付蔚+楊鑫宇+鞏莉+張繼柱+羅淳

摘 要：近年來，家庭環(huán)境質量日漸成為人們看重的生活標準之一。本設計采用開源硬件Arduino與Yeelink物聯(lián)網云平臺進行監(jiān)測系統(tǒng)的搭建。通過DHT11，GP2Y1010AU和MQ-2傳感器分別對室內的溫度，濕度，PM2.5和煙塵度進行檢測，應用Arduino開發(fā)板和W5100擴展板對采集的數(shù)據(jù)進行云平臺的上傳，并加以顯示，解決了人們對于家庭環(huán)境質量檢測的需求。

關鍵詞：物聯(lián)網；環(huán)境監(jiān)測；Arduino；Yeelink

中圖分類號：TP29 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）31-0017-02

Abstract： In recent years， the quality of family environmental has became one of the living standards. The design using Arduino ，the open source hardware， and Yeelink cloud platform build the monitor system of family environmental quality. The temperature， humidity， PM2.5 and smoke concentration are tested by DHT11， GP2Y1010AU and MQ-2 sensors respectively. The data collected by Arduino and W5100 is uploaded to the cloud platform to reveal. This design solve the demand of checking of family environmental quality.

引言

隨著物聯(lián)網技術的不斷發(fā)展與進步，人們對于家庭環(huán)境監(jiān)測也提出了更高的要求。因此無論是在外工作，還是出游旅行，都對室內環(huán)境狀況的實時檢測與監(jiān)控有不小的需求。故設計一個物聯(lián)網家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)有著廣闊的應用場景。本文將使用開源硬件Arduino和免費的Yeelink物聯(lián)網云平臺進行開發(fā)與搭建。

1 系統(tǒng)結構及相關功能

本設計選用Arduino Uno R3型號的開源硬件平臺作為主控元器件，通過連接至Uno R3板子上的三大感器對室內的溫度，濕度，煙塵度，PM2.5濃度進行檢測和反饋，運用LCD液晶顯示屏對采集回來的數(shù)據(jù)進行實時顯示，再配以與Uno R3板子相匹配的以太網模塊把數(shù)據(jù)及時上傳至Yeelink云平臺，實現(xiàn)集底端數(shù)據(jù)采集，控制端發(fā)送，云平臺顯示為一體的家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。

本設計系統(tǒng)結構如圖1所示。

2 系統(tǒng)的硬件設計

2.1 Arduino Uno R3硬件開源平臺

Arduino Uno R3開源硬件平臺作為Arduino系列的標準模板，其UNO R3型號采用愛特梅爾（Atmel）公司的ATmega328p微控制器，板子上同時具有一個16MHz晶體振蕩器，6路模擬輸入口，14路數(shù)字輸入/輸出口，一個USB口和一個ICSP header在線燒錄程序接口。

2.2 W5100以太網擴展板

W5100是由韓國WIZnet公司設計研發(fā)的一款集TCP/IP協(xié)議，以太網MAC協(xié)議和OSI物理層為一體的以太網擴展板。芯片的四個模塊大致分為：微控制單模塊（MCU），以太網物理層接口模塊，雙端口存儲器模塊（DPRAM）和網絡協(xié)議模塊，支持全雙工或半雙工的傳輸模式，完全支持100M以太網技術，搭配上為其專門開發(fā)的W5100庫文件可以使用戶更專注于應用層協(xié)議的編寫。

2.3 DHT11數(shù)字溫濕度傳感器

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器內部集成有溫度與濕度兩種傳感器，這兩種傳感器把溫度與濕度數(shù)據(jù)采集回來，經由放大，AD轉換，校驗，從DATA端與控制端進行串行通信。該傳感器共有4個引腳，VDD端直流供電在3.5V～5V之間；DATA端接控制器引腳且須加5.1千歐電阻，以保證空閑時置高電位；GND端接地；NC端懸空。

2.4 MQ-2煙霧傳感器

MQ-2煙霧傳感器應用二氧化錫遇到煙霧濃度會導致導電率改變的原理，進行一般的電路設計就可以使電流的輸出和煙霧濃度變化成正比例。此傳感器針對氫氣，甲烷，天然氣的靈敏度較高，價格低廉，適用于家庭氣體檢測。

2.5 GP2Y1010AU粉塵傳感器

GP2Y1010AU粉塵傳感器中央留有一圓型開孔，通過塵埃流動會引起激光折射率的變化原理來測量空氣中塵埃的濃度。對于香煙式的細微粒子和大顆粒物灰塵，由于細微粒子的擴散范圍大，密度高，所輸出呈持續(xù)高電壓狀態(tài)，而灰塵顆粒大，密度低，呈現(xiàn)有間隔的高脈沖來對兩種不同的污染物進行判別。

2.6 LCD1602液晶顯示屏

LCD1602是一款可以顯示兩行，每行十六個字符的小型液晶顯示屏。總計16枚引腳，前兩枚和后兩枚是電源控制類引腳，第三枚到第六枚為控制類引腳，而第七枚到第十四枚則負責數(shù)據(jù)的交換。控制引腳RS負責數(shù)據(jù)寄存器和指令寄存器切換，R/W負責LCD讀寫切換，EN負責使能。由于本設計不需要從LCD讀取數(shù)據(jù)，故選用四位數(shù)據(jù)線接口（控制器引腳只接高4位）方法便可輸出內容。

3 系統(tǒng)的軟件設計

系統(tǒng)軟件上的設計大體上分為兩個部分，一方面是各個傳感器的數(shù)據(jù)采集程序，另一方面則是調用W5100以太網擴展板的數(shù)據(jù)發(fā)送程序。

3.1 傳感器的數(shù)據(jù)采集

DHT11的數(shù)據(jù)采集主要是加載已經寫好的dht11.h頭文件，頭文件中包含temperature、humidity兩個變量和一個read（）方法。通過實例化對象DHT11，把read（）方法讀取的端口值賦值給對象DHT11進行數(shù)據(jù)的讀取。而GP2Y1010AU粉塵傳感器和MQ-2煙霧傳感器則可以直接進行模擬輸入口的讀入，調用analogRead（）方法賦值給聲明變量，在配合延時方法即可輸出數(shù)據(jù)。

3.2 W5100擴展板的數(shù)據(jù)發(fā)送

數(shù)據(jù)發(fā)送的設計必須加載W5100的庫文件Ethernet.h，并且需要向Yeelink平臺申請API KEY和網頁端的傳感器設備號。調用Ethernet.begin（mac） 方法向DHCP獲取IP地址，完成網絡的初始化。Client.connected（）方法用來判斷網絡的連接情況，并調用switch（）方法和判斷標志位flag決定一輪循環(huán)中將要傳遞的傳感器模擬值。編寫sendData（int data）方法發(fā)送一個HTTP的POST請求，完成整個數(shù)據(jù)上傳至Yeelink平臺過程。

4 結束語

家庭環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)是家居物聯(lián)網中的重要組成部分，同時配合家居安防與家居報警系統(tǒng)來構成家庭安全的整個環(huán)節(jié)。隨著物聯(lián)網技術的越發(fā)普及，家庭環(huán)境監(jiān)測技術的市場有著廣闊的前景。本設計基本完成了對家庭環(huán)境質量的檢測的客觀需求，但與商業(yè)化的物聯(lián)網技術還有較大差距。在接下來的研究中，小組成員將再接再厲，完善家居環(huán)境質量系統(tǒng)。

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