物聯(lián)網(wǎng)空氣質(zhì)量監(jiān)測儀實驗設(shè)計

【摘 要】本實驗旨在通過Mind＋編程和Arduino主板搭建一個物聯(lián)網(wǎng)空氣質(zhì)量監(jiān)測儀。通過本實驗，學生可通過Easy IoT平臺的使用和OBLOQ模塊的應(yīng)用，提高物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實踐應(yīng)用能力。

【關(guān)鍵詞】Mind+編程；Arduino主板；Easy IoT物聯(lián)網(wǎng)平臺

【中圖分類號】G434 【文獻標志碼】B

【論文編號】1671-7384（2024）07-062-02

實驗背景及原理

隨著我國工業(yè)化和城市化的快速發(fā)展，空氣質(zhì)量問題日益凸顯，對人們的健康和生活質(zhì)量產(chǎn)生了嚴重影響。因此，對空氣質(zhì)量進行實時監(jiān)測和預警顯得尤為重要。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展為空氣質(zhì)量監(jiān)測提供了新的解決方案。物聯(lián)網(wǎng)空氣質(zhì)量監(jiān)測儀能夠?qū)崟r采集空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h程平臺進行分析和處理，為環(huán)境保護和公眾健康提供了有力保障。

本實驗旨在通過設(shè)計一個基于Mind+編程和Arduino主板的物聯(lián)網(wǎng)空氣質(zhì)量監(jiān)測儀，探索物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在空氣質(zhì)量監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用。實驗通過空氣質(zhì)量傳感器測得空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)后，利用網(wǎng)絡(luò)通信模塊和MQTT協(xié)議將數(shù)據(jù)上傳到Easy IoT物聯(lián)網(wǎng)平臺進行記錄，用戶可通過登錄平臺直接查看數(shù)據(jù)。這種基于物聯(lián)網(wǎng)的空氣質(zhì)量監(jiān)測方案具有實時性、遠程性和智能化等特點，對于提高空氣質(zhì)量監(jiān)測的效率和準確性具有重要意義。

實驗所需資源

1.硬件

（1）Arduino Uno主板；（2）Arduino接口擴展板；（3）OBLOQ物聯(lián)網(wǎng)模塊（串口）；（4）ENS160空氣質(zhì)量傳感器模塊（I2C接口）；（5）計算機；（6）連接線材。

2.軟件

（1）計算機安裝Mind+編程軟件；（2）Easy IoT物聯(lián)網(wǎng)平臺。

實驗內(nèi)容及過程

1.注冊和設(shè)置Easy IoT物聯(lián)網(wǎng)平臺

物聯(lián)網(wǎng)平臺是一種管理和處理物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和數(shù)據(jù)的軟件平臺。它能夠遠程管理和控制設(shè)備，并能夠?qū)崟r傳輸、收集和分析數(shù)據(jù)，實現(xiàn)設(shè)備端和用戶端的互聯(lián)互通。

Easy IoT物聯(lián)網(wǎng)平臺是一個旨在簡化和加速物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的連接和管理的物聯(lián)網(wǎng)平臺。它提供了易于使用的工具和界面，使用戶能夠輕松地將各種設(shè)備和傳感器連接到云平臺，并實時監(jiān)控和控制這些設(shè)備。

該平臺使用方法是：（1）打開平臺地址：https：//iot.dfrobot.com.cn/。（2）利用手機號注冊Easy IoT物聯(lián)網(wǎng)平臺后，進入“工作間”，點“+”號，依次創(chuàng)建三個設(shè)備，名稱分別為“CO2濃度”“TVOC濃度”和“空氣質(zhì)量指數(shù)”。這時可以看到每個設(shè)備都有一個“Topic”，從左起編號分別為“Topic0”“Topic1”“Topic2”，這三個“Topic”的值在編程時會用到。另外，一個用戶一共可以記錄10 000個數(shù)據(jù)，每個設(shè)備默認可以記錄的數(shù)據(jù)為1000個，可自行調(diào)整?！肮ぷ鏖g”左側(cè)Iot_id（user）和Iot_pwd（password）十分重要，可以點擊“”進行查看和復制，在編程時要用到這兩個值。

2.連接硬件

Arduino主控板是一個微控制器板，包含微處理器、輸入/輸出引腳、電源和其他功能模塊，可用于構(gòu)建相關(guān)電子項目和設(shè)備。Arduino主控板可以通過各種擴展板來增強功能，擴展板可以添加傳感器、執(zhí)行器、顯示器、無線模塊等。Arduino主控板可用于各種相關(guān)項目，從簡單的家庭自動化到復雜的機器人和科學儀器等。它們也被廣泛應(yīng)用于教育、藝術(shù)、研究和工業(yè)自動化等領(lǐng)域。

Arduino主控板與OBLOQ物聯(lián)網(wǎng)模塊和ENS160空氣質(zhì)量傳感器連接過程是：（1）組合Arduino主板和接口擴展板；（2）將OBLOQ物聯(lián)網(wǎng)模塊連接到擴展板，紅線接V（電源），黑線接G（地），綠線接數(shù)字2引腳，藍線接數(shù)字3引腳；（3）將ENS160空氣質(zhì)量傳感器模塊接到擴展板。注意ENS160模塊SCL、SDA引腳要和接擴展板上的SCL、SDA引腳對應(yīng)相接；VCC、GND引腳和主板上V、G引腳對應(yīng)相接。

3.程序編寫

Mind+是由DFRobot公司開發(fā)的圖形化編程軟件，旨在幫助用戶通過拖拽圖形化程序塊的方式進行編程，無需深厚的編程知識即可控制各種開源硬件，如Arduino、micro：bit和掌控板等。該軟件支持與Scratch3.0兼容，同時也支持使用Python、C、C++等高級編程語言進行編程，使得用戶可以輕松體驗創(chuàng)造的樂趣。

Mind+是一款功能豐富、易于上手的編程軟件，適合不同年齡段和不同編程水平的用戶使用，無論是進行教育學習還是創(chuàng)新項目開發(fā)，Mind+都能提供強大的支持。本實驗Mind+編程如下。

（1）啟動Mind+軟件，選擇上傳模式。

（2）在左下角擴展中將Arduino UNO主控板、ENS160空氣質(zhì)量傳感器和OBLOQ物聯(lián)網(wǎng)模塊添加入Mind+中。

（3）在主程序中進行OBLOQ物聯(lián)網(wǎng)模塊的初始化。

①在通信模塊中選擇“Obloq mqtt初始化”命令，接口選“軟串口”，Rx（綠）選“2”，Tx（藍）選“3”。

②點擊進行網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)平臺配置。在Wi-Fi配置中，配置好無線網(wǎng)（只支持2.4G頻率，不支持5G頻率）。將Iot_id、Iot_pwd和三個對應(yīng)的Topic值分別復制粘貼到物聯(lián)網(wǎng)平臺參數(shù)對應(yīng)位置，服務(wù)器選擇“中國”。

（4）對ENS160模塊進行初始化。在左側(cè)模塊區(qū)傳感器中選擇初始化“ENS160 I2C地址”命令，設(shè)置I2C地址為“0x52”（具體數(shù)值要參考ENS160模塊說明書，有些模塊地址為“0x53”）。

（5）編寫讀取和發(fā)送數(shù)據(jù)程序。①左側(cè)模塊區(qū)通信模塊中選取“Obloq發(fā)送消息‘hello’至Topic_0”；②傳感器中選擇“ENS160讀取CO2濃度”，并將此條命令與OBLOQ發(fā)送消息命令組合；③復制兩個組合好的命令，參數(shù)分別對應(yīng)修改為“TVOC濃度、Topic_1”和“空氣質(zhì)量指數(shù)、Topic_2”；④左側(cè)“控制”中選擇“等待1秒”命令，根據(jù)需求修改等待的數(shù)值后，組合在三條發(fā)送消息命令后；⑤左側(cè)“控制”中選擇“循環(huán)執(zhí)行”，將發(fā)送消息和等待命令放到“循環(huán)執(zhí)行”中，使讀取數(shù)據(jù)和發(fā)送消息持續(xù)循環(huán)執(zhí)行，并根據(jù)等待時間讀取和發(fā)送一個數(shù)據(jù)（圖1）。

圖1 圖形化程序

（6）將主控板用USB連接線與計算機連接后，在Mind+菜單中選擇“連接設(shè)備>COM*-CH340”。設(shè)備連接后點擊右側(cè)“上傳到設(shè)備”，將程序上傳主控板。

（7）程序上傳后主控板自動重啟，觀察OBLOQ模塊指示燈，如果網(wǎng)絡(luò)連接成功，指示燈會變?yōu)榫G色。

（8）設(shè)備網(wǎng)絡(luò)連接成功后，設(shè)備會讀取相應(yīng)的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，并發(fā)送到Easy IoT物聯(lián)網(wǎng)平臺，平臺會自動記錄。相關(guān)人員登錄Easy IoT物聯(lián)網(wǎng)平臺即可查看數(shù)據(jù)。

總 結(jié)

本實驗是一個典型的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用實驗，通過實驗有助于學生理解物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中硬件連接協(xié)議（串口通信、I2C協(xié)議等）及MQTT物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議。本實驗中涉及的硬件在電商平臺均有銷售，價格低廉。Easy IoT物聯(lián)網(wǎng)平臺也可免費使用，10 000條數(shù)據(jù)的記錄量可滿足學習需要。本實驗線路連接不復雜，操作難度較低，程序結(jié)構(gòu)也比較簡單，適于初學編程及物聯(lián)網(wǎng)學習者。