基于Arduino與OneNET的家居環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊蕓

摘 要：考慮到智能家居市場(chǎng)發(fā)展前景廣闊，文中設(shè)計(jì)了一款家居環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)以Arduino UNO為主控器，利用傳感器模塊對(duì)家居環(huán)境進(jìn)行信息采集，并通過無線WiFi模塊ESP8266將采集的數(shù)據(jù)傳送至中國(guó)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)開放OneNET云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)溫度、濕度、煙霧濃度及光照度等環(huán)境參量的測(cè)量及實(shí)時(shí)上傳，并能對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)警。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有界面友好、操作簡(jiǎn)便、檢測(cè)精度高、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，能有效實(shí)現(xiàn)家居環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞：Arduino;OneNET;ESP8266;室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè);物聯(lián)網(wǎng);傳感器

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2020）09-00-03

0 引 言

近年來，隨著人民生活水平的不斷提升，越來越多的人對(duì)生活品質(zhì)產(chǎn)生了更高的追求，而大數(shù)據(jù)、人工智能及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，恰好帶動(dòng)了智能家居這一新興產(chǎn)業(yè)的快速成長(zhǎng)，智能家居正快速進(jìn)入千家萬戶。室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)作為智能家居系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，它能夠?qū)⑹覂?nèi)環(huán)境的信息呈現(xiàn)給用戶以提供決策支撐?，F(xiàn)有的部分環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備大多由開發(fā)者自行部署服務(wù)器，無形中增加了工作量及成本[1];終端節(jié)點(diǎn)功耗大，網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)開發(fā)難度大、標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，難以實(shí)現(xiàn)開放、共享[2];許多商家選擇STM32單片機(jī)及ZigBee技術(shù)組建無線網(wǎng)絡(luò)，但產(chǎn)品開發(fā)難度大、周期長(zhǎng)、成本高[1-4]。面對(duì)種種困難，本文選擇易開發(fā)的Arduino單片機(jī)，利用家中現(xiàn)有的路由器配以高性價(jià)比的傳感器模塊及WiFi模塊，將海量數(shù)據(jù)保存在開放的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上，用戶可遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)室內(nèi)環(huán)境信息，節(jié)約成本和勞力。

1 系統(tǒng)整體方案

本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要功能是進(jìn)行室內(nèi)環(huán)境信息的采集，包括溫度、濕度、煙霧濃度及光照度，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)無線傳輸至物聯(lián)網(wǎng)開放平臺(tái)，用戶可通過瀏覽器或手機(jī)APP隨時(shí)查看家中情況，若出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，云平臺(tái)將發(fā)送郵件至用戶郵箱。

該系統(tǒng)采用Arduino UNO開發(fā)板作為主控器，利用溫濕度傳感器DTH11，煙霧濃度傳感器MQ-2和光敏電阻實(shí)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集，通過家中路由器及無線WiFi模塊ESP8266-01S實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)上傳，物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)采用中國(guó)移動(dòng)OneNET平臺(tái)。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 Arduino UNO RV3開發(fā)板

Arduino源于意大利，是一款集成AVR單片機(jī)的硬件與軟件相結(jié)合的開源平臺(tái)，包括Arduino硬件原理圖、PCB、IDE軟件以及庫函數(shù)等。Arduino的處理器核心為ATmega328，它包含14個(gè)數(shù)字I/O口（6個(gè)可提供PWM輸出）、6個(gè)模擬輸入口、1個(gè)16 MHz晶振時(shí)鐘，以及USB連接、電源插孔、ICSP接頭和復(fù)位按鍵。其庫函數(shù)與底層硬件無縫對(duì)接，編程語言類似C/C++語言。其特點(diǎn)是跨平臺(tái)、簡(jiǎn)單清晰，具有開放性，近年來廣受電子愛好者的歡迎。

2.2 溫濕度傳感器

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它具有穩(wěn)定性好、成本低、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、超長(zhǎng)信號(hào)傳輸距離、數(shù)字信號(hào)輸出、精確校準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)[5]。供電電壓為DC 3.5～5.5 V，測(cè)量時(shí)供電電流為0.3 mA，濕度量程為20%RH～90%RH，精度為±5%RH，溫度量程為0～50 ℃，精度為±2 ℃。

2.3 無線WiFi模塊

ESP8266-01S是上海樂鑫公司專為移動(dòng)設(shè)備、可穿戴電子產(chǎn)品和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的低價(jià)、低功耗、高度集成、具備無線上網(wǎng)功能的WiFi芯片[6]。ESP8266模塊支持STA/AP/STA+AP三種工作模式，本系統(tǒng)采用STA工作模式，即Arduino控制器通過ESP8266接入本地路由器后接入廣域網(wǎng)，將采集的數(shù)據(jù)無線傳送至OneNET平臺(tái)，并接收返回?cái)?shù)據(jù)。

2.4 煙霧報(bào)警傳感器MQ-2

MQ-2型煙霧傳感器采用二氧化錫半導(dǎo)體氣敏材料，其電導(dǎo)率隨煙霧濃度的增加而增大，輸出電阻越低，其輸出的模擬信號(hào)就越大。MQ-2型傳感器對(duì)天然氣、液化石油氣，特別是烷類等煙霧有很高的靈敏度，其檢測(cè)可燃?xì)怏w與煙霧的范圍[7]是100～10 000 ppm。

2.5 光敏電阻

光敏電阻是利用半導(dǎo)體光電導(dǎo)效應(yīng)制成的半導(dǎo)體器件，常用的材料有硫化鎘、硒等，這些材料的阻值會(huì)隨著光強(qiáng)的增加而迅速下降。光敏電阻對(duì)光的敏感性與人眼對(duì)可見光0.4～0.76 μm的響應(yīng)接近，人眼可感受的光線變化都將引起它的阻值發(fā)生變化。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件通過Arduino語言在程序開發(fā)平臺(tái)Arduino IDE中完成編制。軟件主要實(shí)現(xiàn)的功能為數(shù)據(jù)采集、ESP8266與OneNET平臺(tái)的聯(lián)網(wǎng)對(duì)接及數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)上電后，Arduino、傳感器模塊和WiFi模塊初始化，經(jīng)串口發(fā)送AT指令給ESP8266芯片，通過檢測(cè)返回值確保ESP8266連上OneNET服務(wù)器，并按照OneNET平臺(tái)的HTTP協(xié)議規(guī)定及Json數(shù)據(jù)格式將各參數(shù)（包括服務(wù)器網(wǎng)址，設(shè)備ID，API key，數(shù)據(jù)流名稱，采集的數(shù)據(jù)等）封裝成連接請(qǐng)求包，上傳平臺(tái)。軟件設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

3.2 ESP8266與OneNET平臺(tái)的聯(lián)網(wǎng)對(duì)接

ESP8266有UART，SPI，I2C等多種通信方式，其中UART直接支持AT指令，大大簡(jiǎn)化了開發(fā)難度。本文選用AT指令，設(shè)置ESP8266為STA模式，重啟芯片，輸入家庭路由器的用戶名及密碼，使其連接到路由器，再輸入OneNET服務(wù)器地址即可連接到OneNET平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

3.3 應(yīng)用界面的創(chuàng)建

云平臺(tái)的創(chuàng)建和應(yīng)用是一個(gè)復(fù)雜的過程，但中國(guó)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)為用戶提供了一個(gè)開放的、簡(jiǎn)便實(shí)用的平臺(tái)，即OneNET云平臺(tái)。它屏蔽了復(fù)雜的技術(shù)細(xì)節(jié)，適配各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和協(xié)議類型，支持各類智能硬件的快速接入和大數(shù)據(jù)服務(wù)，有效降低了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的開發(fā)成本[8]。用戶只需在官網(wǎng)注冊(cè)賬號(hào)即可進(jìn)入云平臺(tái)創(chuàng)建項(xiàng)目，創(chuàng)建流程如圖3所示。創(chuàng)建完成后保存數(shù)據(jù)流名稱，待數(shù)據(jù)上傳結(jié)束后，即可通過瀏覽器、手機(jī)APP查看各項(xiàng)數(shù)據(jù)及其變化曲線。

3.4 數(shù)據(jù)傳輸

OneNET云平臺(tái)支持多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議接入，如MQTT，HTTP，EDP等，可輕松實(shí)現(xiàn)設(shè)備的接入與管理。本系統(tǒng)采用HTTP1.1協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，新增數(shù)據(jù)點(diǎn)的格式需符合HTTP協(xié)議POST請(qǐng)求方法的協(xié)議規(guī)范，格式如下：

POST /devices/ devicesID/datapoints HTTP/1.1

api-key：xxxxxxxxx

Host：api.heclouds.com

Content-Length： 68

{"datastreams"：[{"id"："light"，"datapoints"：[{"value"： analogRead（A1）}]}]}

終端數(shù)據(jù)上傳成功后，將在平臺(tái)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)流中新增數(shù)據(jù)點(diǎn)，多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)即可構(gòu)成數(shù)據(jù)變化曲線。圖4所示為光照強(qiáng)度變化曲線。

3.5 可視化應(yīng)用界面的創(chuàng)建

OneNET平臺(tái)的應(yīng)用管理界面為用戶提供了數(shù)據(jù)可視化編輯功能，通過頁面提供的可視化工具，根據(jù)用戶個(gè)性化需求，可將表盤、曲線、地圖等控件拖拽進(jìn)頁面，即可關(guān)聯(lián)相應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)，設(shè)置刷新頻率、數(shù)值設(shè)置、樣式選擇等屬性。創(chuàng)建完成后保存并發(fā)布，即可通過瀏覽器或手機(jī)APP（設(shè)備云）訪問OneNET平臺(tái)，隨時(shí)查看室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)及其變化曲線。本系統(tǒng)的Web界面如圖5所示。

另外，OneNET平臺(tái)的觸發(fā)器管理界面還為用戶提供了異常數(shù)據(jù)報(bào)警功能，只需為指定數(shù)據(jù)流添加觸發(fā)條件，如本系統(tǒng)中煙霧濃度值大于400，平臺(tái)即向用戶郵箱發(fā)送郵件，用于提醒用戶數(shù)據(jù)異常。

3.6 系統(tǒng)測(cè)試

數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟硬件均搭建完成，置于室內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：傳感器對(duì)周邊環(huán)境變化響應(yīng)迅速，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，控制板運(yùn)行穩(wěn)定;云服務(wù)響應(yīng)快，可視化界面內(nèi)容簡(jiǎn)潔美觀，在Web端和手機(jī)APP中都有良好的顯示效果。

4 結(jié) 語

本文利用Arduino UNO開發(fā)板、ESP8266WiFi模塊和OneNET物聯(lián)網(wǎng)開放平臺(tái)構(gòu)建了低成本、易操作、易擴(kuò)展、實(shí)用性強(qiáng)的家居環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)采集、云平臺(tái)響應(yīng)、閾值報(bào)警功能均正常，是智能家居系統(tǒng)不可或缺的一部分。

參考文獻(xiàn)

[1]丁飛，吳飛，艾成萬.基于OneNET平臺(tái)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].南京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018（4）：24-29.

[2]王伯宇，蔡振江，曾邵杰.基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)器設(shè)計(jì)[J].河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2018（3）：117-122.

[3]陳培英，王承林，胡紅林，等.基于ARM及ZigBee的智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)路徑[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2017，40（19）：41-44.

[4]程力，郭曉金，譚洋.智能農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2019（6）：173-178.

[5]余兆成，楊光友，謝松.基于OneNET的大棚溫濕度遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2019（2）：180-185.

[6]樂鑫信息科技（上海）有限公司.ESP8266技術(shù)參考[EB/OL].[2020-04-05]. https：//www.espressif.com/zh-hans/products/hardware/esp8266ex/overview.

[7]蔡俊豪，曹廣忠，彭業(yè)萍.基于CC2530與CC3200的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2019，42（10）：71-74.

[8]陳寶遠(yuǎn)，褚慶文，孫忠祥.一種基于OneNET設(shè)備云的智能硬件組網(wǎng)方法[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2017（5）：76-80.

[9]黃紹信，羅功坤，廖鳳依，等.基于OneNET云平臺(tái)的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述[J].科學(xué)與信息化，2018（10）：28.

[10]陳凱旋，周世恒，陳濤，等.基于Arduino與OneNET云平臺(tái)的簡(jiǎn)易智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2019，9（12）：88-90.