基于Arduino的智能環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、基于Arduino的智能環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要： 針對(duì)實(shí)時(shí)環(huán)境狀況監(jiān)測(cè),設(shè)計(jì)了一種基于Arduino的環(huán)境狀況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以Arduino UNO和各類傳感器為核心,設(shè)計(jì)并編寫了Arduino UNO程序,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、便捷地監(jiān)測(cè)周圍環(huán)境的溫度、濕度、光照及噪音變化情況，并采集傳感器數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)測(cè)平臺(tái)。實(shí)踐表明，該設(shè)計(jì)能夠經(jīng)濟(jì)、高效地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，可用于實(shí)時(shí)環(huán)境狀況的快速監(jiān)測(cè).關(guān)鍵詞: Arduino；智能；環(huán)境監(jiān)測(cè)；溫濕度監(jiān)測(cè)0 引言近兩年，工業(yè)化進(jìn)程的日益發(fā)展導(dǎo)致環(huán)境污染問題日益突出，隨著環(huán)境狀況的不斷惡化，各地霧霾天氣日益嚴(yán)重，已經(jīng)影響到了人們的正常出行、生活以及健康，因此人們掌握了解自

2、身所處周邊環(huán)境狀況信息的需求越來越迫切。伴隨著當(dāng)前移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展, 3 G、WiFi、GPRS等無線通信方式的實(shí)現(xiàn)和廣泛應(yīng)用，都為實(shí)時(shí)環(huán)境狀況監(jiān)測(cè)提供了條件，人們可以隨時(shí)隨地了解自己所處的環(huán)境狀況信息，為出行和生活提供便捷服務(wù)，為尋求更加健康的環(huán)境提供依據(jù)。本文主要研究利用現(xiàn)有的成熟傳感技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)獲取環(huán)境狀況信息，這種實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單快速，成本低廉，具有很高的實(shí)用性.Arduino是近年來快速流行起來的一種控制器，它是一個(gè)硬件平臺(tái)，使用的核心是一個(gè)AVR芯片，整塊控制板類似于單片機(jī)開發(fā)板,但是在功能上強(qiáng)大了很多。本文基于Arduino平臺(tái)設(shè)計(jì)一個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng),用來檢測(cè)一天中

3、溫度、濕度、光照以及噪音變化情況,并將數(shù)據(jù)寫入SD卡中進(jìn)行分析，具有很高的實(shí)用性。1. Arduino UNO主控板及傳感器Arduino是一款便捷靈活、方便開發(fā)者使用和上手的開源電子原型平臺(tái)，包含各種型號(hào)的Arduino板及擴(kuò)展板硬件資源和Arduino IDE軟件資源。Arduino不僅僅是全球最流行的開源硬件，也是一個(gè)優(yōu)秀的硬件開發(fā)平臺(tái)，更是當(dāng)前硬件開發(fā)的趨勢(shì)。本設(shè)計(jì)主要采用Arduino UNO主控板、DHT11溫濕度傳感器模塊、光照強(qiáng)度傳感器以及聲音傳感器，外接SD卡進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ).1。1 Arduino UNO主控板及擴(kuò)展板Arduino由一個(gè)基于Atmel AVR單片機(jī)的開放源碼的

4、硬件平臺(tái)和一套專門的開發(fā)環(huán)境組成.Arduino UNO1是目前使用最廣泛的Arduino控制器，具有Arduino的所有基本功能。UNO的處理器核心是ATmega328，它包括14路數(shù)字輸入/輸出接口（其中6路可作為PWM輸出，6路模擬輸入），一個(gè)16 MHz晶體振蕩器，一個(gè)USB接口,一個(gè)電源插座,一個(gè)ICSP接口和一個(gè)復(fù)位按鈕，其結(jié)構(gòu)和引腳電路2。在掌握了Arduino UNO開發(fā)技術(shù)以后,就可以將自己編寫的代碼輕松地移植到其他型號(hào)的控制器上，可以用來開發(fā)交互產(chǎn)品，比如可以讀取大量的開關(guān)和傳感器信號(hào),并且可以控制各式各樣的電燈、電機(jī)和其他物理電子設(shè)備等。1。2 DHT11溫濕度監(jiān)測(cè)模塊D

5、HT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，它采用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保該傳感器模塊具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性能3.DHT11采用單總線方式與Arduino進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，單線制串行接口使系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)易快捷.該傳感器體積超小、功耗極低，信號(hào)傳輸距離可達(dá)20 m以上,同時(shí)具有精度準(zhǔn)確、讀取靈敏等優(yōu)點(diǎn),使其成為各類應(yīng)用甚至最為苛刻應(yīng)用場(chǎng)合的最佳選擇。DHT11數(shù)字溫濕度傳感器可以測(cè)出實(shí)時(shí)的環(huán)境溫度和相對(duì)濕度，溫度范圍為050，溫度的檢測(cè)精度為1；它的相對(duì)濕度范圍為20 RH90 RH，檢測(cè)精度為1 RH，兩次讀取傳感器數(shù)據(jù)的時(shí)間采樣周期間隔

6、不低于1 s4。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件,并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接,因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、響應(yīng)超快、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。每個(gè)DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式存在OTP內(nèi)存中,傳感器內(nèi)部在檢測(cè)型號(hào)的處理過程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù).1。3 光敏強(qiáng)度傳感器熱敏模塊用于溫度檢測(cè)，對(duì)所處環(huán)境的溫度進(jìn)行檢測(cè)，采用NTC 10 k?贅熱敏電阻，靈敏度好，當(dāng)溫度升高時(shí)，電阻值會(huì)隨之降低,模擬值輸出為01 023，結(jié)合Arduino的傳感器擴(kuò)展板用模擬口便可以讀取模擬值。光敏電阻器是利用半導(dǎo)體的光電導(dǎo)效應(yīng)制成的一種電阻值隨入射光的

7、強(qiáng)弱而改變的電阻器,又稱為光電導(dǎo)探測(cè)器.當(dāng)入射光強(qiáng)時(shí)電阻減小，入射光弱時(shí)電阻增大.光敏電阻器可用來對(duì)周圍環(huán)境光的強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè),結(jié)合Arduino控制器可實(shí)現(xiàn)光的測(cè)量，可通過3P傳感器連接線與Arduino專用傳感器擴(kuò)展板結(jié)合使用.1。4 聲音傳感器模擬聲音傳感器聲音模塊對(duì)環(huán)境聲音強(qiáng)度最敏感，一般用來檢測(cè)周圍環(huán)境的聲音強(qiáng)度。該傳感器在環(huán)境聲音強(qiáng)度達(dá)不到設(shè)定閾值時(shí)輸出高電平，當(dāng)外界環(huán)境聲音強(qiáng)度超過設(shè)定閾值時(shí)輸出低電平；小板數(shù)字量輸出可以與單片機(jī)直接相連，通過單片機(jī)來檢測(cè)高低電平，由此來檢測(cè)環(huán)境的聲音；小板數(shù)字量輸出可以直接驅(qū)動(dòng)繼電器模塊，由此可以組成一個(gè)聲控開關(guān)，可以使用它制作聲控開關(guān)等。此傳感器

8、只能根據(jù)震動(dòng)原理識(shí)別聲音的有無，不能識(shí)別聲音的大小或者特定頻率的聲音,其靈敏度可通過數(shù)字電位器調(diào)節(jié)。Arduino可以通過模擬輸入接口對(duì)其輸出信號(hào)進(jìn)行采集.2. 硬件設(shè)計(jì)溫度、濕度、光照和聲音傳感器采集到的都是模擬信號(hào)，需要從模擬量轉(zhuǎn)換到數(shù)字量，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)字式輸出.各個(gè)傳感器與Arduino連接也非常方便，只需將其輸出端接到Arduino相應(yīng)的數(shù)字引腳;也可以采用Arduino傳感器擴(kuò)展板，將傳感器的輸出端直接連在擴(kuò)展板上。硬件連接示意圖。將DHT11溫濕度模塊的VCC、GND、DOUT引腳分別接至Arduino UNO控制板上的+5 V、GND、數(shù)字端口2，還需要在VCC與DOUT之間串聯(lián)一

9、個(gè)5 k的上拉電阻。將光敏傳感器的VCC、GND、DOUT引腳分別接至Arduino UNO控制板上的+5 V、GND、模擬引腳端口A0。將聲音傳感器VCC、GND、DOUT引腳分別接至Arduino UNO控制板上的+5 V、GND、模擬引腳端口A1。將SD卡模塊VCC、GND引腳分別接至Arduino UNO控制板上的+5 V和GND，MISO、MOSI、SCLK、CS 4個(gè)引腳分別連接控制板上的10、11、12、13端口。3. 軟件設(shè)計(jì)3。1 Arduino IDEArduino IDE是一個(gè)專門用來編寫Arduino程序的軟件,將程序編寫好后,就可以通過此軟件上傳程序到Arduino開

10、發(fā)板中執(zhí)行。AVR單片機(jī)中的程序是使用Arduino庫(kù)寫成的，Arduino的集成開發(fā)環(huán)境使用起來簡(jiǎn)單方便，簡(jiǎn)化了單片機(jī)工作的流程,對(duì)AVR庫(kù)進(jìn)行了二次編譯封裝,把端口都打包好了,寄存器、地址指針之類的基本不用管,大大降低了軟件開發(fā)難度。在計(jì)算機(jī)端安裝好Arduino IDE軟件開發(fā)環(huán)境后,使用USB線將Arduino UNO連接至計(jì)算機(jī)的USB端口為控制板供電，即可進(jìn)行程序的編寫、下載和調(diào)試5。3。2 實(shí)現(xiàn)程序Arduino實(shí)現(xiàn)主要程序代碼如下:#includelt；SD。h>includelt；dht11.h>dht11 DHT11；define DHT11_P

11、IN 2/DHT11引腳#define LIGHT_PIN A0/光敏引腳const int chipSelect=4；/SD卡CS選擇引腳void setup（)Serial。begin（9600)；/初始化串口pinMode（10，OUTPUT)；/將SS引腳設(shè)置為輸出狀態(tài)，UNO為10號(hào)引腳Serial。println（quot；Initializing SD cardquot;）；/初始化SD卡if（！SD。begin（chipSelect）Serial。println（quot;initialization failed!quot;）；return;Serial.println（qu

12、ot；initialization done。"）;void loop（）Serial。println(quot;Read data from DHT11quot；)；DHT11。read（DHT11_PIN）；/讀取DHT11的數(shù)據(jù)Serial。println(quot；Read data from Light Sensorquot；）；/讀取光敏模塊數(shù)據(jù)int light=analogRead(LIGHT_PIN）；Serial。println（quot；Open file and write dataquot；)；File dataFile=SD。open（quot；d

13、atalog.txtquot；,FILE_WRITE)；/打開文件并將DHT11檢測(cè)到的數(shù)據(jù)寫入文件if（dataFile)dataFile。print（DHT11。humidity）；dataFile。print(quot；,quot；）；dataFile。print（DHT11。temperature）；dataFile.print（"，")；dataFile.println(light）;dataFile.close（）；elseSerial。println（quot；error opening datalog。txtquot；）；Serial.pri

14、ntln(quot；Wait for next loopquot；）；/延時(shí)1 mindelay（60000）；3.3 數(shù)據(jù)導(dǎo)出并繪制圖表分析連接的SD卡記錄到不同傳感器的數(shù)據(jù)后,通過計(jì)算機(jī)打開SD卡,可以看到名為datalog.txt的文件,這就是數(shù)據(jù)記錄器所采集到的數(shù)據(jù)環(huán)境.分析數(shù)據(jù)并繪制圖表的方法很多,可以采用很多專業(yè)的軟件完成。本設(shè)計(jì)只需要做一些簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)分析，因此在Excel中即可完成.將SD卡中數(shù)據(jù)記錄器記錄的文本數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Excel中，導(dǎo)入方法如下6：(1）首先在EXCEL中選擇“文件”“打開"菜單項(xiàng)，會(huì)彈出打開文件窗口，在打開的窗口中將打開文件類型選擇為“所有文件（.*)”，然后打開需要導(dǎo)入的文件并打開；(2）單擊“打開"按鈕后,會(huì)彈出文本導(dǎo)入向?qū)?，Excel會(huì)對(duì)文本進(jìn)行分行處理和分列處理；（3)被導(dǎo)入的文本按行和列分好后，選擇其中的一列數(shù)據(jù)(即某一傳感器的數(shù)據(jù))，根據(jù)數(shù)據(jù)選擇生成相應(yīng)形式的數(shù)據(jù)折線圖，顯示數(shù)據(jù)的變化情況。4. 結(jié)論本設(shè)計(jì)利用DHT11溫濕度傳感器、光敏傳感器、聲音傳感器組成了環(huán)境監(jiān)測(cè)的基本因素,實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫濕度、環(huán)境光以及噪音的快捷實(shí)時(shí)檢測(cè),可以方便地掌握自己身處的環(huán)境情況。本設(shè)計(jì)具有價(jià)格低廉、