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

楊靜

摘要

運用Arduino和AppInventor2開發(fā)空氣溫濕度檢測系統(tǒng)，將傳統(tǒng)交互設(shè)計教學中的界面與硬件相聯(lián)系，能夠更好的理解交互設(shè)計與如何增強用戶體驗。該系統(tǒng)主要由溫濕度傳感器、Arduino UNO開發(fā)板、藍牙通信模塊、手機App等構(gòu)成，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、綜合能力要求較高的特點，適合作為項目教學案例應用于交互設(shè)計專業(yè)和創(chuàng)客教育中。

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

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)今己被越來越多的中國消費者所接受。環(huán)境監(jiān)測作為其中的一項重要組成部分，通常會通過各種傳感器對空氣溫度、濕度、燃氣濃度、火焰探測等項目進行監(jiān)測。其中空氣溫濕度的智能檢測常作為附加功能應用于空調(diào)、加濕器、除濕器等家電，需要啟動體量較大的家電才能實現(xiàn)檢測，成本較高;而傳統(tǒng)的簡易物理溫濕度測量儀不具備手機實時顯示的功能，便捷性較低。本文設(shè)計提出的基于Arduino和APP Inventor2的空氣溫濕度檢測系統(tǒng)，具有通過手機APP遠程控制并實時顯示空氣溫濕度訊息的功能，具備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡易、硬件連接簡單、軟件制作便捷、APP軟件界面用戶體驗順暢、成本較低的優(yōu)點，十分適合作為項目教學案例應用于交互設(shè)計專業(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)由檢測對象、溫濕度傳感器、Arduino開發(fā)板、無線通信模塊、手機川，P等部分構(gòu)成。檢測對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)殡娦盘栞敵鲋罙rduino開發(fā)板;開發(fā)板首先將接收到的空氣溫濕度信息進行數(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)字和符號信息，例如“32℃78%”;然后開發(fā)板通過無線通信模塊與控制手機相連接，手機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)計中使用的電路硬件有ArduinoUNO板、DHT11溫濕度傳感器以及HC-06無線藍牙通信模塊。Arduino是一個集合開發(fā)板硬件、Arduino IDE程序開發(fā)環(huán)境、Arduino編程語言，三個部分的開源工作平臺，擁有適合編程零基礎(chǔ)的學生學習的編程語言和強大的控制器，因其跨平臺、開源性、易學性、靈活性、可擴展、硬件成本低等特點，活躍于國內(nèi)外的交互設(shè)計教育中。Arduino UNO是Arduino硬件家族中最為適宜初學者使用的開發(fā)板，主要由處理器、電源接口、擴展插槽，三大部分組成。DHT11溫濕度傳感器是一款可輸出數(shù)字信號的溫濕度復合傳感器，穩(wěn)定性較強，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)計中使用的APP hiventor2平臺支持的無線通信連接方式僅支持藍牙，所以選擇HC-06作為通信硬件。HC-06藍牙模塊是一個從機模式無線藍牙數(shù)據(jù)傳輸器件，具有低耗能、低成本、傳輸速率高等優(yōu)點，通電后可自動進入AT模式，快速閃爍紅色小燈，有藍牙設(shè)備接入時紅燈一直亮，本設(shè)計中用于接收和傳遞來自Arduino和手機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)計中有關(guān)于Arduino的編程使用Arduino IDE進行開發(fā)，用于程序驗證、上傳、調(diào)試和下載的操作，可在電腦端的串口監(jiān)視器中讀取實時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”時開始檢測溫濕度，輸入“B”時停止檢測，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;//校對碼

int j;

unsigned int loopCnt;

int chr[40]={0};//創(chuàng)建數(shù)字數(shù)組存儲數(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{

bgn：

delay（2000）;

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

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號接口為輸入模式

//高電平響應信號

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;

}

}

//低電平響應信號

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APP軟件設(shè)計

本文設(shè)計中采用APP Inventor2作為制作手機APP軟件的平臺。APP Inventor2是一個最初由谷歌公司發(fā)布，后移交給MIT進行維護的圖形可視化安卓手機應用制作平臺，廣泛應用于非計算機專業(yè)的手機應用制作中與樂高機器人創(chuàng)客活動中。該平臺的軟件設(shè)計工作區(qū)由組件設(shè)計和邏輯設(shè)計兩大部分組成，用戶可通過拖拽模塊進行積木式的拼接實現(xiàn)設(shè)計與編程，還可使用平臺附帶的AI伴侶或安卓模擬器進行實時調(diào)試，極大程度上的降低了學生的學習成本，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中Android占據(jù)了86%的份額，本文設(shè)計中僅設(shè)計安卓應用符合手機應用市場趨勢。

手機App客戶端功能包括選擇藍牙設(shè)備、連接/斷開藍牙、開啟＼關(guān)閉空氣溫度和濕度檢測、顯示溫濕度的數(shù)值4個功能模塊。在組件設(shè)計部分中，需要使用組件面板中的按鈕、列表選擇框、標簽、對話框、圖像、水平布局、垂直布局、藍牙客戶端、計時器8種組件，組件列表與實際手機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手機界面效果可通過調(diào)整組件列表中水平與垂直布局的組件屬性實現(xiàn)。

邏輯設(shè)計主要分為5個部分軟件初始化、藍牙設(shè)備的選擇、藍牙設(shè)備的連接、設(shè)置按鍵、數(shù)值信息接收。（圖2一圖5）為增強用戶體驗，在整個用戶操作過程中增加了多個狀態(tài)與提示的消息彈出框的設(shè)計，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行正確的引導。

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

（2）藍牙設(shè)備的選擇。點擊“選擇設(shè)備”列表選擇框，選擇藍牙設(shè)備，彈出“請確認手機己和對方配對！”的消息框，“連接”按鈕啟用。在實際手機應用中操作時，首先需要完成手機藍牙與HC-06藍牙之間的配對，待配對成功后，方可利用平臺的藍牙客戶端組件進行藍牙設(shè)備的選擇。

（3）藍牙設(shè)備的連接。當“連接”按鈕被點擊時，如果藍牙為非連接狀態(tài)，消息框提示“藍牙連接成功”，“連接”按鈕文本變?yōu)椤皵嚅_連接”，啟用兩個開關(guān)按鈕，關(guān)閉按鈕不顯示;如果藍牙為連接狀態(tài)，消息框提示“藍牙己斷開”，“連接”按鈕文本變?yōu)椤罢堖B接”，禁用兩個開關(guān)按鈕和計時器。

（4）設(shè)置按鍵。點擊“開關(guān)開”，調(diào)用藍牙客戶端組件發(fā)送文本"A"，啟用計時器，“開關(guān)開”隱藏，“開關(guān)關(guān)”顯示，Arduino端開始檢測空氣溫濕度;點擊“開關(guān)關(guān)”，調(diào)用藍牙客戶端組件發(fā)送文本“B”，關(guān)閉計時器，“開關(guān)關(guān)”隱藏，“開關(guān)關(guān)”顯示，Arduino端中止檢測溫濕度。

（5）數(shù)值信息接收。啟用計時器時，每100毫秒調(diào)用藍牙客戶端組件接收Arduino端發(fā)送的溫濕度數(shù)值，在“溫濕度數(shù)值”標簽處進行顯示。

4 結(jié)語

運用Arduino和APP Inventor2開發(fā)空氣溫濕度檢測系統(tǒng)，將傳統(tǒng)交互設(shè)計教學中的界面與硬件相聯(lián)系，能夠幫助學生更好的理解交互設(shè)計與如何增強用戶體驗，提升學生綜合思考問題的能力。實際教學中可依據(jù)該項目引導學生進行溫濕度條件提示、溫度或濕度的單一應用、與其它電路器件組合等方向的編程與界面的設(shè)計探究。

參考文獻

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