基于Arduino 的智能環境監測系統的設計與制作

王瑞祥 楊定成

（浙江東方職業技術學院，浙江 溫州325000）

在社會經濟不斷發展與科學技術水平不斷提升的影響下，隨著各種智能系統與數字化設備、自動化控制技術等的不斷研究與開發應用，也逐漸推動了空氣質量與環境監測領域中有關智能化、數字化設備以及自動化技術產品的研究與應用，智能化、自動化與數字化逐漸成為各行業領域研究和發展的重要方向。其中，基于Arduino 的智能環境監測系統是采用Arduino 單片機與各種環境監測傳感器設備，通過對外部環境數據的監測分析，在藍牙無線傳輸通信技術方式支持下，向有關接收設備或者是用戶手機等進行環境監測與分析數據發送，以滿足其環境監測需求，使用戶能夠根據環境監測與分析結果及時進行調節和管理，確保其環境質量最優化。值得注意的是，上述基于Arduino 的智能環境監測系統在實際設計與開發過程中，為滿足系統開發與設計的環境保護和能源節約要求，專門采用了太陽能光伏板以及可充電電池進行電源系統設計，以滿足其系統運行的電能需求，同時促進系統設計與開發的綜合效益提升。將從系統總體結構與功能設計、硬件設計、軟件設計等方面，對基于Arduino 的智能環境監測系統的設計與制作實現進行研究，以供參考。

1 基于Arduino 的智能環境監測系統及其結構組成分析

基于Arduino 的智能環境監測系統主要由數據監測設備與數據顯示設備兩大硬件設備部分組成，并且其系統的兩大硬件設備結構之間進行數據傳輸是利用藍牙無線傳輸通信模塊實現的。如下圖所示，即為基于Arduino 的智能環境監測系統的總體結構組成示意圖。

基于Arduino 的智能環境監測系統總體結構示意圖

其中，基于Arduino 的智能環境監測系統中，其數據監測設備結構中，主要采用光伏電源系統設計，為系統運行提供可靠的電能支持，此外，還包含Arduino 單片機以及各種環境監測傳感器設備，系統運行中，通過各種環境監測傳感器設備對監測空間內的各項環境參數進行有效采集，一般包含光照強度以及環境溫度、濕度、PM2.5 濃度等數據類型，然后在有關算法支持下通過計算分析完成對數據信息的有效整合和處理，并根據數據傳輸模塊中的藍牙無線傳輸通信協議對其通信傳輸進行支持，向有關數據接收設備或者是用戶手機進行傳輸。此外，結合上述基于Arduino 的智能環境監測系統設計中，對數據監測設備部分的環境數據監測與采集傳感器設備的選擇和應用情況，其比較常見的各類環境傳感器設備類型主要包括GY-5800 紫外線傳感器以及攀藤G7 激光PM2.5 粉塵傳感器、AHT10 數字溫濕度傳感器、CJMCU-TEMT6000X01 環境光傳感器等，而數據監測設備結構中的藍牙無線傳輸通信模塊主要采用了匯承HC-05 藍牙無線傳輸通信裝置，Arduino 單片機則采用Arduino ProMini 單片機設備。

其次，在基于Arduino 的智能環境監測系統中，其數據接收設備結構部分設計，是采用7 寸的LCD 觸摸屏以及藍牙無線傳輸通信模塊、可充電電源等結構共同設計組成，在系統運行中能夠對所接收數據進行進一步的分析和處理，并將數據分析和處理結果以全數字化方式在顯示屏中進行顯示，使系統用戶能夠通過顯示屏對環境監測與分析結果進行更加清晰與直觀的查看和獲取，從而對當前的環境狀態進行準確掌握。

2 系統硬件設計分析

根據上述對基于Arduino 的智能環境監測系統總體結構設計與分析情況，在進行該系統的硬件部分設計中，其設計內容主要包括主控單片機以及藍牙無線傳輸通信裝置、傳感器設備等。其中，對系統的主控單片機設置主要采用Arduino ProMini單片機，該單片機設備不僅是一款具有高性能的AVR8 位Atmega328 型微控制器設備，并且其進行系統運行控制應用的能耗較低，工作頻率一般為16MHz，單片機內設置有相應的程序存儲器與EEPROM，其運行內存等均能滿足該系統的控制需求。此外，本文進行基于Arduino 的智能環境監測系統設計中，所選擇使用的主控單片機設備，其內部還集成設置有相應的AD 轉換器，能夠對8 路模擬量與6 路PWM的輸入進行支持，且該控制單片機的外部通信連接接口類型較為豐富，分別設置有相應的IIC、SPI 以及USART 通信接口，能夠滿足系統中各種模擬量與數字傳感器設備的通信接入需求，并通過通信連接對其系統進行環境監測與智能運行進行支持。

上述系統的藍牙無線傳輸通信裝置設計中，則主要采用了HC-05 藍牙無線傳輸通信模塊，其能夠通過與主控單（轉下頁）片機的微控制器串行端口進行連接，以通過AT 指令對微控制器在系統運行中的工作參數設置等控制功能進行滿足，同時對藍牙連接與其他設備之間的通信連接方式進行有效匹配管理。需要注意的是，本文所設計的智能環境監測系統藍牙無線傳輸通信模塊，其工作運行中能夠通過主模式與從模式兩種不同模式進行運行實現，在智能家居以及遠程控制、機器人、監控系統等多種應用中都能夠對其藍牙無線傳輸數據通信需求進行滿足，以為系統運行提供可靠的數據通信支持。

3 系統軟件設計分析

上述智能環境監測系統的軟件設計中，主要是進行系統主控單片機設備中相應的軟件控制程序開發與設計。在進行上述智能環境監測系統的主控單片機控制軟件與程序設計中，是以Arduino 的C、C++編程語言作為基礎，對主控單片機的軟件程序中參數設置內容以參數化形式呈現，從而對其軟件程序的開發與設計進行優化，以提高其軟件程序開發設計的簡便性與高效性。根據其系統主控單片機的軟件控制程序開發與設計情況，其在智能環境監測系統主控單片機設備控制運行中的主要工作流程表現為：該軟件程序的電源啟動后，經過初始化處理，系統的光伏發電電源系統通過對最佳陽光入射角尋找和確定，為系統運行進行穩定性電源提供和支持，同時，系統中的環境監測結構部分開始對監測目標區域的環境參數及各項指標結果進行周期性監測與數據采集，并對其監測數據進行統一處理與校準后向接收設備發送，以滿足系統的智能環境監測功能需求，對智能環境監測系統的有效運行進行支持。

總之，對基于Arduino 的智能環境監測系統設計與制作研究，有利于促進其在有關實踐中進一步設計和推廣應用，不斷提高智能環境監測系統的設計水平及環境監測工作效率提升，具有十分積極的作用和意義。