基于Arduino+Yeelink平台的物联网家居环境监测设计与实现

付蔚+杨鑫宇+巩莉+张继柱+罗淳

摘 要：近年来，家庭环境质量日渐成为人们看重的生活标准之一。本设计采用开源硬件Arduino与Yeelink物联网云平台进行监测系统的搭建。通过DHT11，GP2Y1010AU和MQ-2传感器分别对室内的温度，湿度，PM2.5和烟尘度进行检测，应用Arduino开发板和W5100扩展板对采集的数据进行云平台的上传，并加以显示，解决了人们对于家庭环境质量检测的需求。

关键词：物联网；环境监测；Arduino；Yeelink

中图分类号：TP29 文献标志码：A 文章编号：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

隨着物联网技术的不断发展与进步，人们对于家庭环境监测也提出了更高的要求。因此无论是在外工作，还是出游旅行，都对室内环境状况的实时检测与监控有不小的需求。故设计一个物联网家居环境监测系统有着广阔的应用场景。本文将使用开源硬件Arduino和免费的Yeelink物联网云平台进行开发与搭建。

1 系统结构及相关功能

本设计选用Arduino Uno R3型号的开源硬件平台作为主控元器件，通过连接至Uno R3板子上的三大感器对室内的温度，湿度，烟尘度，PM2.5浓度进行检测和反馈，运用LCD液晶显示屏对采集回来的数据进行实时显示，再配以与Uno R3板子相匹配的以太网模块把数据及时上传至Yeelink云平台，实现集底端数据采集，控制端发送，云平台显示为一体的家居环境监测系统。

本设计系统结构如图1所示。

2 系统的硬件设计

2.1 Arduino Uno R3硬件开源平台

Arduino Uno R3开源硬件平台作为Arduino系列的标准模板，其UNO R3型号采用爱特梅尔（Atmel）公司的ATmega328p微控制器，板子上同时具有一个16MHz晶体振荡器，6路模拟输入口，14路数字输入/输出口，一个USB口和一个ICSP header在线烧录程序接口。

2.2 W5100以太网扩展板

W5100是由韩国WIZnet公司设计研发的一款集TCP/IP协议，以太网MAC协议和OSI物理层为一体的以太网扩展板。芯片的四个模块大致分为：微控制单模块（MCU），以太网物理层接口模块，双端口存储器模块（DPRAM）和网络协议模块，支持全双工或半双工的传输模式，完全支持100M以太网技术，搭配上为其专门开发的W5100库文件可以使用户更专注于应用层协议的编写。

2.3 DHT11数字温湿度传感器

DHT11数字温湿度传感器内部集成有温度与湿度两种传感器，这两种传感器把温度与湿度数据采集回来，经由放大，AD转换，校验，从DATA端与控制端进行串行通信。该传感器共有4个引脚，VDD端直流供电在3.5V～5V之间；DATA端接控制器引脚且须加5.1千欧电阻，以保证空闲时置高电位；GND端接地；NC端悬空。

2.4 MQ-2烟雾传感器

MQ-2烟雾传感器应用二氧化锡遇到烟雾浓度会导致导电率改变的原理，进行一般的电路设计就可以使电流的输出和烟雾浓度变化成正比例。此传感器针对氢气，甲烷，天然气的灵敏度较高，价格低廉，适用于家庭气体检测。

2.5 GP2Y1010AU粉尘传感器

GP2Y1010AU粉尘传感器中央留有一圆型开孔，通过尘埃流动会引起激光折射率的变化原理来测量空气中尘埃的浓度。对于香烟式的细微粒子和大颗粒物灰尘，由于细微粒子的扩散范围大，密度高，所输出呈持续高电压状态，而灰尘颗粒大，密度低，呈现有间隔的高脉冲来对两种不同的污染物进行判别。

2.6 LCD1602液晶显示屏

LCD1602是一款可以显示两行，每行十六个字符的小型液晶显示屏。总计16枚引脚，前两枚和后两枚是电源控制类引脚，第三枚到第六枚为控制类引脚，而第七枚到第十四枚则负责数据的交换。控制引脚RS负责数据寄存器和指令寄存器切换，R/W负责LCD读写切换，EN负责使能。由于本设计不需要从LCD读取数据，故选用四位数据线接口（控制器引脚只接高4位）方法便可输出内容。

3 系统的软件设计

系统软件上的设计大体上分为两个部分，一方面是各个传感器的数据采集程序，另一方面则是调用W5100以太网扩展板的数据发送程序。

3.1 传感器的数据采集

DHT11的数据采集主要是加载已经写好的dht11.h头文件，头文件中包含temperature、humidity两个变量和一个read（）方法。通过实例化对象DHT11，把read（）方法读取的端口值赋值给对象DHT11进行数据的读取。而GP2Y1010AU粉尘传感器和MQ-2烟雾传感器则可以直接进行模拟输入口的读入，调用analogRead（）方法赋值给声明变量，在配合延时方法即可输出数据。

3.2 W5100扩展板的数据发送

数据发送的设计必须加载W5100的库文件Ethernet.h，并且需要向Yeelink平台申请API KEY和网页端的传感器设备号。调用Ethernet.begin（mac） 方法向DHCP获取IP地址，完成网络的初始化。Client.connected（）方法用来判断网络的连接情况，并调用switch（）方法和判断标志位flag决定一轮循环中将要传递的传感器模拟值。编写sendData（int data）方法发送一个HTTP的POST请求，完成整个数据上传至Yeelink平台过程。

4 结束语

家庭环境监测系统是家居物联网中的重要组成部分，同时配合家居安防与家居报警系统来构成家庭安全的整个环节。随着物联网技术的越发普及，家庭环境监测技术的市场有着广阔的前景。本设计基本完成了对家庭环境质量的检测的客观需求，但与商业化的物联网技术还有较大差距。在接下来的研究中，小组成员将再接再厉，完善家居环境质量系统。

参考文献：

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[2]奥松电子科技有限公司.温湿度模块AM2303产品手册[Z].

[3]王啸东.PM2.5粉尘颗粒检测仪的研制[J].电子世界，2013（16）：98.

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