基于物聯網的便攜式智能環境監測系統

摘 要：隨著物聯網技術的飛速發展，為解決有害氣體和火災帶來的安全問題與環境污染帶來的健康問題，設計了一種便攜式智能環境監測系統。該系統以Arduino Nano為控制板，結合各類傳感器模塊、藍牙模塊、WiFi模塊和OneNET物聯網平臺，可監測環境中是否含有影響生命安全的有害氣體，是否發生火災，也可監測空氣溫濕度、聲音強度和光照強度，實現對環境狀況的實時監測，保障用戶的生命與財產安全。

關鍵詞：物聯網技術；Arduino Nano；OneNET平臺；環境監測；OLED顯示屏；蜂鳴器

中圖分類號：TP29 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）04-00-03

0 引 言

近年來，隨著生活水平的不斷提高，人們開始關注環境問題，同時大量研究機構開始投入到環境監測系統的研發[1-3]，加之物聯網技術的飛速發展，環境監測設備應運而生[4-5]。人們通過相關環境監測系統搜集火情，測量有害氣體體積分數、噪聲強度、光照強度和溫濕度等參數并進行數據分析，以實現環境的監測與優化。目前的智能監測系統大多應用于特定場景，并不能實時監測用戶所處的環境[6-7]。考慮到智能手機、平板電腦和筆記本電腦等電子設備的普及，本文提出了一種便攜式智能環境監測系統，便于用戶實時查看所處場景的各項環境數據，以預防火災發生和有害氣體中毒，保障用戶生命安全；同時可避免用戶長期處于不健康的生活環境中，保障其身體與心理健康。該便攜式智能環境監測系統可滿足各類人群需求，例如父母可以查看兒童或青少年所處環境，子女也可實時關注老年父母所處的環境。同時該便攜式智能環境監測系統可大范圍運用于校園，做到及時排查校園火災或者環境質量隱患，保障學生安全。

1 系統總體設計

便攜式智能環境監測系統由感知層、傳輸層與應用層構成，分別包含主控板、傳感器模塊、無線網絡通信模塊、藍牙模塊、聲音報警模塊、OLED顯示屏模塊、蜂鳴器和OneNET物聯網平臺等部分。該系統由主控板控制各傳感器采集環境數據[8-10]，隨后將數據封裝成OneNET PaaS物聯網開放平臺支持的數據格式并通過無線網絡通信模塊發送到平臺[11]。用戶可注冊登錄查看相關數據。發生異常情況時，該便攜式智能環境監測系統可通過蜂鳴器發出警報聲，也可通過OLED顯示屏反饋異常情況。該系統可以實時監測火情、有害氣體體積分數、噪聲強度、光照強度與空氣溫濕度等，并對異常情況發出警報。這一過程充分體現了基于物聯網技術的智能化、及時化、精細化管理，將影響人們安全與健康的潛在威脅數據化、可視化，有利于對智能環境監測系統的研究[12]。系統總體設計框架如圖1所示。

1.1 感知層設計

1.1.1 主控板

系統主控板選擇Arduino Nano。這是一款基于ATMega328P微控制器的多功能小型開發板，共有14個數字引腳和6個模擬引腳，包含5 V和3.3 V的電源輸出引腳，尺寸為44 mm×17 mm×5 mm，能實現系統硬件電路的控制。使用過程中利用Arduino IDE 將程序燒錄到開發板中，對開發板的數據進行處理。Arduino Nano開發板具有價格低廉、尺寸小、重量輕等特點，方便攜帶。

1.1.2 火焰傳感器

火焰傳感器可監測火焰或波長在760～1 100 nm范圍的光源，工作電壓范圍為3.3～5 V，尺寸為39 mm×15 mm×12 mm。火焰傳感器對火焰光譜特別靈敏，能在80 cm處檢測到打火機火焰，且火焰越大，測試距離越遠。該傳感器可有效運用于對火焰的監測。

1.1.3 MQ-2氣體傳感器

MQ-2氣體傳感器適用于一氧化碳、液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氫氣、煙霧等探測場景，探測范圍廣泛，并且具有靈敏度高、響應迅速、穩定性強、壽命長等多項優點。MQ-2氣體傳感器的工作電壓為5 V，尺寸為32 mm×21 mm×22 mm，在-10～50 ℃溫度范圍、小于95%RH的相對濕度下都可以正常工作。

1.1.4 聲音傳感器

本文采用LM2904聲音強度檢測模塊作為聲音傳感器。該模塊采用原裝高靈敏度咪頭和LM2904運算放大器，具有功耗低、總諧波失真小的優點，可用于檢測聲音的強度。模塊工作電壓為5 V，尺寸為39 mm×17 mm×9 mm。在封閉環境中，若正常說話，則可在10 m半徑范圍內被檢測到。

1.1.5 溫濕度傳感器

本文采用DHT11數字溫濕度傳感器監測環境中的溫度與濕度。該模塊穩定性高，能耗低，有著超長的信號傳輸距離。DHT11數字溫濕度傳感器溫度測量范圍為0～50 ℃，精度達到±2 ℃；濕度測量范圍為20%RH～90%RH，精度達到±5%RH。其工作電壓為5 V，尺寸為22 mm×16 mm×7 mm。

1.1.6 光敏電阻傳感器

光敏電阻傳感器采用靈敏型光敏電阻，基于內光電效應，信號干凈，波型好，驅動能力強。光敏電阻對環境光線最敏感，一般用來監測周圍環境的光照強度，觸發單片機或繼電器模塊。其工作電壓為5 V，尺寸為21 mm×15 mm×6 mm。

1.1.7 無源蜂鳴器

本系統采用無源蜂鳴器作為發聲報警裝置，及時引起用戶警覺，無源蜂鳴器是一種無需外部電源供電的報警裝置，當數據異常時，無源蜂鳴器會發出蜂鳴聲報警，以提醒用戶排查潛在危險，因此該裝置可以認為是一種利用聲學發聲方式完成報警的電磁傳感裝置。無源蜂鳴器的工作原理是利用變壓器的磁通現象，通過磁感應作用，將直流電調制成交流電，然后形成高分貝聲音進行報警。無源蜂鳴器的工作電壓為5 V，尺寸為19 mm×15 mm×11 mm。

1.1.8 OLED顯示屏

基于便攜式需求，結合顯示屏的尺寸與質量，本系統選擇OLED顯示屏作為用戶端界面，向用戶展示數據的正常與異常情況，并及時向用戶發出相關提示。OLED是基于有機材料的一種電流型半導體發光器件。目前典型的OLED器件結構由前玻璃基板、ITO透明顯示電極（陽極）、空穴注入層、空穴傳輸層、發光層、電子傳輸層、電子注入層、金屬電極（陰極）組成。OLED顯示屏的工作電壓為5 V，尺寸為26 mm×27 mm×3 mm。

1.1.9 按鍵開關

使用按鍵開關時以滿足操作力的條件向開關操作方向施壓，使開關閉合；當撤銷壓力時開關斷開。其依靠金屬彈片受力變化來實現通斷。選用按鍵開關實現蜂鳴器和OLED顯示屏警報后的復位，其尺寸為18 mm×15 mm×5 mm。

1.2 傳輸層設計

1.2.1 WiFi模塊

系統采用ESP8266EX串口WiFi模塊。該模塊體積小，功耗低，包含激活模式、睡眠模式和深度睡眠模式，通信距離可達100 m。開發板通過ESP8266EX串口WiFi模塊將數據傳輸到電腦和手機，適用于有WiFi的場景，可實現遠程數據觀察。WiFi模塊的工作電壓范圍為3.0～3.6 V，尺寸為24 mm×14 mm×3 mm。

1.2.2 藍牙模塊

針對無WiFi場景，系統選用HC-06藍牙模塊確保系統能實時連接到手機。HC-06藍牙模塊用于短距離無線通信，輸入電壓范圍為3.2～6 V，空曠環境下有效傳輸距離為10 m，尺寸為38 mm×15 mm×4 mm。

1.3 應用層設計

系統的應用平臺選用由中國移動打造的OneNET PaaS物聯網開放平臺。該平臺可輕松實現設備接入與設備連接，快速完成產品的開發部署。OneNET平臺提供統一的MQTT、LWM2M和泛協議標準接入SDK，支持直連、網關、云云對接等多種方式，還提供了豐富的APP設備控制面板，支持智能語音控制、消息推送、智能場景配置等智能化服務，滿足本文所設計的便攜式環境監測系統的用戶應用需求。

2 系統實現

2.1 硬件模型

圖2所示為便攜式智能環境監測系統所需硬件實物。

為確保監測系統輕便易攜帶，本文采用充電式電源，將所有硬件封裝在透明外殼內。透明外殼表面嵌入開關用于重置蜂鳴器與OLED顯示屏異常警報，上端設置氣孔方便氣體流通以監測有害氣體，頂部加裝一個繩掛扣。由于火焰傳感器和光敏電阻傳感器需要感應光源，因此將火焰傳感器設計在最左側以接收光源，光敏電阻器上的光敏電阻正對透明外殼。基于硬件設備的尺寸和使用需求，最終產品大小為74 mm×68 mm×62 mm，總重量約為250 g，可輕松懸掛于鑰匙扣、書包等日常用品上。圖3所示為系統3D模擬設計。

2.2 設備終端

便攜式智能環境監測系統具備5種監測功能，分別為有害氣體監測、火情監測、聲音強度監測、空氣溫濕度監測與光照強度監測，并通過蜂鳴器發聲和OLED顯示屏顯示來提醒用戶出現的環境問題。當系統監測到火情或者有害氣體時，不僅OLED顯示屏會彈出警告提示，蜂鳴器也會發出鳴響報警，以便用戶第一時間發現安全威脅。用戶在排查完威脅后可通過透明外殼上的按鍵開關復位蜂鳴器和OLED顯示屏以關閉警報。當系統監測到聲音強度過高、溫濕度過高或過低、光照強度過強時，為避免影響用戶正常生活、工作和學習，此時不會觸發蜂鳴器報警，但會在OLED顯示屏彈出警告提示。圖4所示為系統硬件設備終端工作流程。

2.3 平臺管理

在OneNET物聯網開放平臺上選擇“和物生活”物聯網平臺服務，可自主進行產品開發。根據傳感器特性和實際應用需求對產品開發進行物模型設置，如圖5所示。

通過物模型，用戶可以清晰查看設備的名稱、功能與服務。開發過程中選擇基于SDK開發，平臺可自動生成功能接口SDK代碼，下載SDK后移植代碼并進行嵌入式開發，開發者可獲取SDK產品ID、設備名稱和設備密鑰。在開發過程中，平臺還提供了便捷的測試服務，測試結果如圖6所示。

3 結 語

本文研究的便攜式智能環境監測系統可有效監測環境中是否含有影響生命安全的有害氣體，是否發生火災，以保障用戶的生命、財產安全；還可以監測空氣溫濕度、聲音強度和光照強度，保障用戶的身體健康。在實現過程中，該系統通過傳感器對以上數據進行監測，同時Arduino Nano主控板通過藍牙模塊和WiFi模塊將傳感器數據傳輸到OneNET平臺；用戶可通過OneNET平臺PC端和APP端查看實時數據，同時硬件終端蜂鳴器和OLED也會發出警告，滿足攜帶者和觀察者的需要。本系統功能全面，成本低廉，攜帶方便，可運用于各類人群與場景，有利于針對環境的智能監測，擴充了物聯網應用場景的案例。

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