劉琳琳 朱振宇 蔡金玉 蔣藝華

摘 要：環(huán)境檢測(cè)是環(huán)境保護(hù)的重要手段，建立一種快速、簡(jiǎn)便、精確的環(huán)境檢測(cè)方法有利于實(shí)現(xiàn)環(huán)境的監(jiān)管控制。本設(shè)計(jì)利用Arduino軟硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，通過(guò)藍(lán)牙模塊進(jìn)行小車的無(wú)線控制和環(huán)境中溫度、濕度、可燃性氣體的濃度等各類參數(shù)的檢測(cè)，并將檢測(cè)得到的數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙模塊發(fā)送回手機(jī)藍(lán)牙串口助手APP，實(shí)現(xiàn)手機(jī)對(duì)環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和小車的前進(jìn)、后退及方向控制。檢測(cè)小車集藍(lán)牙控制、數(shù)據(jù)采集、報(bào)警等功能于一體，可在非特定或其他惡劣條件下代替人進(jìn)行環(huán)境數(shù)據(jù)檢測(cè)工作，具有一定的推廣意義和應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：Arduino單片機(jī)；藍(lán)牙；環(huán)境檢測(cè)；手機(jī)

中圖分類號(hào)：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-0134（2018）08-066-04 DOI：10.19483/j.cnki.11-4653/n.2018.08.024

隨著科學(xué)的發(fā)展，社會(huì)生產(chǎn)力水平的不斷提高，環(huán)境監(jiān)測(cè)的內(nèi)容也由工業(yè)污染源的監(jiān)測(cè)，逐步發(fā)展到對(duì)大環(huán)境的監(jiān)測(cè)。[1]環(huán)境監(jiān)測(cè)越來(lái)越受到人們的重視，但新技術(shù)、新方法的加入仍然處在研究發(fā)展階段，主要還是采用人工及半自動(dòng)方法采集環(huán)境因子，效率低，精度差。[2]建立一種快速、簡(jiǎn)便、精確的環(huán)境檢測(cè)方法有利于實(shí)現(xiàn)環(huán)境的監(jiān)管控制。Arduino是一個(gè)開(kāi)源的單片機(jī)電子設(shè)計(jì)平臺(tái)，其硬件開(kāi)發(fā)板上有許多為傳感器模塊設(shè)計(jì)好的接口，只需插上封裝好的相應(yīng)模塊，它就可以讀取傳感器從外界獲取的信號(hào)，并在程序的指揮下做出相應(yīng)的反饋，提高了程序的效率。[3]論文提出了一種基于Arduino的環(huán)境數(shù)據(jù)檢測(cè)藍(lán)牙控制小車設(shè)計(jì)，通過(guò)手機(jī)藍(lán)牙控制小車的左右及前進(jìn)、后退運(yùn)動(dòng)，將車上傳感器采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送，并在濃度值超過(guò)閾值時(shí)觸發(fā)報(bào)警裝置。

1.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)利用Arduino單片機(jī)為核心控制板，通過(guò)手機(jī)藍(lán)牙同時(shí)完成小車狀態(tài)的控制和環(huán)境數(shù)據(jù)的收發(fā)及顯示，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖中，電源部分由鋰電池組和線性直流穩(wěn)壓電源組成，為小車系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)電流；車體部分采用了一般的四輪車體結(jié)構(gòu)，其中，前面兩個(gè)車輪分別裝有直流電機(jī)，以便控制小車的左右方向轉(zhuǎn)動(dòng)、前進(jìn)、后退以及停止運(yùn)動(dòng)；溫濕度傳感器、可燃?xì)怏w傳感器與Arduino主控相連，用于環(huán)境數(shù)據(jù)的采集。藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)小車與手機(jī)的通信，使小車能夠接收手機(jī)所發(fā)送的指令并將采集的數(shù)據(jù)傳回手機(jī)，并可通過(guò)手機(jī)控制小車的運(yùn)動(dòng)。

2.硬件設(shè)計(jì)

硬件部分主要有Arduino開(kāi)發(fā)板、HC-05藍(lán)牙模塊、DHT11溫濕度傳感器、MQ-2煙霧氣敏傳感器模塊以及L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、直流減速電機(jī)等。其中，Arduino開(kāi)發(fā)板為小車系統(tǒng)的控制中心，藍(lán)牙模塊為手機(jī)與小車的通信模塊。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)直流減速電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)控制和改變小車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，DHT11溫濕度傳感器與MQ-2煙霧氣敏傳感器為環(huán)境數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行溫濕度與煙霧或可燃?xì)怏w濃度的檢測(cè)。

本設(shè)計(jì)將Arduino控制板的0號(hào)管腳（RX）、1號(hào)管腳（TX）分別與藍(lán)牙模塊的TX、RX腳相連；L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的IN1、IN2、IN3、IN4接口與具有脈沖寬度調(diào)制的6、9、10、11號(hào)管腳相連；溫濕度模塊與數(shù)字5號(hào)管腳相連；煙霧氣敏傳感器需要與模擬串口相連，因此將之與A0口連接，與之功能相關(guān)聯(lián)的蜂鳴器接2號(hào)管腳。Arduino開(kāi)發(fā)板管腳分配完成后，將L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的OUT1、OUT2輸出口與左側(cè)直流減速電機(jī)相連，另一側(cè)以同樣方式與右側(cè)的直流減速電機(jī)相連，硬件連接的具體串口設(shè)置如圖2所示。

2.1Arduino主控制器單元

Arduino控制器[4，5]主要包含單片機(jī)、數(shù)字串口、模擬串口、晶振和5V穩(wěn)壓器等部件（如圖3所示）。開(kāi)發(fā)板通過(guò)USB數(shù)據(jù)接口與計(jì)算機(jī)連接進(jìn)行程序的編譯與導(dǎo)入工作，在IDE中編寫程序代碼后，將程序通過(guò)USB接口上傳到Arduino開(kāi)發(fā)板，開(kāi)發(fā)板上的單片機(jī)進(jìn)行程序的執(zhí)行與數(shù)據(jù)的處理。本設(shè)計(jì)的Arduino UNO開(kāi)發(fā)板的3，5，6，9，10和11號(hào)管腳具有脈沖寬度調(diào)制（PWM）功能，能夠提供舵機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等部件調(diào)速的功能。

2.2數(shù)據(jù)采集單元

環(huán)境數(shù)據(jù)采集功能主要依靠數(shù)字溫濕度傳感器和MQ-2煙霧氣敏傳感器實(shí)現(xiàn)溫濕度與煙霧或可燃?xì)怏w濃度的檢測(cè)。

2.2.1DHT11溫濕度傳感器

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器主要包含采集技術(shù)和傳感技術(shù)，該傳感器包括濕式電阻和NTC電阻，其內(nèi)部原理圖如圖4所示。

濕式電阻是將一層膜覆蓋在基片上，該膜由感濕材料制成。當(dāng)感濕膜接觸到空氣中的水蒸氣時(shí)，元件的電阻值會(huì)隨著吸濕與脫濕過(guò)程中氫離子濃度的變化而變化，內(nèi)置的轉(zhuǎn)換電路將最終的電壓變化計(jì)算后與濕度的變化相對(duì)應(yīng)，這樣便可以測(cè)量環(huán)境中的濕度。[6]NTC電阻即負(fù)溫度系數(shù)電阻表示當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)電阻值下降，電壓輸出也會(huì)隨之變高，轉(zhuǎn)換電路再根據(jù)相應(yīng)變化使電壓值與環(huán)境的溫度相對(duì)應(yīng)。DHT11溫濕度傳感器的主要參數(shù)如表1所示。

2.2.2 MQ-2煙霧氣敏傳感器

氣敏電阻是MQ-2煙霧氣敏傳感器測(cè)量可燃?xì)怏w濃度的核心元件，它將檢測(cè)到的可燃性氣體的濃度轉(zhuǎn)換為電壓上傳給單片機(jī)。氣敏電阻具有P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體兩種。當(dāng)它處于正常情況下時(shí)，N型半導(dǎo)體的氣敏電阻處于陰離子缺位的狀態(tài)，當(dāng)氣敏電阻與可燃性氣體分子接觸時(shí)，電子將會(huì)從可燃性的氣體分子向N型半導(dǎo)體移動(dòng)，半導(dǎo)體的電阻值也將會(huì)減小，從而改變電路的電壓值。[7]對(duì)于P型半導(dǎo)體的氣敏電阻是陽(yáng)離子缺位，半導(dǎo)體的電阻會(huì)增加。由于溫度對(duì)半導(dǎo)體的電導(dǎo)率的影響較大，所以在使用時(shí)MQ-2煙霧氣敏傳感器測(cè)量可燃性氣體濃度時(shí)需要將其加熱。

2.3通信單元

手機(jī)與檢測(cè)小車通過(guò)藍(lán)牙模塊進(jìn)行通信，將檢測(cè)得到的環(huán)境數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙模塊發(fā)送回手機(jī)藍(lán)牙串口助手APP，實(shí)現(xiàn)手機(jī)對(duì)環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和小車的前進(jìn)、后退及方向控制。

HC-05藍(lán)牙模塊與手機(jī)藍(lán)牙進(jìn)行配對(duì)實(shí)現(xiàn)通信功能，HC-05藍(lán)牙模塊有六個(gè)引腳：VCC、GND、TXD、RXD、KEY、LED，當(dāng)藍(lán)牙模塊處于不同的通信狀態(tài)時(shí)，模塊上的指示燈會(huì)呈現(xiàn)不同的閃爍狀態(tài)，便于用戶判斷藍(lán)牙模塊是否正常工作。若將KEY接高電平之后或同時(shí)給藍(lán)牙模塊上電，指示燈將會(huì)以每秒一次的頻率慢閃，模塊進(jìn)入AT狀態(tài)不可進(jìn)行配對(duì)任務(wù)；KEY懸空或接地時(shí)指示燈的狀態(tài)以每秒二次的頻率快閃，當(dāng)藍(lán)牙模塊配對(duì)成功之后，指示燈將會(huì)變成雙閃狀態(tài)，每?jī)擅腴W爍一次。在可配對(duì)狀態(tài)下將KEY接高電平，模塊又將退出可匹配狀態(tài)進(jìn)入AT狀態(tài)，但此時(shí)指示燈的閃爍頻率與可匹配狀態(tài)下指示燈的狀態(tài)一致。本設(shè)計(jì)將KEY引腳懸空，各引腳功能如表2所示。

2.4小車運(yùn)動(dòng)單元

小車的運(yùn)動(dòng)功能主要依靠L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊以及DC3V-6V直流減速電機(jī)實(shí)現(xiàn)。L298N[8，9]（如圖5）內(nèi)置的兩組H橋用來(lái)維持電機(jī)兩端電壓始終處于在高低電平之間。該模塊除了將12V電源轉(zhuǎn)換成5V供電給開(kāi)發(fā)板外還可以驅(qū)動(dòng)和控制兩路電機(jī)，當(dāng)使能端ENA、ENB均為高電平時(shí)，通過(guò)組合不同的IN1、IN2狀態(tài)控制直流減速電機(jī)的不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

在對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制以用來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)速度之前，需要先確定IN1和IN2口與直流電機(jī)的連接，確定電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。在確定直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向后，再通過(guò)程序確定單片機(jī)的引腳與左右電機(jī)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，當(dāng)需要調(diào)節(jié)直流減速電機(jī)速度的時(shí)候再輸出PWM脈沖進(jìn)行調(diào)速。當(dāng)IN1和IN2接口均為0狀態(tài)或均為1狀態(tài)時(shí)，兩個(gè)輸出接口所控制的對(duì)應(yīng)直流電機(jī)制動(dòng)。小車運(yùn)動(dòng)單元原理圖如圖6所示。

3.軟件設(shè)計(jì)

軟件部分采用模塊化設(shè)計(jì)，主要分為主程序、數(shù)據(jù)采集程序、藍(lán)牙通信程序、小車運(yùn)動(dòng)控制程序，程序設(shè)計(jì)流程圖如圖7所示，當(dāng)某一功能的程序設(shè)計(jì)好就導(dǎo)入至Arduino開(kāi)發(fā)板，導(dǎo)入后看功能是否正常實(shí)現(xiàn)，若能正常實(shí)現(xiàn)就再設(shè)計(jì)下一功能程序。若功能不能正常實(shí)現(xiàn)，則重新調(diào)試該部分程序，當(dāng)四部分功能程序均完成后，再對(duì)四部分功能的程序進(jìn)行組合拼接，不斷導(dǎo)入程序并調(diào)試，當(dāng)所有功能均實(shí)現(xiàn)后，則程序設(shè)計(jì)完成。

對(duì)藍(lán)牙串口助手進(jìn)行編輯（如圖8左），手機(jī)與檢測(cè)小車通過(guò)藍(lán)牙模塊進(jìn)行通信，發(fā)送不同指令實(shí)現(xiàn)對(duì)小車的控制，實(shí)現(xiàn)手機(jī)對(duì)小車的前進(jìn)、后退及方向控制，并將檢測(cè)得到的環(huán)境數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙模塊發(fā)送回手機(jī)藍(lán)牙串口助手APP（如圖8右），當(dāng)環(huán)境數(shù)據(jù)超過(guò)閾值時(shí)進(jìn)行報(bào)警。

結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)完成了用于環(huán)境數(shù)據(jù)采集藍(lán)牙控制小車的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過(guò)手機(jī)藍(lán)牙與數(shù)據(jù)采集小車通信，無(wú)線遙控小車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，藍(lán)牙控制范圍在10 m內(nèi)，并將各傳感器采集的數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙模塊傳送回手機(jī)藍(lán)牙串口助手APP，并且實(shí)現(xiàn)了根據(jù)煙霧濃度進(jìn)行報(bào)警的功能。

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