基于Arduino 的智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與制作

王瑞祥 楊定成

（浙江東方職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 溫州325000）

在社會經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展與科學(xué)技術(shù)水平不斷提升的影響下，隨著各種智能系統(tǒng)與數(shù)字化設(shè)備、自動化控制技術(shù)等的不斷研究與開發(fā)應(yīng)用，也逐漸推動了空氣質(zhì)量與環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域中有關(guān)智能化、數(shù)字化設(shè)備以及自動化技術(shù)產(chǎn)品的研究與應(yīng)用，智能化、自動化與數(shù)字化逐漸成為各行業(yè)領(lǐng)域研究和發(fā)展的重要方向。其中，基于Arduino 的智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)是采用Arduino 單片機與各種環(huán)境監(jiān)測傳感器設(shè)備，通過對外部環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)測分析，在藍(lán)牙無線傳輸通信技術(shù)方式支持下，向有關(guān)接收設(shè)備或者是用戶手機等進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測與分析數(shù)據(jù)發(fā)送，以滿足其環(huán)境監(jiān)測需求，使用戶能夠根據(jù)環(huán)境監(jiān)測與分析結(jié)果及時進(jìn)行調(diào)節(jié)和管理，確保其環(huán)境質(zhì)量最優(yōu)化。值得注意的是，上述基于Arduino 的智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)在實際設(shè)計與開發(fā)過程中，為滿足系統(tǒng)開發(fā)與設(shè)計的環(huán)境保護(hù)和能源節(jié)約要求，專門采用了太陽能光伏板以及可充電電池進(jìn)行電源系統(tǒng)設(shè)計，以滿足其系統(tǒng)運行的電能需求，同時促進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)的綜合效益提升。將從系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計等方面，對基于Arduino 的智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與制作實現(xiàn)進(jìn)行研究，以供參考。

1 基于Arduino 的智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)及其結(jié)構(gòu)組成分析

基于Arduino 的智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)監(jiān)測設(shè)備與數(shù)據(jù)顯示設(shè)備兩大硬件設(shè)備部分組成，并且其系統(tǒng)的兩大硬件設(shè)備結(jié)構(gòu)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸是利用藍(lán)牙無線傳輸通信模塊實現(xiàn)的。如下圖所示，即為基于Arduino 的智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)組成示意圖。

基于Arduino 的智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

其中，基于Arduino 的智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，其數(shù)據(jù)監(jiān)測設(shè)備結(jié)構(gòu)中，主要采用光伏電源系統(tǒng)設(shè)計，為系統(tǒng)運行提供可靠的電能支持，此外，還包含Arduino 單片機以及各種環(huán)境監(jiān)測傳感器設(shè)備，系統(tǒng)運行中，通過各種環(huán)境監(jiān)測傳感器設(shè)備對監(jiān)測空間內(nèi)的各項環(huán)境參數(shù)進(jìn)行有效采集，一般包含光照強度以及環(huán)境溫度、濕度、PM2.5 濃度等數(shù)據(jù)類型，然后在有關(guān)算法支持下通過計算分析完成對數(shù)據(jù)信息的有效整合和處理，并根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸模塊中的藍(lán)牙無線傳輸通信協(xié)議對其通信傳輸進(jìn)行支持，向有關(guān)數(shù)據(jù)接收設(shè)備或者是用戶手機進(jìn)行傳輸。此外，結(jié)合上述基于Arduino 的智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計中，對數(shù)據(jù)監(jiān)測設(shè)備部分的環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測與采集傳感器設(shè)備的選擇和應(yīng)用情況，其比較常見的各類環(huán)境傳感器設(shè)備類型主要包括GY-5800 紫外線傳感器以及攀藤G7 激光PM2.5 粉塵傳感器、AHT10 數(shù)字溫濕度傳感器、CJMCU-TEMT6000X01 環(huán)境光傳感器等，而數(shù)據(jù)監(jiān)測設(shè)備結(jié)構(gòu)中的藍(lán)牙無線傳輸通信模塊主要采用了匯承HC-05 藍(lán)牙無線傳輸通信裝置，Arduino 單片機則采用Arduino ProMini 單片機設(shè)備。

其次，在基于Arduino 的智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，其數(shù)據(jù)接收設(shè)備結(jié)構(gòu)部分設(shè)計，是采用7 寸的LCD 觸摸屏以及藍(lán)牙無線傳輸通信模塊、可充電電源等結(jié)構(gòu)共同設(shè)計組成，在系統(tǒng)運行中能夠?qū)λ邮諗?shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析和處理，并將數(shù)據(jù)分析和處理結(jié)果以全數(shù)字化方式在顯示屏中進(jìn)行顯示，使系統(tǒng)用戶能夠通過顯示屏對環(huán)境監(jiān)測與分析結(jié)果進(jìn)行更加清晰與直觀的查看和獲取，從而對當(dāng)前的環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確掌握。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計分析

根據(jù)上述對基于Arduino 的智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析情況，在進(jìn)行該系統(tǒng)的硬件部分設(shè)計中，其設(shè)計內(nèi)容主要包括主控單片機以及藍(lán)牙無線傳輸通信裝置、傳感器設(shè)備等。其中，對系統(tǒng)的主控單片機設(shè)置主要采用Arduino ProMini單片機，該單片機設(shè)備不僅是一款具有高性能的AVR8 位Atmega328 型微控制器設(shè)備，并且其進(jìn)行系統(tǒng)運行控制應(yīng)用的能耗較低，工作頻率一般為16MHz，單片機內(nèi)設(shè)置有相應(yīng)的程序存儲器與EEPROM，其運行內(nèi)存等均能滿足該系統(tǒng)的控制需求。此外，本文進(jìn)行基于Arduino 的智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計中，所選擇使用的主控單片機設(shè)備，其內(nèi)部還集成設(shè)置有相應(yīng)的AD 轉(zhuǎn)換器，能夠?qū)? 路模擬量與6 路PWM的輸入進(jìn)行支持，且該控制單片機的外部通信連接接口類型較為豐富，分別設(shè)置有相應(yīng)的IIC、SPI 以及USART 通信接口，能夠滿足系統(tǒng)中各種模擬量與數(shù)字傳感器設(shè)備的通信接入需求，并通過通信連接對其系統(tǒng)進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測與智能運行進(jìn)行支持。

上述系統(tǒng)的藍(lán)牙無線傳輸通信裝置設(shè)計中，則主要采用了HC-05 藍(lán)牙無線傳輸通信模塊，其能夠通過與主控單（轉(zhuǎn)下頁）片機的微控制器串行端口進(jìn)行連接，以通過AT 指令對微控制器在系統(tǒng)運行中的工作參數(shù)設(shè)置等控制功能進(jìn)行滿足，同時對藍(lán)牙連接與其他設(shè)備之間的通信連接方式進(jìn)行有效匹配管理。需要注意的是，本文所設(shè)計的智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)藍(lán)牙無線傳輸通信模塊，其工作運行中能夠通過主模式與從模式兩種不同模式進(jìn)行運行實現(xiàn)，在智能家居以及遠(yuǎn)程控制、機器人、監(jiān)控系統(tǒng)等多種應(yīng)用中都能夠?qū)ζ渌{(lán)牙無線傳輸數(shù)據(jù)通信需求進(jìn)行滿足，以為系統(tǒng)運行提供可靠的數(shù)據(jù)通信支持。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計分析

上述智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計中，主要是進(jìn)行系統(tǒng)主控單片機設(shè)備中相應(yīng)的軟件控制程序開發(fā)與設(shè)計。在進(jìn)行上述智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的主控單片機控制軟件與程序設(shè)計中，是以Arduino 的C、C++編程語言作為基礎(chǔ)，對主控單片機的軟件程序中參數(shù)設(shè)置內(nèi)容以參數(shù)化形式呈現(xiàn)，從而對其軟件程序的開發(fā)與設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，以提高其軟件程序開發(fā)設(shè)計的簡便性與高效性。根據(jù)其系統(tǒng)主控單片機的軟件控制程序開發(fā)與設(shè)計情況，其在智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主控單片機設(shè)備控制運行中的主要工作流程表現(xiàn)為：該軟件程序的電源啟動后，經(jīng)過初始化處理，系統(tǒng)的光伏發(fā)電電源系統(tǒng)通過對最佳陽光入射角尋找和確定，為系統(tǒng)運行進(jìn)行穩(wěn)定性電源提供和支持，同時，系統(tǒng)中的環(huán)境監(jiān)測結(jié)構(gòu)部分開始對監(jiān)測目標(biāo)區(qū)域的環(huán)境參數(shù)及各項指標(biāo)結(jié)果進(jìn)行周期性監(jiān)測與數(shù)據(jù)采集，并對其監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一處理與校準(zhǔn)后向接收設(shè)備發(fā)送，以滿足系統(tǒng)的智能環(huán)境監(jiān)測功能需求，對智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的有效運行進(jìn)行支持。

總之，對基于Arduino 的智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與制作研究，有利于促進(jìn)其在有關(guān)實踐中進(jìn)一步設(shè)計和推廣應(yīng)用，不斷提高智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計水平及環(huán)境監(jiān)測工作效率提升，具有十分積極的作用和意義。