基于Arduino 的智能环境监测系统的设计与制作

王瑞祥 杨定成

（浙江东方职业技术学院，浙江 温州325000）

在社会经济不断发展与科学技术水平不断提升的影响下，随着各种智能系统与数字化设备、自动化控制技术等的不断研究与开发应用，也逐渐推动了空气质量与环境监测领域中有关智能化、数字化设备以及自动化技术产品的研究与应用，智能化、自动化与数字化逐渐成为各行业领域研究和发展的重要方向。其中，基于Arduino 的智能环境监测系统是采用Arduino 单片机与各种环境监测传感器设备，通过对外部环境数据的监测分析，在蓝牙无线传输通信技术方式支持下，向有关接收设备或者是用户手机等进行环境监测与分析数据发送，以满足其环境监测需求，使用户能够根据环境监测与分析结果及时进行调节和管理，确保其环境质量最优化。值得注意的是，上述基于Arduino 的智能环境监测系统在实际设计与开发过程中，为满足系统开发与设计的环境保护和能源节约要求，专门采用了太阳能光伏板以及可充电电池进行电源系统设计，以满足其系统运行的电能需求，同时促进系统设计与开发的综合效益提升。将从系统总体结构与功能设计、硬件设计、软件设计等方面，对基于Arduino 的智能环境监测系统的设计与制作实现进行研究，以供参考。

1 基于Arduino 的智能环境监测系统及其结构组成分析

基于Arduino 的智能环境监测系统主要由数据监测设备与数据显示设备两大硬件设备部分组成，并且其系统的两大硬件设备结构之间进行数据传输是利用蓝牙无线传输通信模块实现的。如下图所示，即为基于Arduino 的智能环境监测系统的总体结构组成示意图。

基于Arduino 的智能环境监测系统总体结构示意图

其中，基于Arduino 的智能环境监测系统中，其数据监测设备结构中，主要采用光伏电源系统设计，为系统运行提供可靠的电能支持，此外，还包含Arduino 单片机以及各种环境监测传感器设备，系统运行中，通过各种环境监测传感器设备对监测空间内的各项环境参数进行有效采集，一般包含光照强度以及环境温度、湿度、PM2.5 浓度等数据类型，然后在有关算法支持下通过计算分析完成对数据信息的有效整合和处理，并根据数据传输模块中的蓝牙无线传输通信协议对其通信传输进行支持，向有关数据接收设备或者是用户手机进行传输。此外，结合上述基于Arduino 的智能环境监测系统设计中，对数据监测设备部分的环境数据监测与采集传感器设备的选择和应用情况，其比较常见的各类环境传感器设备类型主要包括GY-5800 紫外线传感器以及攀藤G7 激光PM2.5 粉尘传感器、AHT10 数字温湿度传感器、CJMCU-TEMT6000X01 环境光传感器等，而数据监测设备结构中的蓝牙无线传输通信模块主要采用了汇承HC-05 蓝牙无线传输通信装置，Arduino 单片机则采用Arduino ProMini 单片机设备。

其次，在基于Arduino 的智能环境监测系统中，其数据接收设备结构部分设计，是采用7 寸的LCD 触摸屏以及蓝牙无线传输通信模块、可充电电源等结构共同设计组成，在系统运行中能够对所接收数据进行进一步的分析和处理，并将数据分析和处理结果以全数字化方式在显示屏中进行显示，使系统用户能够通过显示屏对环境监测与分析结果进行更加清晰与直观的查看和获取，从而对当前的环境状态进行准确掌握。

2 系统硬件设计分析

根据上述对基于Arduino 的智能环境监测系统总体结构设计与分析情况，在进行该系统的硬件部分设计中，其设计内容主要包括主控单片机以及蓝牙无线传输通信装置、传感器设备等。其中，对系统的主控单片机设置主要采用Arduino ProMini单片机，该单片机设备不仅是一款具有高性能的AVR8 位Atmega328 型微控制器设备，并且其进行系统运行控制应用的能耗较低，工作频率一般为16MHz，单片机内设置有相应的程序存储器与EEPROM，其运行内存等均能满足该系统的控制需求。此外，本文进行基于Arduino 的智能环境监测系统设计中，所选择使用的主控单片机设备，其内部还集成设置有相应的AD 转换器，能够对8 路模拟量与6 路PWM的输入进行支持，且该控制单片机的外部通信连接接口类型较为丰富，分别设置有相应的IIC、SPI 以及USART 通信接口，能够满足系统中各种模拟量与数字传感器设备的通信接入需求，并通过通信连接对其系统进行环境监测与智能运行进行支持。

上述系统的蓝牙无线传输通信装置设计中，则主要采用了HC-05 蓝牙无线传输通信模块，其能够通过与主控单（转下页）片机的微控制器串行端口进行连接，以通过AT 指令对微控制器在系统运行中的工作参数设置等控制功能进行满足，同时对蓝牙连接与其他设备之间的通信连接方式进行有效匹配管理。需要注意的是，本文所设计的智能环境监测系统蓝牙无线传输通信模块，其工作运行中能够通过主模式与从模式两种不同模式进行运行实现，在智能家居以及远程控制、机器人、监控系统等多种应用中都能够对其蓝牙无线传输数据通信需求进行满足，以为系统运行提供可靠的数据通信支持。

3 系统软件设计分析

上述智能环境监测系统的软件设计中，主要是进行系统主控单片机设备中相应的软件控制程序开发与设计。在进行上述智能环境监测系统的主控单片机控制软件与程序设计中，是以Arduino 的C、C++编程语言作为基础，对主控单片机的软件程序中参数设置内容以参数化形式呈现，从而对其软件程序的开发与设计进行优化，以提高其软件程序开发设计的简便性与高效性。根据其系统主控单片机的软件控制程序开发与设计情况，其在智能环境监测系统主控单片机设备控制运行中的主要工作流程表现为：该软件程序的电源启动后，经过初始化处理，系统的光伏发电电源系统通过对最佳阳光入射角寻找和确定，为系统运行进行稳定性电源提供和支持，同时，系统中的环境监测结构部分开始对监测目标区域的环境参数及各项指标结果进行周期性监测与数据采集，并对其监测数据进行统一处理与校准后向接收设备发送，以满足系统的智能环境监测功能需求，对智能环境监测系统的有效运行进行支持。

总之，对基于Arduino 的智能环境监测系统设计与制作研究，有利于促进其在有关实践中进一步设计和推广应用，不断提高智能环境监测系统的设计水平及环境监测工作效率提升，具有十分积极的作用和意义。