基于Arduino的智能环境监测

目录1设计背景及概述.........................................21.1研究目的和意义.......................................21.2应用背景.............................................21.3社会效益与经济效益..................................32项目设计原理...........................................42.1原理概述.............................................42.2硬件设计原理.........................................42.3设计框图............................................122.4软件设计原理及思想..................................123操作流程、实验调试过程................................133.1操作流程............................................133.2实验调试过程........................................134实验中出现的问题及解决情况............................135附程序源代码参数设计..................................146设计达到的目标及参数..................................157完成情况及结果........................................158设计者对本设计的评述及通过设计的收获体会..............159参考文献..............................................171设计背景及概述1.1研究目的和意义随着社会的发展，生产技术的更新，物联网理念如今已经逐渐深入人心，并随着传感器技术、通信技术和物联网技术的发展逐渐触及社会的每一个角落。一个智能化的控制系统，不仅能够帮助家庭与外部保持信息交流畅通，优化人们的生活方式，帮助人们有效安排时间，增强家居生活的安全性，甚至为各种能源费用节约资金。[1]但很少有将这种物联网技术应用于大学生宿舍。然而，随着各大高校的扩张，在校大学生的人数越来越多，学生宿舍的不稳定因素因素也越来越多，在当代社会信息化、智能化快速发展的背景下，基于这些因素，设计了“智慧宿舍”系统来对学生宿舍经行管理是有现实意义的。1.2应用背景自从1984年后，美国、欧洲等经济发达的西方国家和部分电子行业先进的东南亚国家，看到了智能家居存在的巨大的潜在市场价值后，纷纷投入人力物力进行相关研究。由于西方等国家的经济实力和科学技术当时走在世界前列，他们在这方面的研究也相对深入。人工智能是人类发展进步的重要环节，还在很早的时候，人们就开始在文学作品和影视作品中幻想着先进的智能控制技术，例如熟知的《巧啦Ａ梦》和《变形金刚》等，机器人和智能家居都是人工智能研究的重要方向，其目的都是为了极大的方便人类的生活，增强社会生产力，促进化会发展。由于西方等国家的经济实力和科学技术当时走在世界前列，他们在这方面的研究也相对深入。特别是1998年在新加坡举办的＂亚洲电器与电子消费品博览会上＂推出的＂未来之家＂智能家居系统深受用户的好评，当时的功能已经包括：抄表、部分家电控制、电话接入、智能布线箱等，这个成功的案例为智能家居研究人员指明了方向，也初步定义了智能家居的功能需求。当然随着科学技术的不断发展，人们对于生活品质的要求也在不断提升，相应的功能要求也随之不断更新。国内相比西方发达国家来说起步较晚，1994年才从美国等发这国家首次进曰智能家居设备，真正开始进入实质性研究也就是从2000年开始，我国才有了具有独立自主研发功能的相关公司。所以国内智能家居的研究大概可被分为以下几个阶段：萌芽期：整个行业还处在一个熟悉概念、产品认知的阶段，国内没有专业的智能家居生产厂商，只是有个别的厂商代卖美国的一些概念产品，实际效果更偏向于“家居自动化”。徘徊期：送个阶段，大量的企业开始着手做智能家居，虽然在功能上实现了一定的“智能化”，但大部分厂商盲目夸大其实际作用，使得用户的认同感很差，很多厂家都在这个时期夭折。融合发展期：近些年，随着物联网研究的不断深入，家庭网络和信息家电的高度融合使得智能家居不断发展，生产研发开始正规化，价格也趋于“平民化”，加之国家政策的不断倾斜，智能家居正在迎来一个崭新的发展机遇期，向着真正意义上的“智能家居”又开始大踏步的向前走[2]。由此可看出，国内的智能家居还处于一个比较低层次的阶段，智能家居系统的集成性、系统性还不够完善叫但也可Ｗ从另一方面可看出智能家居在国内还有很大的潜在开发价值，一些知名的企业如天津瑞朗，青岛爱尔豪斯，海尔，华为等已经在智能家居方面做了不少研究。而对于大学生来说，宿舍就是大学生的家。现在大学生已经充分享受到了科技带来的诸多便利，但“智能家居”却并没有在校园宿舍中得到应用和发展，智慧宿舍的发展正处于空窗期。经调查智慧宿舍在经济方面是大学生可以接受的。相关元器件价格不断下降，技术越来越成熟，使得智能宿走进了我们普通人的生活。其系统功耗低、操作简便、稳定性高、实时性好。系统主要应用了单片机技术和现代化电子通信技术，具有多项功能。具有性能稳定、能全天候工作、耗电省，安装使用方便等特点。研究目的基于生活的便捷及高效的方向出发，主要是为了改进当下宿舍的监控方式落后及使用不方便等缺点，本设计的智能代替了传统设备手动机械控制，不仅效率高、成本低、使用方便、可控性强，更能提升安全性性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境[3]。1.3社会效益与经济效益如今在学校的寝室里,学生贵重物品被盗、由于学生过失而引起着火等事故时有发生,这些都是一直以来困扰着学生、学工以及学校保卫处的“大问题”。传统的防范措施存在很大的弊端,比如当事故发生时,防护铁门、铁栏杆就会成为主人逃生的最大障碍。而采用智能防火防盗报警系统,便能很好地解决此类问题了。但是市场上防火防盗系统价格对大学生来讲过高,本系统便是针对大学宿舍,从低成本的角度来设计制作的[4]。以保证学生人身及财产安全免受损失，在进行具体设计的时候要考虑到许多理论与实际的问题，对所有的技术运用做一个总结，探索出了一种适合学生宿舍使用并且价格合理的智能安防系统，在极大提升学生宿舍的安全系数的同时，成本控制在两百元以下，易于推广容易被广大学生所接受。2项目设计原理2.1原理概述智慧宿舍的主控芯片采用Arduino，其优势就在于其开发方便，兼容性好，处理速度快。系统分为5部分：Arduino核心板，烟雾监测模块，GSM模块及热释红外模块，蜂鸣器或语音模块。如图1所示，Arduino核心板负责一系列状态检测，数据处理，逻辑处理及执行控制。烟雾监测模块用于检测烟雾，当宿舍发生火灾产生烟雾时，可感知烟雾并将当前状态发送至Arduino核心板。热释红外模块用于检测是否有人经过，当宿舍人员全部离开后，安防系统开始工作；当有人进入时可感应到有人非法闯入，并将次状态发送至Arduino核心板。GSM模块用于发送手机短信，当盗窃、火灾等事故发生时，通过Arduino核心板的控制可使该模块向固定手机号码发送短信，提示用户。蜂鸣器或语音模块用于语音报警，当出现意外状况时，发出警报声。2.2硬件设计原理2.2.1主控芯片ArduinoArduino是近年来快速流行起来的一种控制器,它是一个硬件平台，使用的核心是一个AVR芯片，整块控制板类似于单片机开发板，但是在功能上强大了很多。Arduino是一款便捷灵活、方便开发者使用和上手的开源电子原型平台，包含各种型号的Arduino板及扩展板硬件资源和ArduinoIDE软件资源。Arduino不仅仅是全球最流行的开源硬件，也是一个优秀的硬件开发平台，更是当前硬件开发的趋势。Arduino构建开放源代码的simpleI/O接口板，使用Java，C语言的Processing/Wiring开发环境。开发语言和开发环境简单、易理解，使用者可以快速做出有趣的东西。Aduino可以配合LED灯、蜂鸣器、按键、光敏电阻等电子原件一起工作。我们所使用的ArduinoUNO是目前使用最广泛的Arduino控制器，具有ArduinoUNO时ArduinoUSB接口系列的最新版本，电路如图1所示。作为Arduino平台的标准模板。UNO的处理器核心是ATmega328，它包括14路数字输入/输出接口（其中6路可作为PWM输出，6路模拟输入），一个16MHz晶体振荡器，一个USB接口,一个电源插座，一个ICSP接口和一个复位按钮，。在掌握了ArduinoUNO开发技术以后，就可以将自己编写的代码轻松地移植到其他型号的控制器上，可以用来开发交互产品，比如可以读取大量的开关和传感器信号，并且可以控制各式各样的电灯、电机和其他物理电子设备等[5]。Arduino的优势就在于其开发方便，兼容性好，处理速度快。对Arduino的编程是利用Arduino编程语言(基于Wiring)和Arduino开发环境(基于Processing)来实现的。基于Arduino的项目，可以只包含Arduino，也可以包含Arduino和其他一些在PC上运行的软件，他们之间进行通信(比如Flash,Processing,MaxMSP)来实现。Arduino具有一下特色：1.开放源代码的电路图设计，程序开发接口可免费下载，也可以依需求自己修改。2.使用低价位的微处理控制器，（AVR系列控制器），可以采用USB接口供电，也可以使用外部DC9V电源。3.Arduino支持ISP在线烧写，可以将新的bootloader固件烧入AVR芯片。有了bootloader之后，就可以通过串口或者USB转RS232的转换线来更新固件。4.可依据官方提供的Eagle格式的PCB和SCH电路图简化Arduino模组，完成独立运行的微处理；可简单地与传感器、各式各样的电子原件连接（例如：热敏电阻、光敏电阻、伺服电机等）。5.支持多种互动程序，如：Flash、Max/MSP、VVVV、PD、C、Processing等。6.应用方面，利用Arduino，突破了以往只能使用鼠标、键盘、CCD等输入装置互动的限制，可以更简单地完成单人或多人互动游戏。[5]图1ArduinoUNORev3电路图2.2.2烟雾检测模块烟雾浓度的传感器经过与其他产品比较后，采用的是MQ-2型烟雾传感器，该传感器采用的是在正常空气中电导率较低的二氧化锡，当可燃气体外泄时，传感器的电导率随空气中杂质气体浓度的增加而增大，即可通过高低电平的变化来判断烟雾浓度的大小。性能参数如表1，图2为MQ-2型烟雾探测传感器器对于不同气体的探测灵敏度。可以用于家庭和工厂的气体泄漏监测装置，适宜于液化气、丁烷、丙烷、甲烷、烟雾等的探测；模块特色：1、采用优质双面板设计，具有电源指示和TTL信号输出指示；2、具有DO开关信号（TTL）输出和AO模拟信号输出；3、TTL输出有效信号为低电平。（当输出低电平时信号灯亮，可直接接单片机或继电器模块）4、模拟量输出电压随浓度越高电压越高。5、对液化气，天然气，城市煤气，烟雾有较好的灵敏度。6、有四个螺丝孔便于定位；7、产品外形尺寸：32(L)*20(W)*22(H)8、具有长期的使用寿命和可靠的稳定性9、快速的响应恢复特性电气性能：输入电压：DC5V功耗（电流）：150mADO输出：TTL数字量0和1（0.1和5V）AO输出：0.1-0.3V（相对无污染），最高浓度电压4V左右特别提醒：传感器通电后，需要预热20S左右，测量的数据才稳定，传感器发热属于正常现象，因为内部有电热丝