劉仲璽

(安徽冶金科技職業(yè)學(xué)院 馬鋼技師學(xué)院　安徽馬鞍山　243041)

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基于Arduino硬件平臺的微環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

劉仲璽

(安徽冶金科技職業(yè)學(xué)院 馬鋼技師學(xué)院安徽馬鞍山243041)

摘要：通過基于Arduino硬件平臺以及Android軟件平臺實現(xiàn)對環(huán)境的溫度、濕度、氣壓、海拔、空氣質(zhì)量等參數(shù)的采集，傳輸和顯示。

關(guān)鍵詞：環(huán)境監(jiān)測；Arduino；Android

1　概述

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方興未艾，智能家居、智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展使得對微環(huán)境監(jiān)測的需求日益增加，在智慧農(nóng)業(yè)中的精細化操作、工廠化管理對溫度、濕度、光照等微環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)有著廣泛的需求。隨著人們的生活水平日益提高，大氣污染日趨嚴(yán)重，人們對環(huán)境污染的監(jiān)測數(shù)據(jù)也日益關(guān)注，根據(jù)空氣污染程度安排日?；顒右殉蔀橐环N生活方式。在智能家居、學(xué)校、廠礦、商業(yè)區(qū)、智能小區(qū)等領(lǐng)域微環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)也有著廣闊的前景。隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，傳感器的微型化、芯片化、模塊化和智能化使得環(huán)境監(jiān)測設(shè)備的價格大幅下降，硬件搭建更為簡便。

2　系統(tǒng)構(gòu)建

微環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計分為硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩個部分。硬件系統(tǒng)基于Arduino硬件設(shè)計平臺及其兼容的各類傳感器與無線傳輸模組構(gòu)成。軟件系統(tǒng)基于Android系統(tǒng)平臺，以適應(yīng)在手機終端和智能電視上的應(yīng)用展示。

2.1Arduino硬件設(shè)計平臺簡介

Arduino源于意大利，以其簡單易學(xué)、開源、開放以及功能可堆疊的特點風(fēng)靡世界。Arduino包括一個硬件平臺——Arduino Board，和一個開發(fā)工具——Arduino IDE。兩者都是開放的，既可以獲得Arduino開發(fā)板的電路圖，也可以獲得Arduino IDE的源代碼。除了購買Arduino電路板外，不需要支付額外的費用。Arduino Board基于簡單的微控制器，如ATmega328，提供了基本的接口和USB轉(zhuǎn)串口模塊。使用者只需要用一個USB線就可以連接電腦和Arduino Board，完成編程和調(diào)試，而不需要專門的下載器。Arduino使用一種簡單的專用編程語言，使用者不必掌握匯編語言和C語言等復(fù)雜技術(shù)就可以進行開發(fā)。復(fù)雜的底層軟件設(shè)計事先封裝并可通過開源社區(qū)免費下載，并開放源代碼，跨平臺，極為便利，尤其適用于具備基礎(chǔ)編程技能的非資深工程師。

2.2Android軟件設(shè)計平臺簡介

Android系統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)很廣泛了，這里就不再贅述。之所以選擇android系統(tǒng)，除了其應(yīng)用廣泛，從設(shè)計的角度考慮利用其完整的GUI界面，以方便提供圖形化系統(tǒng)界面。

2.3Arduino硬件模塊選用

a)Arduino UNO R3

Arduino UNO R3采用的微處理器是ATmega328. 該版本包括14個數(shù)字輸入輸出IO,6個模擬輸入IO,16MHz的晶體，USB接口，電源接口，燒錄頭，復(fù)位按鈕等。

b)IO傳感器擴展板

IO傳感器擴展板，能使大部分傳感器輕松地和Arduino控制板連接。包括：

☆擴展14個數(shù)字IO口(12個舵機接口)及電源；

☆6個模擬IO口及電源；

☆1個數(shù)字端口外接電源接線柱，外部供電和內(nèi)部供電自動切換；

圖1　Arduino UNO R3開發(fā)板

☆數(shù)字端口外部供電和板載電源自動切換；

☆1個外接電源輸入接線柱和1個輸入插針；

☆RS485接口；

☆復(fù)位按鈕；

☆xbee/Bluetooh Bee藍牙無線數(shù)傳接口;

☆A(yù)PC220/Bluetooh V3藍牙無線數(shù)傳接口;

☆I(lǐng)IC/I2C/TWI接口;

☆3.3V輸出端口;

☆SD卡模塊接口;

c)Zigbee模塊

d)Wifi模塊

e)溫濕度傳感器

f)空氣質(zhì)量傳感器及轉(zhuǎn)接模塊

i)大氣壓力傳感器

2.4系統(tǒng)方案框圖

圖2　系統(tǒng)方案框圖

2.5設(shè)備選型列表(圖3)

圖3　設(shè)備選型列表圖

本系統(tǒng)的硬件方案每個數(shù)據(jù)采集點獨立設(shè)計，成本相對比較昂貴，但優(yōu)點是每個模組可以獨立工作并放置在不同位置，由本單元Zigbee組網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的匯聚傳輸；本系統(tǒng)的低成本替代方案如下：

圖4　替代方案框圖

該替代方案顯著降低了系統(tǒng)采購成本。從方案框圖可知，取消了所有的Zigbee模塊以及四組UNO主控板和IO傳感器擴展板；

但是，正如對原系統(tǒng)的特點說明，本替代方案只能測量一個固定位置的相關(guān)環(huán)境數(shù)據(jù)。

2.6Arduino軟件設(shè)計

每個Arduino節(jié)點單獨采集相應(yīng)傳感器數(shù)據(jù)，通過Zigbee傳輸模塊將數(shù)據(jù)傳輸給Zigbee主節(jié)點，再通過Arduino之間的串口傳輸給WIFI節(jié)點，上位機通過WIFI接收數(shù)據(jù)，在Android系統(tǒng)的智能手機或智能電視顯示數(shù)據(jù)和圖表。每個Arduino節(jié)點單獨編程，程序相對簡單，可靠性高。

例程：pm2.5模塊數(shù)據(jù)采集

#include SoftwareSerial mySerial(9, 10); // RX, TX

double pm25()

{delay(1000);

//pm2.5變量

int income[7];

int data;

int i = 0;

int sum; //校驗和

double dst = 0.0;

delay(1000);

while (mySerial.available() > 0) {

data = mySerial.read();

if (data == 170) {

i= 0;

income[i] = data;

} else {

i++;

incomeByte[i] = data;

}

if (i== 6)

{

sum = incomeByte[1] + incomeByte[2] + incomeByte[3] + incomeByte[4];

if (incomeByte[5] == sum && incomeByte[6] == 255 )

{ //Serial. println("ok");

double vo = (incomeByte[1] * 256.0 + incomeByte[2]) / 1024.0 * 5.00;

dst = vo * 200;

return dst;

}

else

{

mySerial.flush();//清空緩存

for (int a = 0; a < 6; a++)

income[a] = 0;

return 0;

} //清空接收數(shù)組

}

}

}

void setup()

{

Serial.begin(9600);

mySerial.begin(2400);

Serial.println("Ready");

}

void loop()

{

double pm=pm25();

delay(1000);

Serial.print("cmd=upload&device_name=pm25&data=");

delay(1000);

Serial.print(pm);

delay(1000);

Serial.println("&uid=liuzx&key=18b74fe13ea150d644af4cc4d6cd3");

}

2.7上位機程序界面展示

WIFI傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可通過智能手機、智能電視的Android程序顯示數(shù)據(jù)和曲線。

圖5　替代方案框圖

3　結(jié)語

本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰，程序簡單，易于實現(xiàn)，可用于單片機，Android編程的教學(xué)例程，并有一定的實用性。可用在機關(guān)、學(xué)校室內(nèi)室外的微環(huán)境數(shù)據(jù)采集。

參 考 文 獻

[1]程晨.Arduino開發(fā)實戰(zhàn)指南[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012

[2]鄭希，周金語，康春香.基于嵌入式Web服務(wù)器的無線空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，5

收稿日期：2016-01-19

作者簡介：劉仲璽(1972-),男,安徽冶金科技職業(yè)學(xué)院、馬鋼技師學(xué)院計算機系，教師。

中圖分類號：TP277.2:TP311.521

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-9994(2016)01-0023-04

Design of Micro Environmental Monitoring System Based on Arduino Hardware Platform

LIU Zhong-xi

Abstract：This design method by Arduino hardware platform and Android software platform to realize the environmental temperature, humidity, air pressure, altitude, air quality and other parameters based on the collection, transmission and display.

Key words：Environmental monitor；Arduino；Android