基于Arduino的智能環(huán)境監(jiān)測

1、 目錄1設計背景及概述1研究目的和意義1應用背景1社會效益與經(jīng)濟效益32項目設計原理3原理概述3硬件設計原理4設計框圖11軟件設計原理及思想123操作流程、實驗調試過程12操作流程12實驗調試過程124實驗中出現(xiàn)的問題及解決情況135附程序源代碼參數(shù)設計131設計背景及概述研究目的和意義隨著社會的發(fā)展，生產(chǎn)技術的更新，物聯(lián)網(wǎng)理念如今已經(jīng)逐漸深入人心，并隨著傳感器技術、通信技術和物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展逐漸觸及社會的每一個角落。一個智能化的控制系統(tǒng)，不僅能夠幫助家庭與外部保持信息交流暢通，優(yōu)化人們的生活方式，幫助人們有效安排時間，增強家居生活的安全性，甚至為各種能源費用節(jié)約資金?？诘┖苌儆袑⑦@種物聯(lián)網(wǎng)技

2、術應用于大學生宿舍。然而，隨著各大高校的擴張，在校大學生的人數(shù)越來越多，學生宿舍的不穩(wěn)定因素因素也越來越多，在當代社會信息化、智能化快速發(fā)展的背景下，基于這些因素，設計了“智慧宿舍”系統(tǒng)來對學生宿舍經(jīng)行管理是有現(xiàn)實意義的。應用背景自從1984年后，美國、歐洲等經(jīng)濟發(fā)達的西方國家和部分電子行業(yè)先進的東南亞國家，看到了智能家居存在的巨大的潛在市場價值后，紛紛投入人力物力進行相關研究。由于西方等國家的經(jīng)濟實力和科學技術當時走在世界前列，他們在這方面的研究也相對深入。人工智能是人類發(fā)展進步的重要環(huán)節(jié)，還在很早的時候，人們就開始在文學作品和影視作品中幻想著先進的智能控制技術，例如熟知的巧啦A夢和變形金剛

3、等，機器人和智能家居都是人工智能研究的重要方向，其目的都是為了極大的方便人類的生活，增強社會生產(chǎn)力，促進化會發(fā)展。由于西方等國家的經(jīng)濟實力和科學技術當時走在世界前列，他們在這方面的研究也相對深入。特別是1998年在新加坡舉辦的亞洲電器與電子消費品博覽會上推出的未來之家智能家居系統(tǒng)深受用戶的好評，當時的功能已經(jīng)包括：抄表、部分家電控制、電話接入、智能布線箱等，這個成功的案例為智能家居研究人員指明了方向，也初步定義了智能家居的功能需求。當然隨著科學技術的不斷發(fā)展，人們對于生活品質的要求也在不斷提升，相應的功能要求也隨之不斷更新。國內(nèi)相比西方發(fā)達國家來說起步較晚，1994年才從美國等發(fā)這國家首次進曰

4、智能家居設備，真正開始進入實質性研究也就是從2000年開始，我國才有了具有獨立自主研發(fā)功能的相關公司。所以國內(nèi)智能家居的研究大概可被分為以下幾個階段：萌芽期：整個行業(yè)還處在一個熟悉概念、產(chǎn)品認知的階段，國內(nèi)沒有專業(yè)的智能家居生產(chǎn)廠商，只是有個別的廠商代賣美國的一些概念產(chǎn)品，實際效果更偏向于“家居自動化”徘徊期：送個階段，大量的企業(yè)開始著手做智能家居，雖然在功能上實現(xiàn)了一定的“智能化”，但大部分廠商盲目夸大其實際作用，使得用戶的認同感很差，很多廠家都在這個時期夭折。融合發(fā)展期：近些年，隨著物聯(lián)網(wǎng)研究的不斷深入，家庭網(wǎng)絡和信息家電的高度融合使得智能家居不斷發(fā)展，生產(chǎn)研發(fā)開始正規(guī)化，價格也趨于“平民

5、化”，加之國家政策的不斷傾斜，智能家居正在迎來一個嶄新的發(fā)展機遇期，向著真正意義上的“智能家居”又開始大踏步的向前走【2。由此可看出，國內(nèi)的智能家居還處于一個比較低層次的階段，智能家居系統(tǒng)的集成性、系統(tǒng)性還不夠完善叫但也可w從另一方面可看出智能家居在國內(nèi)還有很大的潛在開發(fā)價值，一些知名的企業(yè)如天津瑞朗，青島愛爾豪斯，海爾，華為等已經(jīng)在智能家居方面做了不少研究。而對于大學生來說，宿舍就是大學生的家?，F(xiàn)在大學生已經(jīng)充分享受到了科技帶來的諸多便利，但“智能家居”卻并沒有在校園宿舍中得到應用和發(fā)展，智慧宿舍的發(fā)展正處于空窗期。經(jīng)調查智慧宿舍在經(jīng)濟方面是大學生可以接受的。相關元器件價格不斷下降，技術越來

6、越成熟，使得智能宿走進了我們普通人的生活。其系統(tǒng)功耗低、操作簡便、穩(wěn)定性高、實時性好。系統(tǒng)主要應用了單片機技術和現(xiàn)代化電子通信技術，具有多項功能。具有性能穩(wěn)定、能全天候工作、耗電省，安裝使用方便等特點。研究目的基于生活的便捷及高效的方向出發(fā)，主要是為了改進當下宿舍的監(jiān)控方式落后及使用不方便等缺點，本設計的智能代替了傳統(tǒng)設備手動機械控制，不僅效率高、成本低、使用方便、可控性強，更能提升安全性性、舒適性、藝術性，并實現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)境。社會效益與經(jīng)濟效益如今在學校的寢室里，學生貴重物品被盜、由于學生過失而引起著火等事故時有發(fā)生，這些都是一直以來困擾著學生、學工以及學校保衛(wèi)處的“大問題”。傳統(tǒng)的防

7、范措施存在很大的弊端，比如當事故發(fā)生時，防護鐵門、鐵欄桿就會成為主人逃生的最大障礙。而采用智能防火防盜報警系統(tǒng)，便能很好地解決此類問題了。但是市場上防火防盜系統(tǒng)價格對大學生來講過高，本系統(tǒng)便是針對大學宿舍,從低成本的角度來設計制作的。以保證學生人身及財產(chǎn)安全免受損失，在進行具體設計的時候要考慮到許多理論與實際的問題，對所有的技術運用做一個總結，探索出了一種適合學生宿舍使用并且價格合理的智能安防系統(tǒng)，在極大提升學生宿舍的安全系數(shù)的同時，成本控制在兩百元以下，易于推廣容易被廣大學生所接受。2項目設計原理原理概述智慧宿舍的主控芯片采用Arduino,其優(yōu)勢就在于其開發(fā)方便，兼容性好，處理速度快。系統(tǒng)

8、分為5部分：Arduino核心板，煙霧監(jiān)測模塊，GSM模塊及熱釋紅外模塊，蜂鳴器或語音模塊。如圖1所示，Arduino核心板負責一系列狀態(tài)檢測，數(shù)據(jù)處理，邏輯處理及執(zhí)行控制。煙霧監(jiān)測模塊用于檢測煙霧，當宿舍發(fā)生火災產(chǎn)生煙霧時，可感知煙霧并將當前狀態(tài)發(fā)送至Arduino核心板。熱釋紅外模塊用于檢測是否有人經(jīng)過，當宿舍人員全部離開后，安防系統(tǒng)開始工作；當有人進入時可感應到有人非法闖入，并將次狀態(tài)發(fā)送至Arduino核心板。GSM模塊用于發(fā)送手機短信，當盜竊、火災等事故發(fā)生時，通過Arduino核心板的控制可使該模塊向固定手機號碼發(fā)送短信，提示用戶。蜂鳴器或語音模塊用于語音報警，當出現(xiàn)意外狀況時，發(fā)

9、出警報聲。硬件設計原理主控芯片ArduinoArduino是近年來快速流行起來的一種控制器，它是一個硬件平臺，使用的核心是一個AVR芯片，整塊控制板類似于單片機開發(fā)板，但是在功能上強大了很多。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，包含各種型號的Arduino板及擴展板硬件資源和ArduinolDE軟件資源。Arduino不僅僅是全球最流行的開源硬件，也是一個優(yōu)秀的硬件開發(fā)平臺，更是當前硬件開發(fā)的趨勢。Arduino構建開放源代碼的simpleI/O接口板，使用Java，C語言的Processing/Wiring開發(fā)環(huán)境。開發(fā)語言和開發(fā)環(huán)境簡單、易理解，使用者可以

10、快速做出有趣的東西。Aduino可以配合LED燈、蜂鳴器、按鍵、光敏電阻等電子原件一起工作。我們所使用的ArduinoUNO是目前使用最廣泛的Arduino控制器，具有ArduinoUNO時ArduinoUSB接口系列的最新版本，電路如圖1所示。作為Arduino平臺的標準模板。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16MHz晶體振蕩器，一個USB接口，一個電源插座，一個ICSP接口和一個復位按鈕,。在掌握了ArduinoUNO開發(fā)技術以后，就可以將自己編寫的代碼輕松地移植到其他型號的控制器上，可以用來開發(fā)交互產(chǎn)品

11、，比如可以讀取大量的開關和傳感器信號，并且可以控制各式各樣的電燈、電機和其他物理電子設備等5Arduino的優(yōu)勢就在于其開發(fā)方便，兼容性好，處理速度快。對Arduino的編程是利用Arduino編程語言（基于Wiring）和Arduino開發(fā)環(huán)境（基于Processing）來實現(xiàn)的。基于Arduino的項目，可以只包含Arduino，也可以包含Arduino和其他一些在PC上運行的軟件，他們之間進行通信（比如Flash,Processing,MaxMSP）來實現(xiàn)。百度文庫百度文庫 Arduino具有一下特色：開放源代碼的電路圖設計，程序開發(fā)接口可免費下載，也可以依需求自己修改。使用低價位的微處

12、理控制器，（AVR系列控制器），可以采用USB接口供電，也可以使用外部DC9V電源。Arduino支持ISP在線燒寫，可以將新的bootloader固件燒入AVR芯片。有了bootloader之后，就可以通過串口或者USB轉RS232的轉換線來更新固件?？梢罁?jù)官方提供的Eagle格式的PCB和SCH電路圖簡化Arduino模組，完成獨立運行的微處理；可簡單地與傳感器、各式各樣的電子原件連接（例如：熱敏電阻、光敏電阻、伺服電機等）。支持多種互動程序，如：Flash、Max/MSP、VVVV、PD、C、Processing等。應用方面，利用Arduino,突破了以往只能使用鼠標、鍵盤、CCD等輸入

13、裝置互動的限制，可以更簡單地完成單人或多人互動游戲。5圖1ArduinoUNORev3電路圖二煙霧檢測模塊煙霧濃度的傳感器經(jīng)過與其他產(chǎn)品比較后，采用的是MQ-2型煙霧傳感器，該傳感器采用的是在正?？諝庵须妼瘦^低的二氧化錫，當可燃氣體外泄時，傳感器的電導率隨空氣中雜質氣體濃度的增加而增大，即可通過高低電平的變化來判斷煙霧濃度的大小。性能參數(shù)如表1,圖2為MQ-2型煙霧探測傳感器器對于不同氣體的探測靈敏度?？梢杂糜诩彝ズ凸S的氣體泄漏監(jiān)測裝置，適宜于液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、煙霧等的探測；模塊特色：1、采用優(yōu)質雙面板設計，具有電源指示和TTL信號輸出指示；2、具有DO開關信號（TTL）輸出和AO

14、模擬信號輸出；3、TTL輸出有效信號為低電平。（當輸出低電平時信號燈亮，可直接接單片機或繼電器模塊）4、模擬量輸出電壓隨濃度越高電壓越高。5、對液化氣，天然氣，城市煤氣，煙霧有較好的靈敏度。6、有四個螺絲孔便于定位；7、產(chǎn)品外形尺寸：32（L）*20（W）*22（H）8、具有長期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性9、快速的響應恢復特性電氣性能：輸入電壓：DC5V功耗（電流）：150mADO輸出：TTL數(shù)字量0和1（和5V）AO輸出：（相對無污染），最高濃度電壓4V左右特別提醒：傳感器通電后，需要預熱20S左右，測量的數(shù)據(jù)才穩(wěn)定，傳感器發(fā)熱屬于正?，F(xiàn)象，因為內(nèi)部有電熱絲，如果燙手就不正常了。接線方式：1、

15、VCC:接電源正極（5V）2、GND:接電源負極3、DO:TTL開關信號輸出4、A0:模擬信號輸出表1MQ-2型煙霧傳感器參數(shù)產(chǎn)品名稱MQ-2型煙霧傳感器測試范圍300lOOOOppm適用氣體可燃氣體、煙霧響應時間V10s工作條件環(huán)境溫度：20C+55C；濕度：V95%RH工作電壓土圖2MQ-2對于各類氣體的靈敏度特怯曲線宿舍火災事故是危害用戶安全的極大隱患，因此第一時間進行報警處理極為重要，本設計采用了MQ-2型煙霧傳感器、GSM報警模塊等，實現(xiàn)對危險情況的及時報警和簡單處理。MQ-2型煙霧傳感器采用此傳感器的目的就是為了宿舍內(nèi)部著火后產(chǎn)生巨大濃煙，導致人員窒息。煙霧傳感器就是MQ-2為主體

16、，加入運放電路，通過當前值和標準闊值進行比較，通過電位差來體現(xiàn)是否有煙霧，并完成后端工作。圖3為煙霧傳感器模塊的電路圖圖3煙霧傳感器模塊電路圖如果環(huán)境中產(chǎn)生較大煙霧，則煙霧傳感器通過當前煙霧濃度值與標準闊值進行比較，通過運放電路，產(chǎn)生高電平，從OUT端口輸出，進入控制板A5端口，控制板接收到高電平后，認為環(huán)境中有煙霧，D5、D10端口輸出高電平，控制蜂鳴報警器。此外，同時通過串口產(chǎn)生控制信號，通過GSM模塊向用戶發(fā)出報警信號。HC-SR501熱紅外模塊該設計中，紅外傳感器模塊選用普通型人體熱釋電紅外傳感器HC-SR501,這是一種能檢測人體發(fā)射的紅外線的新型高靈敏度紅外探測元件。通過非接觸式檢

17、測人體紅外能量的變化，將輸出電壓信號轉換為電壓信號輸出，并對輸出電壓信號進行放大。因此，它可以用來使電源開關控制器和防火災報警等。被動的紅外報警主要是在結構上使用，不需要發(fā)送任何形式的能量，該模塊只需要接收自然能量就可以達到檢測的目的。其電氣參數(shù)如表2。表2HC-SR501熱紅外模塊電氣參數(shù)產(chǎn)品名稱HC-SR501熱紅外模塊工作電壓直流電壓靜態(tài)電流V50uA電平輸出高低0V觸發(fā)方式L不可重復觸發(fā)/H可重復觸發(fā)延時時間5-200s（可調）可制作范圍零點幾秒到幾十分鐘封鎖時間（默認）可制作范圍零點幾秒到幾十秒技術參數(shù)：1工作電壓：DC5V至20V2靜態(tài)功耗：65微安3電平輸出：高，低0V4延時時間

18、：可調秒18秒）封鎖時間：秒觸發(fā)方式：L不可重復，H可重復，默認值為H感應范圍：小于120度錐角，7米以內(nèi)工作溫度：-15+70度外形尺寸：32*24mm,螺絲孔距28mm，螺絲孔徑2mm，感應透鏡尺寸：（直徑）：23mm（默認）功能特點：1全自動感應：當有人進入其感應范圍則輸入高電平，人離開感應范圍則自動延時關閉高電平。輸出低電平。2光敏控制（可選）：模塊預留有位置，可設置光敏控制，白天或光線強時不感應。光敏控制為可選功能，出廠時未安裝光敏電阻。如果需要，請另行購買光敏電阻自己安裝。3兩種觸發(fā)方式：L不可重復，H可重復?？商€選擇，默認為H。不可重復觸發(fā)方式：即感應輸出高電平后，延時時間一結

19、束，輸出將自動從高電平變?yōu)榈碗娖健？芍貜陀|發(fā)方式：即感應輸出高電平后，在延時時間段內(nèi)，如果有人體在其感應范圍內(nèi)活動，其輸出將一直保持高電平，直到人離開后才延時將高電平變?yōu)榈碗娖剑ǜ袘K檢測到人體的每一次活動后會自動順延一個延時時間段，并且以最后一次活動的時間為延時時間的起始點)。4具有感應封鎖時間(默認設置：秒)：感應模塊在每一次感應輸出后(高電平變?yōu)榈碗娖?，可以緊跟著設置一個封鎖時間，在此時間段內(nèi)感應器不接收任何感應信號。此功能可以實現(xiàn)(感應輸出時間和封鎖時間)兩者的間隔工作，可應用于間隔探測產(chǎn)品；同時此功能可有效抑制負載切換過程中產(chǎn)生的各種干擾。5.工作電壓范圍寬：默認工作電壓DC5V

20、至20V6微功耗：靜態(tài)電流65微安，特別適合干電池供電的電器產(chǎn)品。7輸出高電平信號：可方便與各類電路實現(xiàn)對接。本項目將人體紅外探測器放置在宿舍門處，當有人從門進入時，產(chǎn)生紅外熱感應信號，探測器收到信號是產(chǎn)生一個高電平信號給Arduino控制板端口，控制板根據(jù)接收到的高電平，產(chǎn)生控制信號，使得蜂鳴器發(fā)出報警聲，如果是合法用戶進入，則用戶可自行按下控制按鍵，使其保持休眠狀態(tài)：如非法用戶進入，未按下控制按鍵，則其會持續(xù)報警，并在幾分鐘后，向GSM模塊發(fā)出指令，通過GSM模塊向用戶發(fā)送報警指令。GSM模塊本設計中采用的GSM模塊是由SIM900A小型模塊作為核心的模塊，選用SIM900A作為GSM模塊

21、的核也也是因為其功耗低、模式多、功能多、系統(tǒng)可靠性高。使用工業(yè)標準界面，使得具備GSM/GPRS900/1800MHz功能的SIM900A以小尺寸和低功耗實現(xiàn)語音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的高速傳輸。SIM900A能滿足M2M幾乎所有應用要求，尤其是小巧、緊湊型的設計。基本特點：雙頻GSM/GPRS900/1800MHzGPRS(class10/8)標準GPRS(classB)滿足GSM(2/2+)標準-Class4(2W850/900MHz)-Class1(1W1800/1900MHz)尺寸：24mmx24mmx3mm百度文庫百度文庫 重量：通過AT命令控制(，和增強AT命令)SIM應用工具包

22、支持電壓范圍休眠狀態(tài)功耗支持用戶定制的MMI和鍵盤/LCD,SPI/I2C/GPI0/PWM/ADC接口，支持RTC(Real-TimeClock)，全功能UART接口，天線連接器和天線焊盤內(nèi)嵌強大的TCP/IP協(xié)議棧，支持多IP連接低功耗正常操作溫度：-30Cto+80C該模塊通過TX/RX端口和主板進行串口通信，在其使用前，必須對其進行相應配置。GSM模塊的配置是W串口通信進行配置的，首先將該GSM模塊通過USB232模塊和PC機進行連接，通過串口調試助手對其進行初步配置。GSM模塊采用AT指令進行配置，本設計通過串口調試助手向其發(fā)送相關指令，第一步向GSM模塊發(fā)送指令AT,GSM模塊返回

23、OK,表明模塊運行正常；第二步發(fā)送AT+CSQ,GSM模塊返回當前信號質量，一般大于10,即為信號強度較好，本設計返回值為17；第日步發(fā)送AT+COPS，GSM模塊返回當前所插入的GSM卡注冊到的網(wǎng)絡信息本設計中，使用的是移動的3G卡，所返回的值為CHINAMONILE，此時已經(jīng)完成了初步的GSM配置指令。設計框圖熱紅外模塊電源軟件設計原理及思想基于Arduino的智慧宿舍項目是通過MQ-2模塊感測宿舍在無人值守時人體紅外以及HC-SR501模塊檢測宿舍空氣中的煙霧，在特定情況下向手機端發(fā)送短信或打電話。因此在設計時3操作流程、實驗調試過程操作流程首先，Arduino板初始化串口，保證其與GS

24、M模塊可正常通信；之后初始化GSM模塊，保證其能夠正常發(fā)送短信；并檢測煙霧檢測模塊和熱紅外是否正常工作。其次，當各個模塊可正常工作后，再循環(huán)檢測是否出現(xiàn)煙霧，是否有人進入宿舍，當檢測到有人進入時，發(fā)送短信并作相應的語音提示或報警。即當宿舍發(fā)生火災產(chǎn)生煙霧時，通過MQ-2型煙霧傳感器來探測煙霧濃度變化，當有煙霧存在，則煙霧傳感器會將對應端口置為高電平，并將當前狀態(tài)發(fā)送至Arduino核心板，此時Arduino會按預先設定好的指令，通過TX/RX串口向GSM模塊發(fā)送指令，進而以電話的形式撥打給用戶。熱釋紅外模塊用于檢測是否有人經(jīng)過，當宿舍人員全部離開后，安防系統(tǒng)開始工作；當有人進入時可感應到有人非法闖入，并將次狀態(tài)發(fā)送至