基于Arduino的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

陳合軍

（荊州市機(jī)械電子工業(yè)學(xué)校 湖北省荊州市 434000）

空氣是人類生存環(huán)境的重要組成部分,也是人類發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)[1]。隨著社會的快速發(fā)展，一些可燃?xì)怏w在工業(yè)和家庭中應(yīng)用日益廣泛。為人們帶來方便的同時，也帶來了威脅。越來越多的人對周圍環(huán)境的質(zhì)量有了更高要求，我們必須對居住環(huán)境中的CO 濃度，房間溫濕度實施科學(xué)監(jiān)控。

1 研究內(nèi)容

環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)分兩部分，對硬件平臺的搭建和軟件模塊的設(shè)計。硬件以Arduino 開發(fā)板為核心，由一氧化碳傳感器，溫濕度傳感器，藍(lán)牙模塊等部分組成[2]。軟件模塊使用Arduino IDE 編程，通過串口與PC 進(jìn)行通訊。

2 硬件搭建

2.1 Arduino開發(fā)板

如圖1 所示。

它有14 個數(shù)字輸入/輸出引腳，6 個模擬輸入引腳，一個16 MHz 的晶體振蕩器， USB 接口以及一個復(fù)位按鈕等。

Arduino UNO 有4 個LED 指示燈，其功能如下：

ON: 電源指示燈。TX: 串口發(fā)送指示燈。RX: 串口接收指示燈。L：可編程控制指示燈。

ATmega328 提供了電壓為5V 串口通信，分別位于RX 和TX引腳上。Arduino IDE 軟件有串口監(jiān)視器的功能，可以用它接收從Arduino 傳送過來的數(shù)據(jù)[3]。

2.2 溫濕度傳感器模塊

DHT11 溫濕度傳感器能測量的溫度范圍在0 ～50℃之間。它采用數(shù)字模塊采集技術(shù)，且包含了一個感濕元件和一個測溫元件，這充分地提高了DHT11 溫濕度傳感器的可靠性和穩(wěn)定性，使它能有效的抵抗外部干擾價格便宜實惠，對溫濕度的測量也很快速。為了確保DHT11 溫濕度傳感器的品質(zhì)，一般會在濕度校驗室中進(jìn)行實驗校準(zhǔn)，校準(zhǔn)系數(shù)則會以程序的形式存在，其主要是應(yīng)用于傳感器內(nèi)部檢測信號的處理過程，使傳感器檢測工作變得清晰明了不那么繁瑣。對溫度和濕度的檢測很敏感。溫濕度傳感器體積小、低功耗的優(yōu)點使其廣泛的應(yīng)用于各類場合。

傳感器的接口說明：對于上拉電阻的選用，當(dāng)連接長度不超過20 米時用5K 的，連接方式如圖2 所示。

DHT11 溫濕度傳感器的供電電壓一般在3-5.5V 之間。待傳感器通電后，要等待1 秒鐘不要發(fā)送指令，使其達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，為了去除耦濾波，可在電源和地之間連接一個100nF 的電容。

圖1：Arduino UNO 開發(fā)板

圖2：典型應(yīng)用電路

一般使用單總線數(shù)據(jù)的格式來進(jìn)行單片機(jī)與DHT11 溫濕度傳感器間的通訊與同步，整個數(shù)據(jù)又分為整數(shù)和小數(shù)部分，大概4ms完整地通訊一次。

按照高位優(yōu)先輸出的原則，一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為40bit。

在單總線數(shù)據(jù)格式下，當(dāng)校驗和等于8bit 溫度和濕度的整數(shù)加小數(shù)部分?jǐn)?shù)據(jù)所得結(jié)果的后8 位時，說明數(shù)據(jù)傳輸是正確的。

當(dāng)用戶發(fā)送信號時，值得注意的是，溫濕度傳感器在主句發(fā)送開始信號結(jié)束后才會進(jìn)行信號采集，且這時為高速模式，當(dāng)全部的采集工作完成后轉(zhuǎn)變?yōu)榈退倌Ｊ健?/p>

其通訊過程如圖3 所示。

由圖3 可知，總線處于空閑狀態(tài)，表現(xiàn)為高電平，為了使DHT11 溫濕度傳感器得到響應(yīng),主機(jī)會將總線拉低，為了確保開始信號能得到接收，DHT11 拉低的時間要稍長一些。當(dāng)其成功接收到開始信號后，還需發(fā)送相應(yīng)的低電平信號。等侯一段時間后，DHT11 的響應(yīng)信號就能正確的顯示出來。

DHT11 溫濕度傳感器的原理圖如圖4 所示，其采樣周期要大于1 秒。

2.3 CO傳感器模塊

表1：產(chǎn)品選型

圖3：通訊過程

圖4：DHT11 原理圖

圖5：HC-6 藍(lán)牙模塊

傳感器的選擇如表1 所示。

比較表1，選擇MQ-7 傳感器，MQ-7 中有一種特殊的材質(zhì)，當(dāng)空氣中存在一氧化碳?xì)怏w時，它會產(chǎn)生一定的電導(dǎo)率，使傳感器做出反應(yīng)，顯示較高的一氧化碳濃度數(shù)值，但在空氣清新的環(huán)境中會很穩(wěn)定。MQ-7 對一氧化碳的靈敏度很高，且能抵抗水蒸氣、汽油、煙霧等干擾。

MQ-7 傳感器模塊，其特點主要有：可直接連接單片機(jī)；輸出電壓范圍在0-5V之間；檢測CO濃度越高，輸出電壓越大，快速有效；有四個螺絲孔便于定位；使用壽命長，可靠穩(wěn)定；有快速的響應(yīng)恢復(fù)特性。

有一個地方需要強(qiáng)調(diào)的是，Arduino 開發(fā)板通電后，剛開始CO傳感器顯示的數(shù)值不是很準(zhǔn)確，會偏高，一般要等待幾十秒鐘之后，數(shù)值會漸漸正常。還有就是CO 傳感器因為有電熱絲在里面，所以使用過程中有正常的發(fā)熱現(xiàn)象。

2.4 藍(lán)牙模塊

本設(shè)計選用的是HC-6 藍(lán)牙模塊，如圖5。HC-6 藍(lán)牙串口通信模塊，在10 米左右的范圍內(nèi)都能夠檢測到信號進(jìn)行通信。且支持AT 指令，使用者可根據(jù)自身需要設(shè)置參數(shù)、串口波特率等。

在手機(jī)上安裝一個串口助手，HC-6 就可以與手機(jī)自帶的藍(lán)牙進(jìn)行通訊，配對密碼為“1234”，波特率為9600，也可以借助藍(lán)牙虛擬串口與電腦相連。

3 硬件調(diào)試

所需硬件有Arduino uno 核心板一個、DHT11 溫濕度傳感器、一氧化碳傳感器、藍(lán)牙、4.7k 色環(huán)電阻一個、杜邦線10 根，以及pc 機(jī)一臺，智能手機(jī)一部。以家庭或室內(nèi)為模擬監(jiān)測環(huán)境。

然后連接電路，對硬件進(jìn)行檢查。首先要看各個模塊的引腳，Arduino 主板和傳感器的電源和地線的連接是否正確，不要出現(xiàn)漏接或者接錯的情況，嚴(yán)重的將會導(dǎo)致電路元器件的短路燒壞等情況。檢查完成后對Arduino 板進(jìn)行通電，可用+5V 的手機(jī)充電器供電，可以用可以用USB 轉(zhuǎn)串口線連接電腦供電。

通電后看Arduino 主板以及各個模塊的指示燈是否是亮的，是亮的就說明它們工作正常。通電一段時間后，元件發(fā)熱是正常的，需要特別注意觀察主控板和各個模塊是否過于發(fā)熱，或者冒煙的現(xiàn)象，若出現(xiàn)這種情況，應(yīng)當(dāng)立即斷開電源，對損壞的硬件進(jìn)行修復(fù)。通電后指示燈亮表示正常工作。

4 總結(jié)

本文對環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的主要概念做了大致的闡述，結(jié)合目前大部分人所處的家庭或周圍的環(huán)境，確定了設(shè)計環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的必要性，該系統(tǒng)會有較大的發(fā)展空間。