張子澗++于宏濤++邢家俊

摘 要 針對環(huán)境監(jiān)測儀器可以實現(xiàn)監(jiān)測多個參數(shù)，且便于攜帶問題，提出了應用Arduino單片機對環(huán)境溫度，濕度，光照度等進行監(jiān)測，給出了環(huán)境參數(shù)傳感器的選取、監(jiān)測儀軟硬件的設計與實現(xiàn)方法，經(jīng)過實驗分析以及調(diào)試驗證，本文所設計的監(jiān)測儀能夠正常運行并且能夠準確、快速地采集各種環(huán)境信息并進行反饋，克服了傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)的多種弊端。

【關鍵詞】Arduino單片機 多參數(shù) 監(jiān)測 便攜式

1 引言

隨著工業(yè)化的深入，城市建設擴大，機動車保有量增加，農(nóng)耕田礦山濕地違章開發(fā)，全球氣候變暖，自然植被森林沙漠化等因素，人類的生存環(huán)境正日益受到生活和生產(chǎn)所產(chǎn)生的污染物的危害。環(huán)境監(jiān)測是合理利用環(huán)境資源、保護生態(tài)環(huán)境的重要工作，目前很多環(huán)境監(jiān)測儀器監(jiān)測參數(shù)比較單一，且監(jiān)測儀器不便于攜帶。本文提出通過對Arduino單片機以及其輸入、輸出擴展模塊進行編程以及外部電路設計，實現(xiàn)對當前環(huán)境溫度、濕度和風速多參數(shù)進行監(jiān)控，并且通過窗口通訊將信息轉化為具體數(shù)值反饋給作為PC上位機。

2 方案設計

本文設計一種以單片機為核心的便攜式多參數(shù)環(huán)境監(jiān)測裝置。選擇合適的傳感器對被檢測參數(shù)進行檢測及采樣，將傳感器輸出經(jīng)適當?shù)淖儞Q處理，饋入單片機，數(shù)據(jù)處理后，以適當?shù)姆绞竭M行顯示，同時要求完成相應的軟硬件設計及主要的調(diào)試工作。

2.1 實現(xiàn)多參數(shù)監(jiān)測

提出應用單片機設計了一個智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，用戶通過設定監(jiān)測組數(shù)以及每組監(jiān)測的時間間隔，使單片機在特定時間段以及時間間隔內(nèi)采集環(huán)境數(shù)據(jù)并通過藍牙通訊將收集到的數(shù)據(jù)進行反饋處理和收集。另外，參數(shù)監(jiān)測傳感器所傳輸至單片機的數(shù)據(jù)并非是以期望單位進行反饋的，例如溫度傳感器反饋回來的數(shù)據(jù)是以0-1024形式出現(xiàn)的數(shù)值，將這些數(shù)值通過數(shù)學公式與模型處理成我們?nèi)粘Ｉ钪械臄?shù)據(jù)后再通過串口通訊反饋給電腦。具體監(jiān)測參數(shù)如下：

（1）溫度；

（2）濕度；

（3）風速、風向。

2.2 實現(xiàn)串口反饋

在編寫程序的過程中要確保PC能夠收到單片機所反饋回來的數(shù)據(jù)并在串口監(jiān)視器上顯示出來，由于單片機是基于C語言實現(xiàn)的單片機技術，其中的語法本身就包含了串口通訊這一功能，通過編程可以直接實現(xiàn)9600kbp的串口通訊。

3 方案的具體實現(xiàn)

單片機是把中央處理器、存儲器、定時/計數(shù)器、各種輸入輸出接口等都集成在一塊集成電路芯片上的微型計算機。Arduino是一款便捷靈活，方便上手的開源電子原型平臺，是目前應用比較廣泛的一種單片機，相對于傳統(tǒng)51單片機更為先進，編程也更易掌握，并比較直觀。因此，本文基于Arduino單片機進行設計。

3.1 溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設計

在測量溫濕度方面，本文采用了DHT22（AM2302）數(shù)字溫濕傳感器作為采集工具。該傳感器是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器，具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性傳感器包括一個電容式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接，傳感器具有兩個電源引腳以及一個單總線接口用于將采集數(shù)據(jù)傳輸給單片機，其數(shù)據(jù)格式包括16位精度的濕度數(shù)據(jù)，16位精度的溫度數(shù)據(jù)（攝氏度）和末尾的8位校驗位構成的。通過將采集到的數(shù)據(jù)進行轉換分別得到保留一位小數(shù)的10進制溫濕度數(shù)據(jù)并存入提前設置好的浮點變量中，待其他數(shù)據(jù)采集完成后由Arduino主機通過藍牙通訊一起發(fā)送給上位機。DHT22的供電電壓為3.3-6V。傳感器通電后，需等待1s以越過不穩(wěn)定狀態(tài)，期間不因對其發(fā)送任何采集指令以防止采集失敗達不到預期效果。

3.2 風速監(jiān)測系統(tǒng)設計

在風速測量方面，本文采用了工業(yè)型風速傳感器為 RS485 總線式傳感器，該傳感器是一種專門用以監(jiān)測風速的檢測儀 表。儀器能夠連續(xù)監(jiān)測風速并遠程顯示，同時將風速轉換成 MODBUS-RTU 標準 RS485 電信號 傳輸給單片機。通過編程整理將原本風速儀0-5V的輸出轉化為0-30m/s的風速數(shù)據(jù)。

3.3 圖像顯示系統(tǒng)設計

在外部圖像顯示方面本文采用了HT16K33 mixly 8x8 LED點陣，該點陣模塊采用HT16K33芯片作為驅動，可以僅僅使用2個IO管腳就能驅動點亮 I2C點陣模塊。通過在Arduino IDE調(diào)用Adafruit_GFX與Adafruit_LED兩個庫文件并將采集到的數(shù)據(jù)由浮點型轉化為字符型，即可使用對應的函數(shù)對LED點陣實現(xiàn)滾動式文字顯示輸出。

3.4 上位機通訊系統(tǒng)設計

在數(shù)據(jù)采集方面，本文采用了Arduino單片機對應的1sheeld拓展版，該板具有藍牙通訊的功能，能夠將單片機采集到的數(shù)據(jù)通過9600kbps的比特率傳輸給安裝有安卓操作系統(tǒng)的上位機。通過調(diào)用1sheeld對應的開發(fā)庫文件和對其進行編程，本文實現(xiàn)了集數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)加密、系統(tǒng)預設、數(shù)據(jù)整理、為一體的室外環(huán)境系數(shù)采集系統(tǒng)。

4 結論

針對環(huán)境儀器檢測參數(shù)過于單一、反應時間過長、且數(shù)據(jù)不準確的問題，本文提出通過應用Arduino單片機以及其輸入、輸出擴展模塊進行編程，結合外部電路設計實現(xiàn)對當前環(huán)境多參數(shù)進行監(jiān)測，并且通過藍牙通訊將信息轉化為具體數(shù)值反饋給作為上位機的安卓系統(tǒng)的手機。同時將PC機融入到監(jiān)測這一環(huán)節(jié)，使得單片機可以將多個參數(shù)監(jiān)測數(shù)據(jù)實時反饋給電腦，實現(xiàn)對總體環(huán)境情況的反饋。該多參數(shù)環(huán)境監(jiān)測儀器同時能夠對溫度，溫度和風速等多個參數(shù)實現(xiàn)監(jiān)測，并能夠通過串口通訊將監(jiān)控對象的數(shù)據(jù)實時返回，同時具有操作簡單及易于便攜等特點，可廣泛應用于諸多領域的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測與保護。

參考文獻

[1]楊欣，王玉鳳，劉湘黔，張延強.51單片機應用實例詳解[M].北京：清華大學出版社，2010

[2]代羽.基于單片機的多參數(shù)環(huán)境監(jiān)測儀的設計[J].電子制作，2016（06）：3-3.

[3]高成，王鵬，張亞玲.基于物聯(lián)網(wǎng)技術環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設計及其在農(nóng)業(yè)上的應用[J].貴州農(nóng)業(yè)科學，2017，45（04）：120-123.

[4]易敏.基于移動終端設備的環(huán)境現(xiàn)場監(jiān)測管理系統(tǒng)設計與應用[J].環(huán)境監(jiān)測管理與技術，2017，29（02）：1-3.

[5]高金轉，彭旭鋒，張會新等.基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設計[J].電子器件，2016，39（03）：546-550.

作者簡介

張子澗（1995-），男，大學本科學歷。研究方向為自動化技術。

作者單位

沈陽工程學院自動化學院 遼寧省沈陽市 110136endprint