基于Arduino 的环境智能检测装置的设计与实现

伍懿美，周旭华，林柏烽

（河源职业技术学院，广东河源，517000）

0 引言

随着经济的不断地发展，大量有害物质排放空气环境中，环境方面对我们所造成的健康影响是悄无声息。我们对环境周围的情况一无所知，对身体有不利的影响日益增加。环境智能监测装置的设计实现了环境感知、自动显示数据和自动上传手机等功能，环境智能监测装置能在自然环境中下自动收集数据，用于告诉我们环境的情况。环境质量掌握的同时，环保部门能够及时观测到实时信息，从而做出对环境的治理，人们生活环境的质量也会得到提高和改善，对于人们的健康具有非常重要的意义[1]。

1 自动跟随四驱小车的总体设计

本文设计的环境智能监测装置是基于Arduino UNO 的环境监测器，该监测装置由7个模块组成：Arduino UNO开发板、MQ-135 空气质量传感器、PM2.5 粉尘传感器、DHT11 温湿度传感器、ESP8266-01 01sWiFi 模块、LCD12864 液晶显示器和GY 30-302 数字光强度光照传感器BH750FVI 模块。Arduino 作为核心控件，采集传感器的数据进行处理后传输到LCD 液晶显示器，同时再通过WiFi 模块发送手机上显示，系统结构图如图1 所示[2]。

图1 系统结构框图

图2 系统的硬件设计框图

2 硬件设计

■2.1 硬件结构设计

环境智能监测装置的硬件设计包括Arduino UNO开发板、LCD12864 液晶显示屏、电源、MQ-135 空气质量传感器、PM2.5 粉尘传感器、DTH11 温湿度传感器、ESP8266-01 01sWiFi 模块、GY 30-302 数字光强度光照传感器等设计，硬件结构系统图如图2 所示[3]。

■2.2 硬件电路设计

硬件模块主要有电源模块、DTH11 温湿度模块、PM2.5 粉尘传感器模块、GY-30 302 光照传感器模块、 MQ-135 空气质量传感器、LCD12864 液晶显示器，以及网络模块，所需的主要硬件材料如表1 所示。

表1 硬件材料

2.2.1 电源模块

环境智能监测装置正常的运行离不开电源，电源在硬件系统中必不可少的。本设计的每一个硬件系统的电压基本一致，因此可以从Arduino UNO 直接供电、但是由于一个Arduino UNO 引脚和接线口不够，同时供电能力不足，所以可以采用两个Arduino UNO 供电，故分为Arduino UNO 1 和Arduino UNO 2 。电源模块的电路接线图如图3 所示。

图3 电源模块接线原理图

2.2.2 WiFi 模块电路模块

WiFi 模块射频芯片ESP8266EX，载波频率2.4G，通信距离1000MM，天线运用pcb 板载天线。用户配置AT+指令集，云端给服务器，Android app，网络协议IPV4，TPC/UDO/HTTP/FTP/,安全机制WPA/WPA2，工作温度-40℃~125℃之间。使用前要进行烧录，使用USB TO TLL转串口模块烧，下载库编好代码进行烧录过程中接线引脚除了GPIO16，GPIO0 不用接线，其他烧录时要接线。GPIO2 接地，烧录下载完了GPIO2 接线时也拔了，工作时使用五个引脚接线。由于USB 转串口模块的接线引脚不够故加上Arduino UNO 来完成WiFi模块的烧录下载。接线原理图如图4 所示。

图4 WiFi 模块烧录的接线原理图

2.2.3 DTH11 温湿度模块

此模块是电阻式的湿敏元件与NTC测温元件组合形成。具有校准数字信号输出的温湿度复合传感器信息并通过杜邦线并反馈到Arduino 上。温湿度模块测量范围：湿度在20%~90%，误差+-5%、温度在0℃~50℃，误差+-2%左右。

2.2.4 GY-30 302 光照传感器模块

GY-30 302 光照传感器模块具有传感器内置16bitAD 转换器原装BH 1750 FVI芯片，直接数字输出，省略复杂的运算，不区分环境光源接近视觉灵敏度分光的特性，可对广泛的亮度进行1 勒克斯的高精度监测数据，范围在0~65535。

3 软件设计

软件系统主要是由Arduino UNO1 实现，软件整体设计流程图如图5 所示。

图5 软件整体设计流程图

USB TO TTL 转串口模块、ArduinoUNO、WiFi 模块组成，主要由转串口模块下载烧录WiFi 模块程序、arduino UNO 开发板作为额外接线用的。首先在Arduino 软件上下载库文件，Blinker 库，然后安装Arduino 软件库用转串口模块通过USB 接线口在电脑烧录，实现ESP8266-01WiFi模块的通信[4~5]。部分源代码如图6 所示。

图6 WiFi 模块部分源代码

4 测试

环境智能监测装置样机制作完成后，将笔记本电脑通过USB 线或者无线网络连接到Arduino UNO 1 板，并进行编程。下载手机软件点灯·blinker，点击新的设备，查看新的设备给出的识别码和密码。将密钥、手机热点名字和密码写进WiFi 模块的代码里面用于烧录WiFi 模块。打开手机热点，热点密码输入为WiFi 模块代码所设定的数字。测试的时候，将两根Arduino usb 数据线接到电源接线口，接上电源，然后察看LCD 显示器上的数据，温湿度模块保存的数据，得出环境温湿度情况，根据显示数据得到环境质量。使用光照调节光强度可以观察到显示器数值的变化情况，同理可以使用其他模块所对应的检测物质检测数值变化情况，比如打火机有可以检测的气体甲烷类的化合物此时的空气质量模块的数值升高，同时观察通过物联网和WiFi模块上传到手机在软件点灯bliker 远程观察结果。测试环境图如图7 所示。

图7 环境测试图

通过测试，环境智能监测装置能够正常工作监测环境质量各个方面的情况，同时上传手机软件监测环境质量数据。打开热点，输入WiFi 模块烧录时密钥，然后输入密码。可以连接到手机，然后看到设备显示在线同时点灯blinker 时刻更新数据。手机监视测试图如图8 所示。

图8 手机监视图

5 结论

本文设计了一种环境智能监测装置，该装置以Arduino为核心，通过Arduino 板、MQ-135 空气质量传感器、PM2.5 粉尘传感器、DTH11 温湿度传感器、ESP8266-01 01sWiFi 模块、LCD12864 液晶显示器和GY 30-302 数字光强度光照传感器BH750FVI 模块相互配合，实现了对环境质量智能监测的效果，在远程能得到监测数据结论从而达到提高人们生活环境的质量。