基于物聯(lián)網(wǎng)的戶外便攜式環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：隨著無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，無(wú)線終端已經(jīng)融入了人們的生活，該文基于物聯(lián)網(wǎng)研究并開(kāi)發(fā)了一款戶外便攜式環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。當(dāng)前市面上的環(huán)境監(jiān)測(cè)儀大多數(shù)應(yīng)用于空氣、湖泊、海洋、河流等大型系統(tǒng)檢測(cè)，基于此，該文采用嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在移動(dòng)終端開(kāi)發(fā)Android界面，用戶通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)戶外環(huán)境（如溫濕度信息、光照信息、PM2.5等）的實(shí)時(shí)監(jiān)控，裝置便攜、功耗低，測(cè)試精度高。

關(guān)鍵詞：環(huán)境監(jiān)控;物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);嵌入式系統(tǒng);無(wú)線終端設(shè)備

中圖分類號(hào)：TP334.3? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）01-0128-03

健康中國(guó)的推進(jìn)、人類命運(yùn)共同體的構(gòu)建，都提出保護(hù)美好社會(huì)生活環(huán)境的愿景，環(huán)境對(duì)生活的影響已經(jīng)成為一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題[1-2]。市面上的環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置功能單一化，一般只能監(jiān)測(cè)某一種環(huán)境因素，不能夠很好地滿足人們的需求。本文擬從研究的熱點(diǎn)技術(shù)出發(fā)，以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和傳感器技術(shù)為突破點(diǎn)[3-6]，研究以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和傳感器技術(shù)、電子信息技術(shù)組成的多功能環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以同時(shí)監(jiān)測(cè)多路信息，比如溫度、濕度、光照強(qiáng)度、大氣壓強(qiáng)、PM2.5、氨氣、硫化物、煙霧和苯系蒸汽等[7-9]。幫助人們更準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)環(huán)境參數(shù)，力求最大限度改善環(huán)境，使人們的生活更加美好。

目前國(guó)內(nèi)現(xiàn)在對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)還停留在傳統(tǒng)的人工環(huán)境監(jiān)測(cè)方法，幾乎還基于單片機(jī)終端監(jiān)測(cè)很少具有實(shí)時(shí)通信功能[10-12]。產(chǎn)品的現(xiàn)場(chǎng)安裝受使用環(huán)境所限，環(huán)境應(yīng)用適用性差，測(cè)控手段單一。很難進(jìn)行遠(yuǎn)距離的監(jiān)控和報(bào)警。

1 整體方案設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用的是5V供電，主要是以STM32平臺(tái)作為主控制器，WIFI通信，通過(guò)STM32采集傳感器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)[13-16]，并且通過(guò)wifi發(fā)送到手機(jī)客戶端，檢測(cè)后通過(guò)設(shè)置最低值和最高值，當(dāng)檢測(cè)到超過(guò)設(shè)置的最高值的時(shí)刻，系統(tǒng)就會(huì)提示報(bào)警。

系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 WIFI通信模塊

WIFI模塊的電路原理圖如圖2所示。設(shè)計(jì)采用ESP8266模塊，實(shí)現(xiàn)物理設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)和局域網(wǎng)通訊。

2.2 報(bào)警模塊

報(bào)警電路主要由蜂鳴器和LED組成，當(dāng)環(huán)境數(shù)據(jù)超過(guò)閾值時(shí)，蜂鳴器報(bào)警，LED點(diǎn)亮。

該模塊的電路連接圖如圖3所示。

2.3 溫濕度模塊

溫濕度模塊采用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器設(shè)計(jì)，具體的電路設(shè)計(jì)原理圖如圖4所示。

2.4 光照強(qiáng)度模塊

采用光敏電阻作為信號(hào)采集器件。光敏電阻是基于光電導(dǎo)效應(yīng)的一種光電器件，無(wú)光照時(shí)， 光敏電阻值（暗電阻）很大， 電路中電流（暗電流）很小;當(dāng)受到光照時(shí)，半導(dǎo)體材料電導(dǎo)率增加，電阻減小。其阻值隨光照增強(qiáng)而減小。光敏電阻作為光電式傳感器的一種，它具有靈敏度高、光譜響應(yīng)范圍寬;體積小、重量輕、機(jī)械強(qiáng)度高、耐沖擊、耐震動(dòng)、抗過(guò)載能力強(qiáng)和壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。該模塊在電路連接中圖如圖5所示。

2.5 空氣質(zhì)量模塊

空氣質(zhì)量檢測(cè)模塊采用MQ135氣體傳感器，該模塊的電路連接圖如圖6所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要由STM32通過(guò)DMA采集多通道的ADC接口來(lái)連接光照強(qiáng)度、PM2.5模塊、空氣質(zhì)量模塊，采集到傳感器的模擬量后，通過(guò)算法，進(jìn)而得到光照強(qiáng)度、PM2.5和空氣質(zhì)量的值;并通過(guò)I2C和BMP180通信得到大氣壓的數(shù)值;通過(guò)單總線和DHT11通過(guò)得到溫濕度的數(shù)值;采集的環(huán)境數(shù)據(jù)在LCD5110液晶上顯示;并通過(guò)串口來(lái)與WIFI模塊進(jìn)行通信，通過(guò)串口配置與WIFI模塊一樣的波特率，然后發(fā)送特定的AT指令，可以對(duì)WIFI模塊進(jìn)行配置及控制，使得可以與手機(jī)進(jìn)行通信，最后通過(guò)串口將采集傳感器的數(shù)值經(jīng)過(guò)WIFI模塊發(fā)送到手機(jī)App上，進(jìn)而就可以實(shí)現(xiàn)在Android平臺(tái)上，手機(jī)對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)的檢測(cè)。

4? 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

在硬件調(diào)試的過(guò)程中，利用AD繪制完原理圖，根據(jù)原理圖設(shè)計(jì)好電路板后，對(duì)板進(jìn)行了檢查，確認(rèn)整體的電路設(shè)計(jì)沒(méi)有問(wèn)題后，確定無(wú)誤后再進(jìn)行元器件的焊接。焊接完成后，對(duì)焊接的地方進(jìn)行檢查，檢查是否有虛焊或者漏焊，確認(rèn)沒(méi)問(wèn)題后。再針對(duì)電源供電部分進(jìn)行檢查，看MCU等各個(gè)部分的供電是否正常。然后下載之前在開(kāi)發(fā)板上調(diào)試過(guò)的程序，看是否在本系統(tǒng)中是否能正常運(yùn)行。雖然在調(diào)試的過(guò)程中遇到了一些問(wèn)題，但是經(jīng)過(guò)各種排查和解決，終于達(dá)到了設(shè)定的目標(biāo)功能。

5? 結(jié)論

本文在分析當(dāng)前環(huán)境檢測(cè)存在的問(wèn)題和重點(diǎn)研究領(lǐng)域出發(fā)，設(shè)計(jì)完成了一款基于物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)。具體完成了整體方案的設(shè)計(jì)、硬件單元電路的設(shè)計(jì)以及軟件設(shè)計(jì)，能夠?qū)囟?、濕度、大氣壓、光照，PM2.5以及空氣質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，整個(gè)系統(tǒng)工作穩(wěn)定、準(zhǔn)確。

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【通聯(lián)編輯：梁書】

收稿日期：2021-09-10

作者簡(jiǎn)介：陳新喜（1969—），男，湖南株洲人，副教授，主要研究方向?yàn)殡娮有畔⒓夹g(shù)、嵌入式技術(shù)應(yīng)用等。

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