付蔚+楊鑫宇+鞏莉+張繼柱+羅淳

摘 要：近年來(lái)，家庭環(huán)境質(zhì)量日漸成為人們看重的生活標(biāo)準(zhǔn)之一。本設(shè)計(jì)采用開(kāi)源硬件Arduino與Yeelink物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的搭建。通過(guò)DHT11，GP2Y1010AU和MQ-2傳感器分別對(duì)室內(nèi)的溫度，濕度，PM2.5和煙塵度進(jìn)行檢測(cè)，應(yīng)用Arduino開(kāi)發(fā)板和W5100擴(kuò)展板對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行云平臺(tái)的上傳，并加以顯示，解決了人們對(duì)于家庭環(huán)境質(zhì)量檢測(cè)的需求。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；環(huán)境監(jiān)測(cè)；Arduino；Yeelink

中圖分類號(hào)：TP29 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）31-0017-02

Abstract： In recent years， the quality of family environmental has became one of the living standards. The design using Arduino ，the open source hardware， and Yeelink cloud platform build the monitor system of family environmental quality. The temperature， humidity， PM2.5 and smoke concentration are tested by DHT11， GP2Y1010AU and MQ-2 sensors respectively. The data collected by Arduino and W5100 is uploaded to the cloud platform to reveal. This design solve the demand of checking of family environmental quality.

引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，人們對(duì)于家庭環(huán)境監(jiān)測(cè)也提出了更高的要求。因此無(wú)論是在外工作，還是出游旅行，都對(duì)室內(nèi)環(huán)境狀況的實(shí)時(shí)檢測(cè)與監(jiān)控有不小的需求。故設(shè)計(jì)一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有著廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景。本文將使用開(kāi)源硬件Arduino和免費(fèi)的Yeelink物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)與搭建。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及相關(guān)功能

本設(shè)計(jì)選用Arduino Uno R3型號(hào)的開(kāi)源硬件平臺(tái)作為主控元器件，通過(guò)連接至Uno R3板子上的三大感器對(duì)室內(nèi)的溫度，濕度，煙塵度，PM2.5濃度進(jìn)行檢測(cè)和反饋，運(yùn)用LCD液晶顯示屏對(duì)采集回來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，再配以與Uno R3板子相匹配的以太網(wǎng)模塊把數(shù)據(jù)及時(shí)上傳至Yeelink云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)集底端數(shù)據(jù)采集，控制端發(fā)送，云平臺(tái)顯示為一體的家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 Arduino Uno R3硬件開(kāi)源平臺(tái)

Arduino Uno R3開(kāi)源硬件平臺(tái)作為Arduino系列的標(biāo)準(zhǔn)模板，其UNO R3型號(hào)采用愛(ài)特梅爾（Atmel）公司的ATmega328p微控制器，板子上同時(shí)具有一個(gè)16MHz晶體振蕩器，6路模擬輸入口，14路數(shù)字輸入/輸出口，一個(gè)USB口和一個(gè)ICSP header在線燒錄程序接口。

2.2 W5100以太網(wǎng)擴(kuò)展板

W5100是由韓國(guó)WIZnet公司設(shè)計(jì)研發(fā)的一款集TCP/IP協(xié)議，以太網(wǎng)MAC協(xié)議和OSI物理層為一體的以太網(wǎng)擴(kuò)展板。芯片的四個(gè)模塊大致分為：微控制單模塊（MCU），以太網(wǎng)物理層接口模塊，雙端口存儲(chǔ)器模塊（DPRAM）和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議模塊，支持全雙工或半雙工的傳輸模式，完全支持100M以太網(wǎng)技術(shù)，搭配上為其專門開(kāi)發(fā)的W5100庫(kù)文件可以使用戶更專注于應(yīng)用層協(xié)議的編寫(xiě)。

2.3 DHT11數(shù)字溫濕度傳感器

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器內(nèi)部集成有溫度與濕度兩種傳感器，這兩種傳感器把溫度與濕度數(shù)據(jù)采集回來(lái)，經(jīng)由放大，AD轉(zhuǎn)換，校驗(yàn)，從DATA端與控制端進(jìn)行串行通信。該傳感器共有4個(gè)引腳，VDD端直流供電在3.5V～5V之間；DATA端接控制器引腳且須加5.1千歐電阻，以保證空閑時(shí)置高電位；GND端接地；NC端懸空。

2.4 MQ-2煙霧傳感器

MQ-2煙霧傳感器應(yīng)用二氧化錫遇到煙霧濃度會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)電率改變的原理，進(jìn)行一般的電路設(shè)計(jì)就可以使電流的輸出和煙霧濃度變化成正比例。此傳感器針對(duì)氫氣，甲烷，天然氣的靈敏度較高，價(jià)格低廉，適用于家庭氣體檢測(cè)。

2.5 GP2Y1010AU粉塵傳感器

GP2Y1010AU粉塵傳感器中央留有一圓型開(kāi)孔，通過(guò)塵埃流動(dòng)會(huì)引起激光折射率的變化原理來(lái)測(cè)量空氣中塵埃的濃度。對(duì)于香煙式的細(xì)微粒子和大顆粒物灰塵，由于細(xì)微粒子的擴(kuò)散范圍大，密度高，所輸出呈持續(xù)高電壓狀態(tài)，而灰塵顆粒大，密度低，呈現(xiàn)有間隔的高脈沖來(lái)對(duì)兩種不同的污染物進(jìn)行判別。

2.6 LCD1602液晶顯示屏

LCD1602是一款可以顯示兩行，每行十六個(gè)字符的小型液晶顯示屏。總計(jì)16枚引腳，前兩枚和后兩枚是電源控制類引腳，第三枚到第六枚為控制類引腳，而第七枚到第十四枚則負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的交換?？刂埔_RS負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)寄存器和指令寄存器切換，R/W負(fù)責(zé)LCD讀寫(xiě)切換，EN負(fù)責(zé)使能。由于本設(shè)計(jì)不需要從LCD讀取數(shù)據(jù)，故選用四位數(shù)據(jù)線接口（控制器引腳只接高4位）方法便可輸出內(nèi)容。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件上的設(shè)計(jì)大體上分為兩個(gè)部分，一方面是各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)采集程序，另一方面則是調(diào)用W5100以太網(wǎng)擴(kuò)展板的數(shù)據(jù)發(fā)送程序。

3.1 傳感器的數(shù)據(jù)采集

DHT11的數(shù)據(jù)采集主要是加載已經(jīng)寫(xiě)好的dht11.h頭文件，頭文件中包含temperature、humidity兩個(gè)變量和一個(gè)read（）方法。通過(guò)實(shí)例化對(duì)象DHT11，把read（）方法讀取的端口值賦值給對(duì)象DHT11進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取。而GP2Y1010AU粉塵傳感器和MQ-2煙霧傳感器則可以直接進(jìn)行模擬輸入口的讀入，調(diào)用analogRead（）方法賦值給聲明變量，在配合延時(shí)方法即可輸出數(shù)據(jù)。

3.2 W5100擴(kuò)展板的數(shù)據(jù)發(fā)送

數(shù)據(jù)發(fā)送的設(shè)計(jì)必須加載W5100的庫(kù)文件Ethernet.h，并且需要向Yeelink平臺(tái)申請(qǐng)API KEY和網(wǎng)頁(yè)端的傳感器設(shè)備號(hào)。調(diào)用Ethernet.begin（mac） 方法向DHCP獲取IP地址，完成網(wǎng)絡(luò)的初始化。Client.connected（）方法用來(lái)判斷網(wǎng)絡(luò)的連接情況，并調(diào)用switch（）方法和判斷標(biāo)志位flag決定一輪循環(huán)中將要傳遞的傳感器模擬值。編寫(xiě)sendData（int data）方法發(fā)送一個(gè)HTTP的POST請(qǐng)求，完成整個(gè)數(shù)據(jù)上傳至Yeelink平臺(tái)過(guò)程。

4 結(jié)束語(yǔ)

家庭環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是家居物聯(lián)網(wǎng)中的重要組成部分，同時(shí)配合家居安防與家居報(bào)警系統(tǒng)來(lái)構(gòu)成家庭安全的整個(gè)環(huán)節(jié)。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的越發(fā)普及，家庭環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)的市場(chǎng)有著廣闊的前景。本設(shè)計(jì)基本完成了對(duì)家庭環(huán)境質(zhì)量的檢測(cè)的客觀需求，但與商業(yè)化的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)還有較大差距。在接下來(lái)的研究中，小組成員將再接再厲，完善家居環(huán)境質(zhì)量系統(tǒng)。

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