摘 要： 針對實時環(huán)境狀況監(jiān)測,，設(shè)計了一種基于Arduino的環(huán)境狀況監(jiān)測系統(tǒng),。該系統(tǒng)以Arduino UNO和各類傳感器為核心，設(shè)計并編寫了Arduino UNO程序,，實現(xiàn)實時,、便捷地監(jiān)測周圍環(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)測平臺。實踐表明,，該設(shè)計能夠經(jīng)濟,、高效地實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集,，可用于實時環(huán)境狀況的快速監(jiān)測。
關(guān)鍵詞： Arduino,；智能,；環(huán)境監(jiān)測；溫濕度監(jiān)測
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現(xiàn)和廣泛應(yīng)用,，都為實時環(huán)境狀況監(jiān)測提供了條件，人們可以隨時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)實現(xiàn)實時獲取環(huán)境狀況信息,，這種實現(xiàn)方法簡單快速,，成本低廉，具有很高的實用性,。
Arduino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。本文基于Arduino平臺設(shè)計一個環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng),，用來檢測一天中溫度,、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，包含各種型號的Arduino板及擴展板硬件資源和Arduino IDE軟件資源,。Arduino不僅僅是全球最流行的開源硬件,，也是一個優(yōu)秀的硬件開發(fā)平臺,，更是當(dāng)前硬件開發(fā)的趨勢。
本設(shè)計主要采用Arduino UNO主控板,、DHT11溫濕度傳感器模塊,、光照強度傳感器以及聲音傳感器，外接SD卡進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲,。
1.1 Arduino UNO主控板及擴展板
Arduino由一個基于Atmel AVR單片機的開放源碼的硬件平臺和一套專門的開發(fā)環(huán)境組成,。Arduino UNO[1]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16 MHz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(fù)位按鈕,，其結(jié)構(gòu)和引腳電路如圖1所示[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,，并且可以控制各式各樣的電燈,、電機和其他物理電子設(shè)備等。
1.2 DHT11溫濕度監(jiān)測模塊
DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(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)集成變得簡易快捷,。該傳感器體積超小、功耗極低,，信號傳輸距離可達(dá)20 m以上,，同時具有精度準(zhǔn)確、讀取靈敏等優(yōu)點,，使其成為各類應(yīng)用甚至最為苛刻應(yīng)用場合的最佳選擇,。DHT11數(shù)字溫濕度傳感器可以測出實時的環(huán)境溫度和相對濕度，溫度范圍為0~50℃,，溫度的檢測精度為1℃,；它的相對濕度范圍為20 %RH~90 %RH，檢測精度為1 %RH,，兩次讀取傳感器數(shù)據(jù)的時間采樣周期間隔不低于1 s[4],。
傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件,，并與一個高性能8位單片機相連接，因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越,、響應(yīng)超快,、抗干擾能力強、性價比極高等優(yōu)點,。每個DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進(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)部在檢測型號的處理過程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù),。
1.3 光敏強度傳感器
熱敏模塊用于溫度檢測,，對所處環(huán)境的溫度進(jìn)行檢測，采用NTC 10 k?贅熱敏電阻,，靈敏度好,，當(dāng)溫度升高時，電阻值會隨之降低,，模擬值輸出為0~1 023,，結(jié)合Arduino的傳感器擴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強弱而改變的電阻器,，又稱為光電導(dǎo)探測器,。當(dāng)入射光強時電阻減小，入射光弱時電阻增大,。光敏電阻器可用來對周圍環(huán)境光的強度進(jìn)行檢測,，結(jié)合Arduino控制器可實現(xiàn)光的測量，可通過3P傳感器連接線與Arduino專用傳感器擴展板結(jié)合使用,。
1.4 聲音傳感器
模擬聲音傳感器聲音模塊對環(huán)境聲音強度最敏感,，一般用來檢測周圍環(huán)境的聲音強度。該傳感器在環(huán)境聲音強度達(dá)不到設(shè)定閾值時輸出高電平,，當(dāng)外界環(huán)境聲音強度超過設(shè)定閾值時輸出低電平,；小板數(shù)字量輸出可以與單片機直接相連，通過單片機來檢測高低電平,，由此來檢測環(huán)境的聲音,；小板數(shù)字量輸出可以直接驅(qū)動繼電器模塊，由此可以組成一個聲控開關(guān),，可以使用它制作聲控開關(guān)等,。此傳感器只能根據(jù)震動原理識別聲音的有無，不能識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其輸出信號進(jìn)行采集。
2 硬件設(shè)計
溫度,、濕度,、光照和聲音傳感器采集到的都是模擬信號，需要從模擬量轉(zhuǎn)換到數(shù)字量,，最終實現(xiàn)數(shù)字式輸出,。各個傳感器與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傳感器擴展板,，將傳感器的輸出端直接連在擴展板上。硬件連接示意圖如圖2所示,。
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)一個5 kΩ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個引腳分別連接控制板上的10,、11、12,、13端口,。
3 軟件設(shè)計
3.1 Arduino IDE
Arduino IDE是一個專門用來編寫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開發(fā)板中執(zhí)行,。AVR單片機中的程序是使用Arduino庫寫成的，Arduino的集成開發(fā)環(huán)境使用起來簡單方便,，簡化了單片機工作的流程,，對AVR庫進(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。
在計算機端安裝好Arduino IDE軟件開發(fā)環(huán)境后,，使用USB線將Arduino UNO連接至計算機的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 實現(xiàn)程序
Arduino實現(xiàn)主要程序代碼如下：
#include<SD.h>
#include<dht11.h>
dht11 DHT11,；
#define DHT11_PIN 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號引腳
Serial.println（"Initializing SD card"）,；//初始化SD卡
if（!SD.begin（chipSelect））
{
Serial.println（"initialization failed!"）；
return,；
}
Serial.println（"initialization done."）,；
}
void loop（）
{
Serial.println（"Read data from DHT11"）；
DHT11.read（DHT11_PIN）,；//讀取DHT11的數(shù)據(jù)
Serial.println（"Read data from Light Sensor"）,；
//讀取光敏模塊數(shù)據(jù)
int light=analogRead（LIGHT_PIN）；
Serial.println（"Open file and write data"）,；
File dataFile=SD.open（"datalog.txt",，F(xiàn)ILE_WRITE）；
//打開文件并將DHT11檢測到的數(shù)據(jù)寫入文件
if（dataFile）
{
dataFile.print（DHT11.humidity）,；
dataFile.print（",，"）；
dataFile.print（DHT11.temperature）,；
dataFile.print（",，"）；
dataFile.println（light）,；
dataFile.close（）,；
}
else
{
Serial.println（"error opening datalog.txt"）；
}
Serial.println（"Wait for next loop"）,；//延時1 min
delay（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，通過計算機打開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)計只需要做一些簡單的數(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,，會彈出打開文件窗口,，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,；
?。?）單擊“打開”按鈕后，會彈出文本導(dǎo)入向?qū)?，Excel會對文本進(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)測的基本因素,，實現(xiàn)了對溫濕度,、環(huán)境光以及噪音的快捷實時檢測，可以方便地掌握自己身處的環(huán)境情況,。本設(shè)計具有價格低廉,、輕便簡潔、便于攜帶等特點,，可適用于計算機機房,、圖書館、儲存糧倉,、溫室大棚測溫,、空調(diào)室溫控制等對環(huán)境較為敏感和對溫度控制要求較高的場所[7]。除此以外,，本設(shè)計應(yīng)用領(lǐng)域也比較廣泛,，包括暖通空調(diào)測試及檢測設(shè)備、汽車、數(shù)據(jù)記錄器,、消費品,、自動控制、氣象站,、家電濕度調(diào)節(jié)器,、醫(yī)療除濕器等。在不久的將來,，隨著無線傳感器技術(shù)ZigBee模塊的日趨成熟,，無線網(wǎng)絡(luò)傳感器被良好地應(yīng)用于此設(shè)計中，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點之間信息更加便捷地傳輸與通信,，對環(huán)境狀態(tài)的實時監(jiān)測將更加方便,、及時和有效[8]。
參考文獻(xiàn)
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[3] 沈金鑫.Arduino與LabVIEW開發(fā)實戰(zhàn)[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2014.
[4] 成都智能盒子科技有限公司.DHT 11數(shù)字溫濕度傳感器[EB/OL]（2014-06-30）.http：//x.openjumper.com/dht11.2012.
[5] 陳呂洲．Arduino程序設(shè)計基礎(chǔ)[M]．北京：航空航天大學(xué)出版社,，2014．
[6] 陳呂洲．Arduino程序設(shè)計基礎(chǔ)[M]．北京：航空航天大學(xué)出版社,，2013．
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[8] 王立巖，楊世鳳．基于ZigBee技術(shù)的溫室環(huán)境檢測系統(tǒng)設(shè)計[J]．天津科技大學(xué)學(xué)報,，2011,，26（1），60-63．