基于Arduino的環境數據檢測藍牙控制小車設計

劉琳琳 朱振宇 蔡金玉 蔣藝華

摘 要：環境檢測是環境保護的重要手段，建立一種快速、簡便、精確的環境檢測方法有利于實現環境的監管控制。本設計利用Arduino軟硬件開發平臺，通過藍牙模塊進行小車的無線控制和環境中溫度、濕度、可燃性氣體的濃度等各類參數的檢測，并將檢測得到的數據通過藍牙模塊發送回手機藍牙串口助手APP，實現手機對環境參數實時監測和小車的前進、后退及方向控制。檢測小車集藍牙控制、數據采集、報警等功能于一體，可在非特定或其他惡劣條件下代替人進行環境數據檢測工作，具有一定的推廣意義和應用前景。

關鍵詞：Arduino單片機；藍牙；環境檢測；手機

中圖分類號：TP23 文獻標識碼：A

文章編號：1671-0134（2018）08-066-04 DOI：10.19483/j.cnki.11-4653/n.2018.08.024

隨著科學的發展，社會生產力水平的不斷提高，環境監測的內容也由工業污染源的監測，逐步發展到對大環境的監測。[1]環境監測越來越受到人們的重視，但新技術、新方法的加入仍然處在研究發展階段，主要還是采用人工及半自動方法采集環境因子，效率低，精度差。[2]建立一種快速、簡便、精確的環境檢測方法有利于實現環境的監管控制。Arduino是一個開源的單片機電子設計平臺，其硬件開發板上有許多為傳感器模塊設計好的接口，只需插上封裝好的相應模塊，它就可以讀取傳感器從外界獲取的信號，并在程序的指揮下做出相應的反饋，提高了程序的效率。[3]論文提出了一種基于Arduino的環境數據檢測藍牙控制小車設計，通過手機藍牙控制小車的左右及前進、后退運動，將車上傳感器采集到的環境數據實時傳送，并在濃度值超過閾值時觸發報警裝置。

1.系統設計

系統利用Arduino單片機為核心控制板，通過手機藍牙同時完成小車狀態的控制和環境數據的收發及顯示，系統結構框圖如圖1所示。

圖中，電源部分由鋰電池組和線性直流穩壓電源組成，為小車系統的驅動電機提供穩定的驅動電流；車體部分采用了一般的四輪車體結構，其中，前面兩個車輪分別裝有直流電機，以便控制小車的左右方向轉動、前進、后退以及停止運動；溫濕度傳感器、可燃氣體傳感器與Arduino主控相連，用于環境數據的采集。藍牙模塊實現小車與手機的通信，使小車能夠接收手機所發送的指令并將采集的數據傳回手機，并可通過手機控制小車的運動。

2.硬件設計

硬件部分主要有Arduino開發板、HC-05藍牙模塊、DHT11溫濕度傳感器、MQ-2煙霧氣敏傳感器模塊以及L298N電機驅動模塊、直流減速電機等。其中，Arduino開發板為小車系統的控制中心，藍牙模塊為手機與小車的通信模塊。電機驅動模塊驅動直流減速電機的正轉與反轉控制和改變小車的運動狀態，DHT11溫濕度傳感器與MQ-2煙霧氣敏傳感器為環境數據數據采集模塊進行溫濕度與煙霧或可燃氣體濃度的檢測。

本設計將Arduino控制板的0號管腳（RX）、1號管腳（TX）分別與藍牙模塊的TX、RX腳相連；L298N電機驅動模塊的IN1、IN2、IN3、IN4接口與具有脈沖寬度調制的6、9、10、11號管腳相連；溫濕度模塊與數字5號管腳相連；煙霧氣敏傳感器需要與模擬串口相連，因此將之與A0口連接，與之功能相關聯的蜂鳴器接2號管腳。Arduino開發板管腳分配完成后，將L298N電機驅動模塊的OUT1、OUT2輸出口與左側直流減速電機相連，另一側以同樣方式與右側的直流減速電機相連，硬件連接的具體串口設置如圖2所示。

2.1Arduino主控制器單元

Arduino控制器[4，5]主要包含單片機、數字串口、模擬串口、晶振和5V穩壓器等部件（如圖3所示）。開發板通過USB數據接口與計算機連接進行程序的編譯與導入工作，在IDE中編寫程序代碼后，將程序通過USB接口上傳到Arduino開發板，開發板上的單片機進行程序的執行與數據的處理。本設計的Arduino UNO開發板的3，5，6，9，10和11號管腳具有脈沖寬度調制（PWM）功能，能夠提供舵機、電機驅動模塊等部件調速的功能。

2.2數據采集單元

環境數據采集功能主要依靠數字溫濕度傳感器和MQ-2煙霧氣敏傳感器實現溫濕度與煙霧或可燃氣體濃度的檢測。

2.2.1DHT11溫濕度傳感器

DHT11數字溫濕度傳感器主要包含采集技術和傳感技術，該傳感器包括濕式電阻和NTC電阻，其內部原理圖如圖4所示。

濕式電阻是將一層膜覆蓋在基片上，該膜由感濕材料制成。當感濕膜接觸到空氣中的水蒸氣時，元件的電阻值會隨著吸濕與脫濕過程中氫離子濃度的變化而變化，內置的轉換電路將最終的電壓變化計算后與濕度的變化相對應，這樣便可以測量環境中的濕度。[6]NTC電阻即負溫度系數電阻表示當環境溫度升高時電阻值下降，電壓輸出也會隨之變高，轉換電路再根據相應變化使電壓值與環境的溫度相對應。DHT11溫濕度傳感器的主要參數如表1所示。

2.2.2 MQ-2煙霧氣敏傳感器

氣敏電阻是MQ-2煙霧氣敏傳感器測量可燃氣體濃度的核心元件，它將檢測到的可燃性氣體的濃度轉換為電壓上傳給單片機。氣敏電阻具有P型半導體和N型半導體兩種。當它處于正常情況下時，N型半導體的氣敏電阻處于陰離子缺位的狀態，當氣敏電阻與可燃性氣體分子接觸時，電子將會從可燃性的氣體分子向N型半導體移動，半導體的電阻值也將會減小，從而改變電路的電壓值。[7]對于P型半導體的氣敏電阻是陽離子缺位，半導體的電阻會增加。由于溫度對半導體的電導率的影響較大，所以在使用時MQ-2煙霧氣敏傳感器測量可燃性氣體濃度時需要將其加熱。

2.3通信單元

手機與檢測小車通過藍牙模塊進行通信，將檢測得到的環境數據通過藍牙模塊發送回手機藍牙串口助手APP，實現手機對環境參數實時監測和小車的前進、后退及方向控制。

HC-05藍牙模塊與手機藍牙進行配對實現通信功能，HC-05藍牙模塊有六個引腳：VCC、GND、TXD、RXD、KEY、LED，當藍牙模塊處于不同的通信狀態時，模塊上的指示燈會呈現不同的閃爍狀態，便于用戶判斷藍牙模塊是否正常工作。若將KEY接高電平之后或同時給藍牙模塊上電，指示燈將會以每秒一次的頻率慢閃，模塊進入AT狀態不可進行配對任務；KEY懸空或接地時指示燈的狀態以每秒二次的頻率快閃，當藍牙模塊配對成功之后，指示燈將會變成雙閃狀態，每兩秒閃爍一次。在可配對狀態下將KEY接高電平，模塊又將退出可匹配狀態進入AT狀態，但此時指示燈的閃爍頻率與可匹配狀態下指示燈的狀態一致。本設計將KEY引腳懸空，各引腳功能如表2所示。

2.4小車運動單元

小車的運動功能主要依靠L298N電機驅動模塊以及DC3V-6V直流減速電機實現。L298N[8，9]（如圖5）內置的兩組H橋用來維持電機兩端電壓始終處于在高低電平之間。該模塊除了將12V電源轉換成5V供電給開發板外還可以驅動和控制兩路電機，當使能端ENA、ENB均為高電平時，通過組合不同的IN1、IN2狀態控制直流減速電機的不同運動狀態。

在對直流電機進行脈沖寬度調制以用來調節電機速度之前，需要先確定IN1和IN2口與直流電機的連接，確定電機的轉動方向。在確定直流電機的轉動方向后，再通過程序確定單片機的引腳與左右電機的對應關系，當需要調節直流減速電機速度的時候再輸出PWM脈沖進行調速。當IN1和IN2接口均為0狀態或均為1狀態時，兩個輸出接口所控制的對應直流電機制動。小車運動單元原理圖如圖6所示。

3.軟件設計

軟件部分采用模塊化設計，主要分為主程序、數據采集程序、藍牙通信程序、小車運動控制程序，程序設計流程圖如圖7所示，當某一功能的程序設計好就導入至Arduino開發板，導入后看功能是否正常實現，若能正常實現就再設計下一功能程序。若功能不能正常實現，則重新調試該部分程序，當四部分功能程序均完成后，再對四部分功能的程序進行組合拼接，不斷導入程序并調試，當所有功能均實現后，則程序設計完成。

對藍牙串口助手進行編輯（如圖8左），手機與檢測小車通過藍牙模塊進行通信，發送不同指令實現對小車的控制，實現手機對小車的前進、后退及方向控制，并將檢測得到的環境數據通過藍牙模塊發送回手機藍牙串口助手APP（如圖8右），當環境數據超過閾值時進行報警。

結語

本設計完成了用于環境數據采集藍牙控制小車的系統設計，通過手機藍牙與數據采集小車通信，無線遙控小車的運動狀態，藍牙控制范圍在10 m內，并將各傳感器采集的數據通過藍牙模塊傳送回手機藍牙串口助手APP，并且實現了根據煙霧濃度進行報警的功能。

參考文獻

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