基于Arduino和App Inventor2的空氣溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊靜

摘要

運(yùn)用Arduino和AppInventor2開發(fā)空氣溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)，將傳統(tǒng)交互設(shè)計(jì)教學(xué)中的界面與硬件相聯(lián)系，能夠更好的理解交互設(shè)計(jì)與如何增強(qiáng)用戶體驗(yàn)。該系統(tǒng)主要由溫濕度傳感器、Arduino UNO開發(fā)板、藍(lán)牙通信模塊、手機(jī)App等構(gòu)成，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、綜合能力要求較高的特點(diǎn)，適合作為項(xiàng)目教學(xué)案例應(yīng)用于交互設(shè)計(jì)專業(yè)和創(chuàng)客教育中。

【關(guān)鍵詞】Arduino App Inventor2 溫濕度藍(lán)牙通信 交互設(shè)計(jì)

智能家居作為物聯(lián)技術(shù)在居住環(huán)境中的綜合體現(xiàn)，現(xiàn)今己被越來(lái)越多的中國(guó)消費(fèi)者所接受。環(huán)境監(jiān)測(cè)作為其中的一項(xiàng)重要組成部分，通常會(huì)通過各種傳感器對(duì)空氣溫度、濕度、燃?xì)鉂舛取⒒鹧嫣綔y(cè)等項(xiàng)目進(jìn)行監(jiān)測(cè)。其中空氣溫濕度的智能檢測(cè)常作為附加功能應(yīng)用于空調(diào)、加濕器、除濕器等家電，需要啟動(dòng)體量較大的家電才能實(shí)現(xiàn)檢測(cè)，成本較高;而傳統(tǒng)的簡(jiǎn)易物理溫濕度測(cè)量?jī)x不具備手機(jī)實(shí)時(shí)顯示的功能，便捷性較低。本文設(shè)計(jì)提出的基于Arduino和APP Inventor2的空氣溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)，具有通過手機(jī)APP遠(yuǎn)程控制并實(shí)時(shí)顯示空氣溫濕度訊息的功能，具備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易、硬件連接簡(jiǎn)單、軟件制作便捷、APP軟件界面用戶體驗(yàn)順暢、成本較低的優(yōu)點(diǎn)，十分適合作為項(xiàng)目教學(xué)案例應(yīng)用于交互設(shè)計(jì)專業(yè)和創(chuàng)客教育中的編程教育中。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)由檢測(cè)對(duì)象、溫濕度傳感器、Arduino開發(fā)板、無(wú)線通信模塊、手機(jī)川，P等部分構(gòu)成。檢測(cè)對(duì)象為空氣溫濕度信息;傳感器把在空氣中獲取的溫濕度信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)輸出至Arduino開發(fā)板;開發(fā)板首先將接收到的空氣溫濕度信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過比特與數(shù)值的換算公式，輸出可直接讀取的溫濕度數(shù)字和符號(hào)信息，例如“32℃78%”;然后開發(fā)板通過無(wú)線通信模塊與控制手機(jī)相連接，手機(jī)APP接收并顯示開發(fā)板輸出的溫濕度信息。

2 Arduino的硬件連接與編程

本文設(shè)計(jì)中使用的電路硬件有ArduinoUNO板、DHT11溫濕度傳感器以及HC-06無(wú)線藍(lán)牙通信模塊。Arduino是一個(gè)集合開發(fā)板硬件、Arduino IDE程序開發(fā)環(huán)境、Arduino編程語(yǔ)言，三個(gè)部分的開源工作平臺(tái)，擁有適合編程零基礎(chǔ)的學(xué)生學(xué)習(xí)的編程語(yǔ)言和強(qiáng)大的控制器，因其跨平臺(tái)、開源性、易學(xué)性、靈活性、可擴(kuò)展、硬件成本低等特點(diǎn)，活躍于國(guó)內(nèi)外的交互設(shè)計(jì)教育中。Arduino UNO是Arduino硬件家族中最為適宜初學(xué)者使用的開發(fā)板，主要由處理器、電源接口、擴(kuò)展插槽，三大部分組成。DHT11溫濕度傳感器是一款可輸出數(shù)字信號(hào)的溫濕度復(fù)合傳感器，穩(wěn)定性較強(qiáng)，它的濕度精度為+-5%RH，量程為20%-90%，溫度精度為+-2℃，量程為0℃-50℃。由于本文設(shè)計(jì)中使用的APP hiventor2平臺(tái)支持的無(wú)線通信連接方式僅支持藍(lán)牙，所以選擇HC-06作為通信硬件。HC-06藍(lán)牙模塊是一個(gè)從機(jī)模式無(wú)線藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸器件，具有低耗能、低成本、傳輸速率高等優(yōu)點(diǎn)，通電后可自動(dòng)進(jìn)入AT模式，快速閃爍紅色小燈，有藍(lán)牙設(shè)備接入時(shí)紅燈一直亮，本設(shè)計(jì)中用于接收和傳遞來(lái)自Arduino和手機(jī)APP的指令。

DHT11溫濕度傳感器與Arduino UNO的接線方式為：VCC接Arduino的5V;GND接Arduino的GND;NC為不連接空腳;DATA接Arduino的數(shù)字I/O腳位2。

HC-06藍(lán)牙模塊與Arduino UNO的接線方式為：VCC接Arduino的5V;GND接Arduino的GND;TXD發(fā)送端接Afduino的數(shù)字I/O腳位0（RN）;RXD接收端接Arduino的數(shù)字I/O腳位1（TX）。

本設(shè)計(jì)中有關(guān)于Arduino的編程使用Arduino IDE進(jìn)行開發(fā)，用于程序驗(yàn)證、上傳、調(diào)試和下載的操作，可在電腦端的串口監(jiān)視器中讀取實(shí)時(shí)采集到的空氣溫濕度數(shù)值。程序主要由定義變量及接口名稱、設(shè)置通信波特率、定義串口指令、獲取數(shù)據(jù)、校對(duì)數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、空氣溫濕度數(shù)據(jù)顯示等部分構(gòu)成，在串口監(jiān)視器中輸入“A”時(shí)開始檢測(cè)溫濕度，輸入“B”時(shí)停止檢測(cè)，每隔1秒向串口監(jiān)視器發(fā)送一次溫濕度數(shù)據(jù)，程序代碼如下所示：

#include

#define pin 2

int temp;//溫度

int hurni;//濕度

int tol;//校對(duì)碼

int j;

unsigned int loopCnt;

int chr[40]={0};//創(chuàng)建數(shù)字?jǐn)?shù)組存儲(chǔ)數(shù)據(jù)

unsigned long time;

char flag_on=0;

void setupo（）{Serial.begin（9600）;//設(shè)置波特率為9600}

void loop（）

{

while（Scrial.available（）>0）{

char c=Serial.read（）;

if（c=='A'）{flag_on=1;//設(shè)置開}

else if（c=='B'）{flag_on=0：//設(shè)置關(guān)}

}

if（flag_on）//設(shè)置溫濕度檢測(cè){

bgn：

delay（2000）;

pinMode（pin，OUTPUT）;//設(shè)置2號(hào)接口為輸出模式

digitalWrite（pin，LOW）;//輸出低電平

delay（20）;

digitalWrite（pin，HIGH）;//輸出高電平

delayMicroseconds（40）;

digitalWrite（pin，LOW）;

piliMode（pin，INPUT）;//設(shè)置2號(hào)接口為輸入模式

//高電平響應(yīng)信號(hào)

loopCnt=10000;

while（digitaiRead（pin）！=HIGH）{

if（loopCnt--==0）{

//若不返回高電平，輸出提示從新開始

Scrial.println（"HIGH"）;

goto bgn;

}

}

//低電平響應(yīng)信號(hào)

loopCnt-30000;

while（digitalRead（pin）！=LOW）{

if（loopCnt--==0）{

//若不返回低電平，輸出提示從新開始

Serial.println（"LOW"）;

goto bgn;

}

}

for（int i=0;i<40;i++）{

while（digitaiRead（pin）==LOW）{}

time=micros（）;

while（digitaiRead（pin）==HIGH）{}

if（micros（）-time>50）{chr[i]=1;}

else{chr[i]=0;}

}

//將濕度的8位bit轉(zhuǎn)換為數(shù)值

humi=chr[0]*128+chr[1]*64+chr[2]*32+chr[3]*16+chr[4]*8+chr[5]*4+chr[6]*2+chr[7];

//將溫度的9位的bit轉(zhuǎn)換為數(shù)值

temp=chr[16]*128+chr[17]*64+chr[18]*32+chr[19]*16+chr[20]*8+chr[2]]*4+chr[22]*2+chr[23];

//將校對(duì)碼的8位的bit轉(zhuǎn)換為數(shù)值

tol=chr[32]*128+chr[33]*64+chr[34]*32+chr[35]*16+chr[36]*8+chr[37]*4+chr[38]*2+chr[39];

//輸出溫度和濕度

Serial.print（temp）;

Serial.print（"°C"）;

Serial.print（humi）;

Serial.print（"%"）;

delay（1000）;

}

}

3 手機(jī)APP軟件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)中采用APP Inventor2作為制作手機(jī)APP軟件的平臺(tái)。APP Inventor2是一個(gè)最初由谷歌公司發(fā)布，后移交給MIT進(jìn)行維護(hù)的圖形可視化安卓手機(jī)應(yīng)用制作平臺(tái)，廣泛應(yīng)用于非計(jì)算機(jī)專業(yè)的手機(jī)應(yīng)用制作中與樂高機(jī)器人創(chuàng)客活動(dòng)中。該平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)工作區(qū)由組件設(shè)計(jì)和邏輯設(shè)計(jì)兩大部分組成，用戶可通過拖拽模塊進(jìn)行積木式的拼接實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與編程，還可使用平臺(tái)附帶的AI伴侶或安卓模擬器進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)試，極大程度上的降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)成本，提高了編程工作者的工作效率。據(jù)研究公司Gartner于2018年2月分享的數(shù)據(jù)表明，2017年全球銷售的智能手機(jī)中Android占據(jù)了86%的份額，本文設(shè)計(jì)中僅設(shè)計(jì)安卓應(yīng)用符合手機(jī)應(yīng)用市場(chǎng)趨勢(shì)。

手機(jī)App客戶端功能包括選擇藍(lán)牙設(shè)備、連接/斷開藍(lán)牙、開啟＼關(guān)閉空氣溫度和濕度檢測(cè)、顯示溫濕度的數(shù)值4個(gè)功能模塊。在組件設(shè)計(jì)部分中，需要使用組件面板中的按鈕、列表選擇框、標(biāo)簽、對(duì)話框、圖像、水平布局、垂直布局、藍(lán)牙客戶端、計(jì)時(shí)器8種組件，組件列表與實(shí)際手機(jī)App初始化界面如圖1所示，“開關(guān)關(guān)”組件屬性為不顯示，右側(cè)初始化界面中的自適應(yīng)手機(jī)界面效果可通過調(diào)整組件列表中水平與垂直布局的組件屬性實(shí)現(xiàn)。

邏輯設(shè)計(jì)主要分為5個(gè)部分軟件初始化、藍(lán)牙設(shè)備的選擇、藍(lán)牙設(shè)備的連接、設(shè)置按鍵、數(shù)值信息接收。（圖2一圖5）為增強(qiáng)用戶體驗(yàn)，在整個(gè)用戶操作過程中增加了多個(gè)狀態(tài)與提示的消息彈出框的設(shè)計(jì)，并設(shè)置界面中的按鈕按照操作步驟的順序啟用，啟用狀態(tài)下文字呈現(xiàn)黑色。按鈕填充色為深灰色，禁用狀態(tài)下文字與按鈕呈淺灰色，使界面視覺為界面操作順序進(jìn)行正確的引導(dǎo)。

（1）軟件初始化。彈出一個(gè)消息框顯示“歡迎使用！”，界面中僅“選擇設(shè)備”列表選擇框可被點(diǎn)擊，其他按鍵皆不可用，溫濕度數(shù)值無(wú)顯示。

（2）藍(lán)牙設(shè)備的選擇。點(diǎn)擊“選擇設(shè)備”列表選擇框，選擇藍(lán)牙設(shè)備，彈出“請(qǐng)確認(rèn)手機(jī)己和對(duì)方配對(duì)！”的消息框，“連接”按鈕啟用。在實(shí)際手機(jī)應(yīng)用中操作時(shí)，首先需要完成手機(jī)藍(lán)牙與HC-06藍(lán)牙之間的配對(duì)，待配對(duì)成功后，方可利用平臺(tái)的藍(lán)牙客戶端組件進(jìn)行藍(lán)牙設(shè)備的選擇。

（3）藍(lán)牙設(shè)備的連接。當(dāng)“連接”按鈕被點(diǎn)擊時(shí)，如果藍(lán)牙為非連接狀態(tài)，消息框提示“藍(lán)牙連接成功”，“連接”按鈕文本變?yōu)椤皵嚅_連接”，啟用兩個(gè)開關(guān)按鈕，關(guān)閉按鈕不顯示;如果藍(lán)牙為連接狀態(tài)，消息框提示“藍(lán)牙己斷開”，“連接”按鈕文本變?yōu)椤罢?qǐng)連接”，禁用兩個(gè)開關(guān)按鈕和計(jì)時(shí)器。

（4）設(shè)置按鍵。點(diǎn)擊“開關(guān)開”，調(diào)用藍(lán)牙客戶端組件發(fā)送文本"A"，啟用計(jì)時(shí)器，“開關(guān)開”隱藏，“開關(guān)關(guān)”顯示，Arduino端開始檢測(cè)空氣溫濕度;點(diǎn)擊“開關(guān)關(guān)”，調(diào)用藍(lán)牙客戶端組件發(fā)送文本“B”，關(guān)閉計(jì)時(shí)器，“開關(guān)關(guān)”隱藏，“開關(guān)關(guān)”顯示，Arduino端中止檢測(cè)溫濕度。

（5）數(shù)值信息接收。啟用計(jì)時(shí)器時(shí)，每100毫秒調(diào)用藍(lán)牙客戶端組件接收Arduino端發(fā)送的溫濕度數(shù)值，在“溫濕度數(shù)值”標(biāo)簽處進(jìn)行顯示。

4 結(jié)語(yǔ)

運(yùn)用Arduino和APP Inventor2開發(fā)空氣溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)，將傳統(tǒng)交互設(shè)計(jì)教學(xué)中的界面與硬件相聯(lián)系，能夠幫助學(xué)生更好的理解交互設(shè)計(jì)與如何增強(qiáng)用戶體驗(yàn)，提升學(xué)生綜合思考問題的能力。實(shí)際教學(xué)中可依據(jù)該項(xiàng)目引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行溫濕度條件提示、溫度或濕度的單一應(yīng)用、與其它電路器件組合等方向的編程與界面的設(shè)計(jì)探究。

參考文獻(xiàn)

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