《基于Arduino-UNO的智慧环保物联网系统软硬件设计》10000字【论文】

第第第三章系统硬件电路设计3.1监测系统总体设计本文在进行研究设计的过程之中，主要是利用硬件连接的形式，实现将各类信息数据直接传输至ArduinoUNO控制板的目的，然后以此重要基础，调试各传感器模块、ArduinoUNO控制板等，便于实现相应的功能，并通过科学化的方式对所采集的数据进行深入化探析。同时，还可以在Yeelink网络平台上实现实时监控的目的，确保广大学生可以利用平台实时观察附近的环境。对于Arduino输入端，其核心功用便是对各个传感器所采集的信息数据进行整理以及汇总，一方面可以对街道温湿度、灰尘污染度等多方面参数进行分析以及检测，另外一个方面，还可以实时监控外部噪音。利用无线通信模块，将其与智能控制板进行直接关联，把传感器所采集的各类信息数据直接上传在于Yeelink网络平台，对数据变化情况进行动态化监控，并且还可以整理以及汇总网络平台之中的数据。另外，对传感器设计工作进行模块化处理，当出现异常状况时，无需对整个工作系统进行全面化检测，仅需主义排查即可，具备相对较高的实用性以及合理性。下图3.1详细展示了系统框图，具体如下：图3.1系统框图3.2系统硬件设计3.2.1ArduinoUNO控制板ArduinoUNO实质上属于一种较为普遍的开源性开发板，具备高度模块化的特征，其中对于主处理器来讲，其核心工作内容是对Zigbee网络传回数据进行汇总，并且还需要与Yeelink平台进行通信处理，所以对于主处理器来讲，其必须要配设两个以上的串口才可以实现相应的功能。而对于主处理器电路来讲，其主要包含两个电路，其一是复位电路、其二是晶振电路，由于系统后期还需要进行扩展，所以需要对内部I/o接口进行对接，以便后期更好地进行应用。下图3.2详细展示了ArduinoUNO控制板结构，具体如下：图3.2ArduinoUNO控制板结构图3.2.2系统电源电路的设计在具体工作过程之中，系统可能会在多种环境之下进行工作，所以在对电源电路进行分析以及设计的过程之中，引入了多种供电形式相融合的方式，极大地提升了系统的灵活性。下图3.3详细展示了电源电路的基本原理。Zigbee网络运行时，需要配置终端设备、路由器等，其中对于终端设备来讲，需要对环境参数进行实时监测，因此耗电量比较高，所以在对电源适配器进行考核的过程之中，需要对该方面因素进行综合性考量。对于其它功能来讲，一般是使系统处在休眠状态之下，当需要对数据进行传输的过程之中再将其唤醒，如此一来，也可以切实满足电池的供电要求。基于此，当选取适配电源的过程之中，一般是把S1调整至OM状态，在该种条件下，电源将会通过C2，以此对其进行滤波处理，然后利用稳压芯片U1进行稳压，由此得出3.3V电压，为系统提供电能。当选取电池供电时，通常需要把S1、S2分别调整至OFF以及BATT位置，在该种条件下，表明电池可以进行供电。基于此，利用选择两种不同开关形式的方法可以妥善解决电源适配器供电、电池供电这两个方面所存在的实际问题。图3.3系统电源电路3.2.3温湿度传感器对于温湿度传感器来讲，其核心作用便是对附近环境温度、湿度等数据进行采集，可以实现对附近环境温湿度进行精准化监测的目的，确保使用者可以动态化了解环境情况，以便及时增减衣物。本文在进行研究分析的过程之中，综合多方面因素考虑，最终决定选取数字温湿度传感器DHT11，对于该种类型的传感器来讲，检测结果区间为20％ＲＨ～90％ＲＨ、精度为１％ＲＨ、湿度±５％ＲＨ、温度±２℃。传感器的反应非常灵敏，可以实现远距离传输的目的，可以切实满足智能设备在基本实际要求。下图3.4详细展示了温度传感器在进行测量过程中的基本原理，具体如下：图3.4DSM501A温湿度测量图DSM501A3.2.4灰尘传感器对于灰尘传感器，其核心作用是采集附近环境中的灰尘含量，对校园环境中的灰尘粒子数量做出精准化判定，分析环境中灰尘数量变化情况，确保广大使用者可以及时了解环境清洁度，以便做好各方面防护。一般情况下，较为普遍的传感器包括以下三种，具体如下：第一，普通型。售价较低，但是测量精度也比较低，在正常条件下输出高电平，如果存在污染颗粒，那么其将转变为低电平。当对PM2.5进行分析以及运算的过程之中，要求出低电平在30s之内的半分比，然后将该值直接代入至具体分析公式之中，求出PM2.5浓度值。第二，自带处理器型。价格处于中等区间，具备相对较高的灵敏度，外观体积相对较少，并且该传感器配设了相应的处理器，换而言之，传感器的最终输出结果便为测量结果，不需要在程序之中进行二次处理，应用串口输出模式，应用较为简单。第三，激光型。测量精度相对比较高，数字输出形式，并且输出稳定性非常高，但是其价格也比较昂贵。除了上述三种类型之外，灰尘传感器的类型也包含多种，本文在进行研究分析的过程之中，综合多方面因素考虑，最终决定选用DSM501A传感器，该传感器拥有吸入空气的基本功能，然后以灰尘计数原理为重要参考以及基础，对灰尘进行高效化检测，检测精度非常高。同时，此传感器主要利用PMW调制形式实现数据输出、数据显示等多方面功能，利用低脉冲率的形式表示粒子数量、灰尘粒子水平等，下图3.5详细展示了灰尘测量电路，具体如下： 图3.5灰尘测量电路图3.2.5声音传感器对于声音传感器，其核心功能便是实时监控校园附近的声音，从严格意义上来讲，对于噪音污染来讲，其实质上是一种对人体身心健康均会造成严重影响的一个污染因素，在过去很长一段时间内，人们进行关注大气污染，但是在人们生活质量日益提升的时代环境之下，越来越多的人开始关注噪音污染。本文在进行设计的过程之中，综合多方面因素考虑，最终决定选用MIC声音传感器，如果附近的声音强度达到了阈值，那么声音传感器将会自动对外输出低电平，相反，则会对外输出高电平，同时会利用ArduinoUNO进行显示。该传感器的测量范围、频率范围分别为30～120dB（Ａ）、20Hz～8KHz。3.2.6无线通信模块对于无线通信模块来讲，其核心作用是对上述多个传感器所采集的数据进行高效化传输，确保应用者可以观察以及感受到各信息数据。从本质意义上来讲，对于无线通信模块而言，其实质上就是一种Arduino拓展模块，可以与Arduino控制板进行直接相连，然后再利用编译的形式对其进行控制。本文在进行设计的过程之中，综合多方面因素考虑，最终决定选用CC2530芯片。CC2530芯片包含多种类型的闪存，如CC2530F32/64/128/256，并且还配设工作模式、睡眠模式等，当处于睡眠模式环境之下，其耗电量相对比较低，即使在正常工作条件下，耗电量也相对较低，所以其具备功耗低的优点。图3.6通信接口电路第四章系统软件设计4.1传感器数据采集程序的设计基于上述研究分析可以得知，本设计主要选用了数字输出传感器，因此当对数据进行采集的过程之中，仅需让CC2530处理器对传感器输出进行循环读取即可，但是在具体应用的过程之中却与之存在显著差异。对于数据采集节点来讲，其工作环境相对较为繁琐、复杂，外部各类因素均会对其产生严重的影响，导致处理器读取的数值、实际值之间存在重大偏差，因此为了确保读取值的精准性，在设计之初便需要对滤波算法进行综合性考量，一般可以通过以下步骤实现相应的目的，具体分析如下：#defineFILTER_N10intFilter(){inti,j;intfilter_temp,filter_sum=0;intfilter_buf[FILTER_N];for(i=0;i<FILTER_N;i++){filter_buf[i]=Get_Value();delay(1);}//采样值从小到大排列（冒泡法）for(j=0;j<FILTER_N-1;j++){for(i=0;i<FILTER_N-1-j;i++){if(filter_buf[i]>filter_buf[i+1]){filter_temp=filter_buf[i];filter_buf[i]=filter_buf[i+1];filter_buf[i+1]=filter_temp;}}}//去除最大最小极值后求平均for(i=1;i<FILTER_N-1;i++)filter_sum+=filter_buf[i];returnfilter_sum/(FILTER_N-2);}下图4.1详细展示了传感器数据采集流程，当系统成功通电并进行初始化处理之后，单片机便可以对与传感器相连的引脚进行读取，并把所读取的数据全部存储于一个数组之中，并引入中位值滤波法求出一个相对较为稳定、精准的结果。图4.1传感器数据采集流程图4.2Zigbee网络节点程序设计Zigbee技术具备诸多突出性优点，如功耗低、距离近、复杂度低等，其主要是以Zigbee协议栈为基础而实现相应的通信功能。对于Zigbee协议栈来讲，其主要是以IEEE802.15.4标准为基础经过多次优化以及改进而获得，其切实满足ISO开发系统互联参考模型，其包含物理层、数据链路层等多项内容，与其它协议相比较而言具备诸多突出性优点，例如安全可靠、组网能力比较强等。基于Zigbee协调器特性、测量环境需求，结合本设计的具体要求，最终决定选用树形网络，在此过程之中其主要包含三方面的设计工作，其一是协调器设计、其二是路由器设计、其三是终端设计。下图4.2详细展示了协调器程序流程，具体如下：图4.2协调器程序流程图在整个网络系统之中，协调器是非常重要的转换节点，下图4.3详细展示了路由器程序流程。对于终端节点来讲，其核心工作便是传感器数据采集，然后把所采集的各类信息数据直接加入至网络之中，下图4.4详细展示了终端程序流程，具体如下：图4.3路由器程序流程图图4.4终端程序流程图4.3主处理器与网络通信接口程序的设计Zigbee网络、互联网进行连接的过程之中，主处理器、网络通信接口是非常重要的通道，各数据以及命令均是利用这些通道实现相应的功能，也是系统中最为核心的一个构成内容，下图4.5详细展示了主处理器流程，具体如下：图4.5主处理器流程图第五章总结与展望5.1总结本文在进行研究分析的过程之中，把物联网、校园环境监测进行深度结合，利用二者进行结合的形式可以极大地提升环境监测能力。系统利用硬件电路设计以及调试、软件代码编写等多项内容，获得了较为突出的效果，所求出的测试结果也非常稳定。本文的研究内容包含下列四个方面，具体如下：以CC2530处理器为核心，做好采集电路设计、程序编写等多项工作，将多个传感器的性能进行对比以及分析，综合多方面因素考虑，选取性价比较高的一款，便于系统集成相关元件。同时，结合各传感器工作特征、应用范围等，设计合理化、科学化的电路图，并在此基础之上编写具体程序。结合具体要求，设计一款以Arduino为核心的网络通信接口，并结合实际情况编写电路程序等，进而在此基础之上达到Zigbee网络、互联网互联互通的目的，在未引入嵌入式系统的条件下，妥善处理物联网网络通信中最关键的技术。从不同方面介绍Zigbee网络，并基于各节点功能，实现相应的网络通信功能。介绍以及分析Yeelink物联网平台的基本配置，并在此基础之上完成云平台数字采集、数据显示等多项功能。5.2展望经过试运行之后，运行结果较为优良，不存在异常问题，由此可见，利用该系统可以极大地提升环境监测水平，并且还可以把该系统直接应用于生态环境监测、水环境监测等诸多领域。由于本人能力有限，再加上时间较为仓促，本文的研究仍存在一定的不足，可以从下列三个方面进行改进，具体分析如下：（1）现阶段，网络通信数据量相对较小，并且通讯主要为单方向，换而言之，仅仅是把数据直接传输于平台之上，并未通过平台对相关执行动作进行控制。另外，还可以增添音视频监控等多项功能。（2）可以结合具体应用环境对各功能模块做出科学化调整，以此扩大系统的应用范围。（3）提高数据传输的安全性以及稳定性，当进行大规模推广应用的过程之中，可以结合自身实际情况构建合理化、完善化的云平台以及数据库，以此来提高系统安全性。参考文献[1]彭扬,蒋长兵.物联网技术与应用基础[M].北京:中国物资出版社,2011:114.[2]吴功宜，吴英.物联网工程导论[M].北京:机械工业出版社,2012:46-75.[3]胡向东.物联网研究与发展综述[J].数字通信,2020.37(2):17-21.[4]刘云浩.物联网导论[M].北京:科学出版社,2011.1-3.[5]王保云.物联网技术研究综述[J].电子测量与仪器学报,2019.23(12):1-7.[6]李鹏,张瑞霞，王赛超.基于物联网技术的大气环境监测系统研究[J].信息通信,2019(8):59-60.[7]杜春飞.无线传感器网络大气环境监测系统设计[D].辽宁:大连海事大学,2020.[8]高守伟，吴灿阳,杨超,赵洪刚，陈庆扬.ZigBee技术实践教程[M].北京:北京航空航天大学出版社,2009:27-53.[9]樊静,王建明.基于CC25的博物馆状况无线监测系统设计[J].电子测量技术,2020,34(6):105-109.[10]张寅飞.基于CC2430的ZigBee无线组网技术[J].物联网技术,2021.0(4):66-71.[11]龚怡恒.基于ZigBee技术的无线温湿度采集系统设计[J].电子测试,2021.0(6):82-85.[12]范卫东，黄越.ZigBee技术在现代化教室照明系统中的应用[J].电气应用,2019.30(10):40-41.[13]宗学军.基于无线传感器网络的楼宇环境监测系统设计[J].自动化与仪表,2020.26(4):23-26[14]李程春.基于CC2430无线多参数传感器检测网络的设计：[D].江苏：江苏大学,2020.[15]王思铱.基于无