摘 要：隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，為解決有害氣體和火災(zāi)帶來的安全問題與環(huán)境污染帶來的健康問題，設(shè)計(jì)了一種便攜式智能環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以Arduino Nano為控制板，結(jié)合各類傳感器模塊、藍(lán)牙模塊、WiFi模塊和OneNET物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，可監(jiān)測(cè)環(huán)境中是否含有影響生命安全的有害氣體，是否發(fā)生火災(zāi)，也可監(jiān)測(cè)空氣溫濕度、聲音強(qiáng)度和光照強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，保障用戶的生命與財(cái)產(chǎn)安全。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；Arduino Nano；OneNET平臺(tái)；環(huán)境監(jiān)測(cè)；OLED顯示屏；蜂鳴器

中圖分類號(hào)：TP29 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2025）04-00-03

0 引 言

近年來，隨著生活水平的不斷提高，人們開始關(guān)注環(huán)境問題，同時(shí)大量研究機(jī)構(gòu)開始投入到環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研發(fā)[1-3]，加之物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生[4-5]。人們通過相關(guān)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)搜集火情，測(cè)量有害氣體體積分?jǐn)?shù)、噪聲強(qiáng)度、光照強(qiáng)度和溫濕度等參數(shù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，以實(shí)現(xiàn)環(huán)境的監(jiān)測(cè)與優(yōu)化。目前的智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大多應(yīng)用于特定場(chǎng)景，并不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)用戶所處的環(huán)境[6-7]。考慮到智能手機(jī)、平板電腦和筆記本電腦等電子設(shè)備的普及，本文提出了一種便攜式智能環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，便于用戶實(shí)時(shí)查看所處場(chǎng)景的各項(xiàng)環(huán)境數(shù)據(jù)，以預(yù)防火災(zāi)發(fā)生和有害氣體中毒，保障用戶生命安全；同時(shí)可避免用戶長(zhǎng)期處于不健康的生活環(huán)境中，保障其身體與心理健康。該便攜式智能環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可滿足各類人群需求，例如父母可以查看兒童或青少年所處環(huán)境，子女也可實(shí)時(shí)關(guān)注老年父母所處的環(huán)境。同時(shí)該便攜式智能環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可大范圍運(yùn)用于校園，做到及時(shí)排查校園火災(zāi)或者環(huán)境質(zhì)量隱患，保障學(xué)生安全。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

便攜式智能環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由感知層、傳輸層與應(yīng)用層構(gòu)成，分別包含主控板、傳感器模塊、無線網(wǎng)絡(luò)通信模塊、藍(lán)牙模塊、聲音報(bào)警模塊、OLED顯示屏模塊、蜂鳴器和OneNET物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)等部分。該系統(tǒng)由主控板控制各傳感器采集環(huán)境數(shù)據(jù)[8-10]，隨后將數(shù)據(jù)封裝成OneNET PaaS物聯(lián)網(wǎng)開放平臺(tái)支持的數(shù)據(jù)格式并通過無線網(wǎng)絡(luò)通信模塊發(fā)送到平臺(tái)[11]。用戶可注冊(cè)登錄查看相關(guān)數(shù)據(jù)。發(fā)生異常情況時(shí)，該便攜式智能環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可通過蜂鳴器發(fā)出警報(bào)聲，也可通過OLED顯示屏反饋異常情況。該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)火情、有害氣體體積分?jǐn)?shù)、噪聲強(qiáng)度、光照強(qiáng)度與空氣溫濕度等，并對(duì)異常情況發(fā)出警報(bào)。這一過程充分體現(xiàn)了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能化、及時(shí)化、精細(xì)化管理，將影響人們安全與健康的潛在威脅數(shù)據(jù)化、可視化，有利于對(duì)智能環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究[12]。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

1.1 感知層設(shè)計(jì)

1.1.1 主控板

系統(tǒng)主控板選擇Arduino Nano。這是一款基于ATMega328P微控制器的多功能小型開發(fā)板，共有14個(gè)數(shù)字引腳和6個(gè)模擬引腳，包含5 V和3.3 V的電源輸出引腳，尺寸為44 mm×17 mm×5 mm，能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)硬件電路的控制。使用過程中利用Arduino IDE 將程序燒錄到開發(fā)板中，對(duì)開發(fā)板的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。Arduino Nano開發(fā)板具有價(jià)格低廉、尺寸小、重量輕等特點(diǎn)，方便攜帶。

1.1.2 火焰?zhèn)鞲衅?/p>

火焰?zhèn)鞲衅骺杀O(jiān)測(cè)火焰或波長(zhǎng)在760～1 100 nm范圍的光源，工作電壓范圍為3.3～5 V，尺寸為39 mm×15 mm×12 mm?；鹧?zhèn)鞲衅鲗?duì)火焰光譜特別靈敏，能在80 cm處檢測(cè)到打火機(jī)火焰，且火焰越大，測(cè)試距離越遠(yuǎn)。該傳感器可有效運(yùn)用于對(duì)火焰的監(jiān)測(cè)。

1.1.3 MQ-2氣體傳感器

MQ-2氣體傳感器適用于一氧化碳、液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氫氣、煙霧等探測(cè)場(chǎng)景，探測(cè)范圍廣泛，并且具有靈敏度高、響應(yīng)迅速、穩(wěn)定性強(qiáng)、壽命長(zhǎng)等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。MQ-2氣體傳感器的工作電壓為5 V，尺寸為32 mm×21 mm×22 mm，在-10～50 ℃溫度范圍、小于95%RH的相對(duì)濕度下都可以正常工作。

1.1.4 聲音傳感器

本文采用LM2904聲音強(qiáng)度檢測(cè)模塊作為聲音傳感器。該模塊采用原裝高靈敏度咪頭和LM2904運(yùn)算放大器，具有功耗低、總諧波失真小的優(yōu)點(diǎn)，可用于檢測(cè)聲音的強(qiáng)度。模塊工作電壓為5 V，尺寸為39 mm×17 mm×9 mm。在封閉環(huán)境中，若正常說話，則可在10 m半徑范圍內(nèi)被檢測(cè)到。

1.1.5 溫濕度傳感器

本文采用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器監(jiān)測(cè)環(huán)境中的溫度與濕度。該模塊穩(wěn)定性高，能耗低，有著超長(zhǎng)的信號(hào)傳輸距離。DHT11數(shù)字溫濕度傳感器溫度測(cè)量范圍為0～50 ℃，精度達(dá)到±2 ℃；濕度測(cè)量范圍為20%RH～90%RH，精度達(dá)到±5%RH。其工作電壓為5 V，尺寸為22 mm×16 mm×7 mm。

1.1.6 光敏電阻傳感器

光敏電阻傳感器采用靈敏型光敏電阻，基于內(nèi)光電效應(yīng)，信號(hào)干凈，波型好，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)。光敏電阻對(duì)環(huán)境光線最敏感，一般用來監(jiān)測(cè)周圍環(huán)境的光照強(qiáng)度，觸發(fā)單片機(jī)或繼電器模塊。其工作電壓為5 V，尺寸為21 mm×15 mm×6 mm。

1.1.7 無源蜂鳴器

本系統(tǒng)采用無源蜂鳴器作為發(fā)聲報(bào)警裝置，及時(shí)引起用戶警覺，無源蜂鳴器是一種無需外部電源供電的報(bào)警裝置，當(dāng)數(shù)據(jù)異常時(shí)，無源蜂鳴器會(huì)發(fā)出蜂鳴聲報(bào)警，以提醒用戶排查潛在危險(xiǎn)，因此該裝置可以認(rèn)為是一種利用聲學(xué)發(fā)聲方式完成報(bào)警的電磁傳感裝置。無源蜂鳴器的工作原理是利用變壓器的磁通現(xiàn)象，通過磁感應(yīng)作用，將直流電調(diào)制成交流電，然后形成高分貝聲音進(jìn)行報(bào)警。無源蜂鳴器的工作電壓為5 V，尺寸為19 mm×15 mm×11 mm。

1.1.8 OLED顯示屏

基于便攜式需求，結(jié)合顯示屏的尺寸與質(zhì)量，本系統(tǒng)選擇OLED顯示屏作為用戶端界面，向用戶展示數(shù)據(jù)的正常與異常情況，并及時(shí)向用戶發(fā)出相關(guān)提示。OLED是基于有機(jī)材料的一種電流型半導(dǎo)體發(fā)光器件。目前典型的OLED器件結(jié)構(gòu)由前玻璃基板、ITO透明顯示電極（陽極）、空穴注入層、空穴傳輸層、發(fā)光層、電子傳輸層、電子注入層、金屬電極（陰極）組成。OLED顯示屏的工作電壓為5 V，尺寸為26 mm×27 mm×3 mm。

1.1.9 按鍵開關(guān)

使用按鍵開關(guān)時(shí)以滿足操作力的條件向開關(guān)操作方向施壓，使開關(guān)閉合；當(dāng)撤銷壓力時(shí)開關(guān)斷開。其依靠金屬?gòu)椘芰ψ兓瘉韺?shí)現(xiàn)通斷。選用按鍵開關(guān)實(shí)現(xiàn)蜂鳴器和OLED顯示屏警報(bào)后的復(fù)位，其尺寸為18 mm×15 mm×5 mm。

1.2 傳輸層設(shè)計(jì)

1.2.1 WiFi模塊

系統(tǒng)采用ESP8266EX串口WiFi模塊。該模塊體積小，功耗低，包含激活模式、睡眠模式和深度睡眠模式，通信距離可達(dá)100 m。開發(fā)板通過ESP8266EX串口WiFi模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X和手機(jī)，適用于有WiFi的場(chǎng)景，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)觀察。WiFi模塊的工作電壓范圍為3.0～3.6 V，尺寸為24 mm×14 mm×3 mm。

1.2.2 藍(lán)牙模塊

針對(duì)無WiFi場(chǎng)景，系統(tǒng)選用HC-06藍(lán)牙模塊確保系統(tǒng)能實(shí)時(shí)連接到手機(jī)。HC-06藍(lán)牙模塊用于短距離無線通信，輸入電壓范圍為3.2～6 V，空曠環(huán)境下有效傳輸距離為10 m，尺寸為38 mm×15 mm×4 mm。

1.3 應(yīng)用層設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的應(yīng)用平臺(tái)選用由中國(guó)移動(dòng)打造的OneNET PaaS物聯(lián)網(wǎng)開放平臺(tái)。該平臺(tái)可輕松實(shí)現(xiàn)設(shè)備接入與設(shè)備連接，快速完成產(chǎn)品的開發(fā)部署。OneNET平臺(tái)提供統(tǒng)一的MQTT、LWM2M和泛協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)接入SDK，支持直連、網(wǎng)關(guān)、云云對(duì)接等多種方式，還提供了豐富的APP設(shè)備控制面板，支持智能語音控制、消息推送、智能場(chǎng)景配置等智能化服務(wù)，滿足本文所設(shè)計(jì)的便攜式環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的用戶應(yīng)用需求。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件模型

圖2所示為便攜式智能環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所需硬件實(shí)物。

為確保監(jiān)測(cè)系統(tǒng)輕便易攜帶，本文采用充電式電源，將所有硬件封裝在透明外殼內(nèi)。透明外殼表面嵌入開關(guān)用于重置蜂鳴器與OLED顯示屏異常警報(bào)，上端設(shè)置氣孔方便氣體流通以監(jiān)測(cè)有害氣體，頂部加裝一個(gè)繩掛扣。由于火焰?zhèn)鞲衅骱凸饷綦娮鑲鞲衅餍枰袘?yīng)光源，因此將火焰?zhèn)鞲衅髟O(shè)計(jì)在最左側(cè)以接收光源，光敏電阻器上的光敏電阻正對(duì)透明外殼?；谟布O(shè)備的尺寸和使用需求，最終產(chǎn)品大小為74 mm×68 mm×62 mm，總重量約為250 g，可輕松懸掛于鑰匙扣、書包等日常用品上。圖3所示為系統(tǒng)3D模擬設(shè)計(jì)。

2.2 設(shè)備終端

便攜式智能環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具備5種監(jiān)測(cè)功能，分別為有害氣體監(jiān)測(cè)、火情監(jiān)測(cè)、聲音強(qiáng)度監(jiān)測(cè)、空氣溫濕度監(jiān)測(cè)與光照強(qiáng)度監(jiān)測(cè)，并通過蜂鳴器發(fā)聲和OLED顯示屏顯示來提醒用戶出現(xiàn)的環(huán)境問題。當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到火情或者有害氣體時(shí)，不僅OLED顯示屏?xí)棾鼍嫣崾?，蜂鳴器也會(huì)發(fā)出鳴響報(bào)警，以便用戶第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)安全威脅。用戶在排查完威脅后可通過透明外殼上的按鍵開關(guān)復(fù)位蜂鳴器和OLED顯示屏以關(guān)閉警報(bào)。當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到聲音強(qiáng)度過高、溫濕度過高或過低、光照強(qiáng)度過強(qiáng)時(shí)，為避免影響用戶正常生活、工作和學(xué)習(xí)，此時(shí)不會(huì)觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警，但會(huì)在OLED顯示屏彈出警告提示。圖4所示為系統(tǒng)硬件設(shè)備終端工作流程。

2.3 平臺(tái)管理

在OneNET物聯(lián)網(wǎng)開放平臺(tái)上選擇“和物生活”物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)服務(wù)，可自主進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)。根據(jù)傳感器特性和實(shí)際應(yīng)用需求對(duì)產(chǎn)品開發(fā)進(jìn)行物模型設(shè)置，如圖5所示。

通過物模型，用戶可以清晰查看設(shè)備的名稱、功能與服務(wù)。開發(fā)過程中選擇基于SDK開發(fā)，平臺(tái)可自動(dòng)生成功能接口SDK代碼，下載SDK后移植代碼并進(jìn)行嵌入式開發(fā)，開發(fā)者可獲取SDK產(chǎn)品ID、設(shè)備名稱和設(shè)備密鑰。在開發(fā)過程中，平臺(tái)還提供了便捷的測(cè)試服務(wù)，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

3 結(jié) 語

本文研究的便攜式智能環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可有效監(jiān)測(cè)環(huán)境中是否含有影響生命安全的有害氣體，是否發(fā)生火災(zāi)，以保障用戶的生命、財(cái)產(chǎn)安全；還可以監(jiān)測(cè)空氣溫濕度、聲音強(qiáng)度和光照強(qiáng)度，保障用戶的身體健康。在實(shí)現(xiàn)過程中，該系統(tǒng)通過傳感器對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)Arduino Nano主控板通過藍(lán)牙模塊和WiFi模塊將傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)絆neNET平臺(tái)；用戶可通過OneNET平臺(tái)PC端和APP端查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，同時(shí)硬件終端蜂鳴器和OLED也會(huì)發(fā)出警告，滿足攜帶者和觀察者的需要。本系統(tǒng)功能全面，成本低廉，攜帶方便，可運(yùn)用于各類人群與場(chǎng)景，有利于針對(duì)環(huán)境的智能監(jiān)測(cè)，擴(kuò)充了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景的案例。

參考文獻(xiàn)

[1]王磊，袁英.基于Arduino的家居環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2024，14（1）：34-36.

[2]錢平，齊賽賽，孫遜.基于STM32與ESP8266室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].無線互聯(lián)科技，2023，20（9）：80-82.

[3]張安然.基于新能源和物聯(lián)網(wǎng)的校園生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].北京：華北電力大學(xué)（北京），2021.

[4]尹藝霖.基于物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].造紙裝備及材料，2023，52（7）：156-158.

[5]朱紅秀，張柱，張運(yùn)九，等.基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)和華為云平臺(tái)的工程測(cè)試技術(shù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2022，39（11）：181-185.

[6]刁廣強(qiáng)，薛玉利，牛春超，等. IPv6校園數(shù)據(jù)中心環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2022，35（2）：56-58.

[7]祝鵬.基于K210的人體紅外測(cè)溫及火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].科技風(fēng)，2023（35）：11-13.

[8]佟素娟，薛同來，王宿仲，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在現(xiàn)代環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2023，36（12）：116-117.

[9]敬冉，李遙，秦朝倩.物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)的應(yīng)用[J].智慧中國(guó)，2023（10）：85-86.

[10]梁一嘯，劉志欣，范恩，等.基于多傳感器的溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2022，12（2）：16-19.

[11]唐茂淞.基于OneNET物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測(cè)及遠(yuǎn)程灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子制作，2023，31（5）：39-43.

[12]鄧捷.追隨式環(huán)境時(shí)空信息智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究與應(yīng)用[D].大連：大連理工大學(xué)，2021.