便地掌握自己身處的環(huán)境情況。本設(shè)計(jì)具有價(jià)格低廉、輕便簡潔、便于攜帶等特點(diǎn)，可適用于計(jì)算機(jī)機(jī)房、圖書館、儲存糧倉、溫室大棚測溫、空調(diào)室溫控制等對環(huán)境較為敏感和對溫度控制要求較高的場所[7]。除此以外，本設(shè)計(jì)應(yīng)用領(lǐng)域也比較廣泛，包括暖通空調(diào)測試及檢測設(shè)備、汽車、數(shù)據(jù)記錄器、消費(fèi)品、自動(dòng)控制、氣象站、家電濕度調(diào)節(jié)器、醫(yī)療除濕器等。在不久的將來，隨著無線傳感器技術(shù)ZigBee模塊的日趨成熟，無線網(wǎng)絡(luò)傳感器被良好地應(yīng)用于此設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間信息更加便捷地傳輸與通信，對環(huán)境狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測將更加方便、及時(shí)和有效[8]。

[1]蔡睿妍.Arduino的原理及應(yīng)用[J]．電子設(shè)計(jì)工程，2012，20（16）：155-157．

[2]Arduino UNO管腳標(biāo)注[EB/OL].[2011-10-28].http：//my.oschina.net/jingshishengxu/blog/34134．

[3]沈金鑫.Arduino與LabVIEW開發(fā)實(shí)戰(zhàn)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

[4]成都智能盒子科技有限公司.DHT 11數(shù)字溫濕度傳感器[EB/OL]（2014-06-30）.http：//x.openjumper.com/dht11.2012.

[5]陳呂洲．Arduino程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M]．北京：航空航天大學(xué)出版社，2014．

[6]陳呂洲．Arduino程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M]．北京：航空航天大學(xué)出版社，2013．

[7]袁本華，董錚．基于Arduino控制板的溫室大棚測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，40（8）：5049－5050．

[8]王立巖，楊世鳳．基于ZigBee技術(shù)的溫室環(huán)境檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．天津科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，26（1），60-63．