基于物聯網的戶外便攜式環境監控系統設計

摘要：隨著無線局域網技術的快速發展，無線終端已經融入了人們的生活，該文基于物聯網研究并開發了一款戶外便攜式環境監控系統。當前市面上的環境監測儀大多數應用于空氣、湖泊、海洋、河流等大型系統檢測，基于此，該文采用嵌入式開發平臺，通過物聯網技術，在移動終端開發Android界面，用戶通過網絡實現對戶外環境（如溫濕度信息、光照信息、PM2.5等）的實時監控，裝置便攜、功耗低，測試精度高。

關鍵詞：環境監控;物聯網技術;嵌入式系統;無線終端設備

中圖分類號：TP334.3? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）01-0128-03

健康中國的推進、人類命運共同體的構建，都提出保護美好社會生活環境的愿景，環境對生活的影響已經成為一個熱點問題[1-2]。市面上的環境監測裝置功能單一化，一般只能監測某一種環境因素，不能夠很好地滿足人們的需求。本文擬從研究的熱點技術出發，以物聯網技術和傳感器技術為突破點[3-6]，研究以及物聯網技術和傳感器技術、電子信息技術組成的多功能環境監測系統，可以同時監測多路信息，比如溫度、濕度、光照強度、大氣壓強、PM2.5、氨氣、硫化物、煙霧和苯系蒸汽等[7-9]。幫助人們更準確地監測環境參數，力求最大限度改善環境，使人們的生活更加美好。

目前國內現在對環境監測還停留在傳統的人工環境監測方法，幾乎還基于單片機終端監測很少具有實時通信功能[10-12]。產品的現場安裝受使用環境所限，環境應用適用性差，測控手段單一。很難進行遠距離的監控和報警。

1 整體方案設計

該系統采用的是5V供電，主要是以STM32平臺作為主控制器，WIFI通信，通過STM32采集傳感器檢測到的數據[13-16]，并且通過wifi發送到手機客戶端，檢測后通過設置最低值和最高值，當檢測到超過設置的最高值的時刻，系統就會提示報警。

系統總體框圖如圖1所示。

2 硬件電路設計

2.1 WIFI通信模塊

WIFI模塊的電路原理圖如圖2所示。設計采用ESP8266模塊，實現物理設備與互聯網和局域網通訊。

2.2 報警模塊

報警電路主要由蜂鳴器和LED組成，當環境數據超過閾值時，蜂鳴器報警，LED點亮。

該模塊的電路連接圖如圖3所示。

2.3 溫濕度模塊

溫濕度模塊采用DHT11數字溫濕度傳感器設計，具體的電路設計原理圖如圖4所示。

2.4 光照強度模塊

采用光敏電阻作為信號采集器件。光敏電阻是基于光電導效應的一種光電器件，無光照時， 光敏電阻值（暗電阻）很大， 電路中電流（暗電流）很小;當受到光照時，半導體材料電導率增加，電阻減小。其阻值隨光照增強而減小。光敏電阻作為光電式傳感器的一種，它具有靈敏度高、光譜響應范圍寬;體積小、重量輕、機械強度高、耐沖擊、耐震動、抗過載能力強和壽命長等特點。該模塊在電路連接中圖如圖5所示。

2.5 空氣質量模塊

空氣質量檢測模塊采用MQ135氣體傳感器，該模塊的電路連接圖如圖6所示。

3 軟件設計

該系統主要由STM32通過DMA采集多通道的ADC接口來連接光照強度、PM2.5模塊、空氣質量模塊，采集到傳感器的模擬量后，通過算法，進而得到光照強度、PM2.5和空氣質量的值;并通過I2C和BMP180通信得到大氣壓的數值;通過單總線和DHT11通過得到溫濕度的數值;采集的環境數據在LCD5110液晶上顯示;并通過串口來與WIFI模塊進行通信，通過串口配置與WIFI模塊一樣的波特率，然后發送特定的AT指令，可以對WIFI模塊進行配置及控制，使得可以與手機進行通信，最后通過串口將采集傳感器的數值經過WIFI模塊發送到手機App上，進而就可以實現在Android平臺上，手機對環境數據的檢測。

4? 實驗測試

在硬件調試的過程中，利用AD繪制完原理圖，根據原理圖設計好電路板后，對板進行了檢查，確認整體的電路設計沒有問題后，確定無誤后再進行元器件的焊接。焊接完成后，對焊接的地方進行檢查，檢查是否有虛焊或者漏焊，確認沒問題后。再針對電源供電部分進行檢查，看MCU等各個部分的供電是否正常。然后下載之前在開發板上調試過的程序，看是否在本系統中是否能正常運行。雖然在調試的過程中遇到了一些問題，但是經過各種排查和解決，終于達到了設定的目標功能。

5? 結論

本文在分析當前環境檢測存在的問題和重點研究領域出發，設計完成了一款基于物聯網的環境檢測系統。具體完成了整體方案的設計、硬件單元電路的設計以及軟件設計，能夠對溫度、濕度、大氣壓、光照，PM2.5以及空氣質量進行檢測，經過實際測試，整個系統工作穩定、準確。

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【通聯編輯：梁書】

收稿日期：2021-09-10

作者簡介：陳新喜（1969—），男，湖南株洲人，副教授，主要研究方向為電子信息技術、嵌入式技術應用等。

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