基于物联网的户外便携式环境监控系统设计

摘要：随着无线局域网技术的快速发展，无线终端已经融入了人们的生活，该文基于物联网研究并开发了一款户外便携式环境监控系统。当前市面上的环境监测仪大多数应用于空气、湖泊、海洋、河流等大型系统检测，基于此，该文采用嵌入式开发平台，通过物联网技术，在移动终端开发Android界面，用户通过网络实现对户外环境（如温湿度信息、光照信息、PM2.5等）的实时监控，装置便携、功耗低，测试精度高。

关键词：环境监控;物联网技术;嵌入式系统;无线终端设备

中图分类号：TP334.3       文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）01-0128-03

健康中国的推进、人类命运共同体的构建，都提出保护美好社会生活环境的愿景，环境对生活的影响已经成为一个热点问题[1-2]。市面上的环境监测装置功能单一化，一般只能监测某一种环境因素，不能够很好地满足人们的需求。本文拟从研究的热点技术出发，以物联网技术和传感器技术为突破点[3-6]，研究以及物联网技术和传感器技术、电子信息技术组成的多功能环境监测系统，可以同时监测多路信息，比如温度、湿度、光照强度、大气压强、PM2.5、氨气、硫化物、烟雾和苯系蒸汽等[7-9]。帮助人们更准确地监测环境参数，力求最大限度改善环境，使人们的生活更加美好。

目前国内现在对环境监测还停留在传统的人工环境监测方法，几乎还基于单片机终端监测很少具有实时通信功能[10-12]。产品的现场安装受使用环境所限，环境应用适用性差，测控手段单一。很难进行远距离的监控和报警。

1 整体方案设计

该系统采用的是5V供电，主要是以STM32平台作为主控制器，WIFI通信，通过STM32采集传感器检测到的数据[13-16]，并且通过wifi发送到手机客户端，检测后通过设置最低值和最高值，当检测到超过设置的最高值的时刻，系统就会提示报警。

系统总体框图如图1所示。

2 硬件电路设计

2.1 WIFI通信模块

WIFI模块的电路原理图如图2所示。设计采用ESP8266模块，实现物理设备与互联网和局域网通讯。

2.2 报警模块

报警电路主要由蜂鸣器和LED组成，当环境数据超过阈值时，蜂鸣器报警，LED点亮。

该模块的电路连接图如图3所示。

2.3 温湿度模块

温湿度模块采用DHT11数字温湿度传感器设计，具体的电路设计原理图如图4所示。

2.4 光照强度模块

采用光敏电阻作为信号采集器件。光敏电阻是基于光电导效应的一种光电器件，无光照时， 光敏电阻值（暗电阻）很大， 电路中电流（暗电流）很小;当受到光照时，半导体材料电导率增加，电阻减小。其阻值随光照增强而减小。光敏电阻作为光电式传感器的一种，它具有灵敏度高、光谱响应范围宽;体积小、重量轻、机械强度高、耐冲击、耐震动、抗过载能力强和寿命长等特点。该模块在电路连接中图如图5所示。

2.5 空气质量模块

空气质量检测模块采用MQ135气体传感器，该模块的电路连接图如图6所示。

3 软件设计

该系统主要由STM32通过DMA采集多通道的ADC接口来连接光照强度、PM2.5模块、空气质量模块，采集到传感器的模拟量后，通过算法，进而得到光照强度、PM2.5和空气质量的值;并通过I2C和BMP180通信得到大气压的数值;通过单总线和DHT11通过得到温湿度的数值;采集的环境数据在LCD5110液晶上显示;并通过串口来与WIFI模块进行通信，通过串口配置与WIFI模块一样的波特率，然后发送特定的AT指令，可以对WIFI模块进行配置及控制，使得可以与手机进行通信，最后通过串口将采集传感器的数值经过WIFI模块发送到手机App上，进而就可以实现在Android平台上，手机对环境数据的检测。

4  实验测试

在硬件调试的过程中，利用AD绘制完原理图，根据原理图设计好电路板后，对板进行了检查，确认整体的电路设计没有问题后，确定无误后再进行元器件的焊接。焊接完成后，对焊接的地方进行检查，检查是否有虚焊或者漏焊，确认没问题后。再针对电源供电部分进行检查，看MCU等各个部分的供电是否正常。然后下载之前在开发板上调试过的程序，看是否在本系统中是否能正常运行。虽然在调试的过程中遇到了一些问题，但是经过各种排查和解决，终于达到了设定的目标功能。

5  结论

本文在分析当前环境检测存在的问题和重点研究领域出发，设计完成了一款基于物联网的环境检测系统。具体完成了整体方案的设计、硬件单元电路的设计以及软件设计，能够对温度、湿度、大气压、光照，PM2.5以及空气质量进行检测，经过实际测试，整个系统工作稳定、准确。

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【通联编辑：梁书】

收稿日期：2021-09-10

作者简介：陈新喜（1969—），男，湖南株洲人，副教授，主要研究方向为电子信息技术、嵌入式技术应用等。

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