物聯網空氣質量監測儀實驗設計

【摘 要】本實驗旨在通過Mind＋編程和Arduino主板搭建一個物聯網空氣質量監測儀。通過本實驗，學生可通過Easy IoT平臺的使用和OBLOQ模塊的應用，提高物聯網技術的實踐應用能力。

【關鍵詞】Mind+編程；Arduino主板；Easy IoT物聯網平臺

【中圖分類號】G434 【文獻標志碼】B

【論文編號】1671-7384（2024）07-062-02

實驗背景及原理

隨著我國工業化和城市化的快速發展，空氣質量問題日益凸顯，對人們的健康和生活質量產生了嚴重影響。因此，對空氣質量進行實時監測和預警顯得尤為重要。物聯網技術的快速發展為空氣質量監測提供了新的解決方案。物聯網空氣質量監測儀能夠實時采集空氣質量數據，并通過網絡傳輸到遠程平臺進行分析和處理，為環境保護和公眾健康提供了有力保障。

本實驗旨在通過設計一個基于Mind+編程和Arduino主板的物聯網空氣質量監測儀，探索物聯網技術在空氣質量監測領域的應用。實驗通過空氣質量傳感器測得空氣質量數據后，利用網絡通信模塊和MQTT協議將數據上傳到Easy IoT物聯網平臺進行記錄，用戶可通過登錄平臺直接查看數據。這種基于物聯網的空氣質量監測方案具有實時性、遠程性和智能化等特點，對于提高空氣質量監測的效率和準確性具有重要意義。

實驗所需資源

1.硬件

（1）Arduino Uno主板；（2）Arduino接口擴展板；（3）OBLOQ物聯網模塊（串口）；（4）ENS160空氣質量傳感器模塊（I2C接口）；（5）計算機；（6）連接線材。

2.軟件

（1）計算機安裝Mind+編程軟件；（2）Easy IoT物聯網平臺。

實驗內容及過程

1.注冊和設置Easy IoT物聯網平臺

物聯網平臺是一種管理和處理物聯網設備和數據的軟件平臺。它能夠遠程管理和控制設備，并能夠實時傳輸、收集和分析數據，實現設備端和用戶端的互聯互通。

Easy IoT物聯網平臺是一個旨在簡化和加速物聯網設備的連接和管理的物聯網平臺。它提供了易于使用的工具和界面，使用戶能夠輕松地將各種設備和傳感器連接到云平臺，并實時監控和控制這些設備。

該平臺使用方法是：（1）打開平臺地址：https：//iot.dfrobot.com.cn/。（2）利用手機號注冊Easy IoT物聯網平臺后，進入“工作間”，點“+”號，依次創建三個設備，名稱分別為“CO2濃度”“TVOC濃度”和“空氣質量指數”。這時可以看到每個設備都有一個“Topic”，從左起編號分別為“Topic0”“Topic1”“Topic2”，這三個“Topic”的值在編程時會用到。另外，一個用戶一共可以記錄10 000個數據，每個設備默認可以記錄的數據為1000個，可自行調整。“工作間”左側Iot_id（user）和Iot_pwd（password）十分重要，可以點擊“”進行查看和復制，在編程時要用到這兩個值。

2.連接硬件

Arduino主控板是一個微控制器板，包含微處理器、輸入/輸出引腳、電源和其他功能模塊，可用于構建相關電子項目和設備。Arduino主控板可以通過各種擴展板來增強功能，擴展板可以添加傳感器、執行器、顯示器、無線模塊等。Arduino主控板可用于各種相關項目，從簡單的家庭自動化到復雜的機器人和科學儀器等。它們也被廣泛應用于教育、藝術、研究和工業自動化等領域。

Arduino主控板與OBLOQ物聯網模塊和ENS160空氣質量傳感器連接過程是：（1）組合Arduino主板和接口擴展板；（2）將OBLOQ物聯網模塊連接到擴展板，紅線接V（電源），黑線接G（地），綠線接數字2引腳，藍線接數字3引腳；（3）將ENS160空氣質量傳感器模塊接到擴展板。注意ENS160模塊SCL、SDA引腳要和接擴展板上的SCL、SDA引腳對應相接；VCC、GND引腳和主板上V、G引腳對應相接。

3.程序編寫

Mind+是由DFRobot公司開發的圖形化編程軟件，旨在幫助用戶通過拖拽圖形化程序塊的方式進行編程，無需深厚的編程知識即可控制各種開源硬件，如Arduino、micro：bit和掌控板等。該軟件支持與Scratch3.0兼容，同時也支持使用Python、C、C++等高級編程語言進行編程，使得用戶可以輕松體驗創造的樂趣。

Mind+是一款功能豐富、易于上手的編程軟件，適合不同年齡段和不同編程水平的用戶使用，無論是進行教育學習還是創新項目開發，Mind+都能提供強大的支持。本實驗Mind+編程如下。

（1）啟動Mind+軟件，選擇上傳模式。

（2）在左下角擴展中將Arduino UNO主控板、ENS160空氣質量傳感器和OBLOQ物聯網模塊添加入Mind+中。

（3）在主程序中進行OBLOQ物聯網模塊的初始化。

①在通信模塊中選擇“Obloq mqtt初始化”命令，接口選“軟串口”，Rx（綠）選“2”，Tx（藍）選“3”。

②點擊進行網絡和物聯網平臺配置。在Wi-Fi配置中，配置好無線網（只支持2.4G頻率，不支持5G頻率）。將Iot_id、Iot_pwd和三個對應的Topic值分別復制粘貼到物聯網平臺參數對應位置，服務器選擇“中國”。

（4）對ENS160模塊進行初始化。在左側模塊區傳感器中選擇初始化“ENS160 I2C地址”命令，設置I2C地址為“0x52”（具體數值要參考ENS160模塊說明書，有些模塊地址為“0x53”）。

（5）編寫讀取和發送數據程序。①左側模塊區通信模塊中選取“Obloq發送消息‘hello’至Topic_0”；②傳感器中選擇“ENS160讀取CO2濃度”，并將此條命令與OBLOQ發送消息命令組合；③復制兩個組合好的命令，參數分別對應修改為“TVOC濃度、Topic_1”和“空氣質量指數、Topic_2”；④左側“控制”中選擇“等待1秒”命令，根據需求修改等待的數值后，組合在三條發送消息命令后；⑤左側“控制”中選擇“循環執行”，將發送消息和等待命令放到“循環執行”中，使讀取數據和發送消息持續循環執行，并根據等待時間讀取和發送一個數據（圖1）。

圖1 圖形化程序

（6）將主控板用USB連接線與計算機連接后，在Mind+菜單中選擇“連接設備>COM*-CH340”。設備連接后點擊右側“上傳到設備”，將程序上傳主控板。

（7）程序上傳后主控板自動重啟，觀察OBLOQ模塊指示燈，如果網絡連接成功，指示燈會變為綠色。

（8）設備網絡連接成功后，設備會讀取相應的空氣質量數據，并發送到Easy IoT物聯網平臺，平臺會自動記錄。相關人員登錄Easy IoT物聯網平臺即可查看數據。

總 結

本實驗是一個典型的物聯網應用實驗，通過實驗有助于學生理解物聯網應用中硬件連接協議（串口通信、I2C協議等）及MQTT物聯網通信協議。本實驗中涉及的硬件在電商平臺均有銷售，價格低廉。Easy IoT物聯網平臺也可免費使用，10 000條數據的記錄量可滿足學習需要。本實驗線路連接不復雜，操作難度較低，程序結構也比較簡單，適于初學編程及物聯網學習者。