引言

随着人们越来越多地关注环境质量，基于各类传感器的环境检测系统得到广泛的应用。本文设计了一种成本低、可靠性高、可实时、远程对所在地进行温湿度和灰尘状况监测的方案。该方案基于Arduino UNO硬件平台，这是一种目前应用广泛的Arduino硬件电路，可扩展性强；传感器选用AM2303和DSM501A，两者都是目前常用的，可靠性和精确度高，价格便宜，使用方便。在软件方面，Arduino有自己的基于Eclipse的IDE开发环境，类似于JAVA和C/C++，可以配合Flash或Processing等软件完成开发[1]。后端使用了国内的物联网平台yeelink，与国外的同类物联网云Xlively、Nimbits等相比，除了中文操作语言带来的便捷外，它还与国内该领域相关公司和技术小组建立了合作关系，便于技术上的创新和应用，进一步降低了研发和使用的门槛。

1 监测系统设计

1.1 系统原理

系统原理流程图如图1所示。置于监测环境的温湿度传感器AM2303和灰尘传感器DSM501A分别将采集到的数据传给Arduino的输入端，其中AM2303输出形式是单总线串行信号，DSM501A输出的是PWM脉宽调制信号。Arduino搭载的ATmega328P完成对各传感器信号的处理、存储和传输，因所使用的Arduino为UNO版，需要加入网络模块ENC28J60，对需要上传网络的数据按照以太网数据传输的格式和规则进行编码。在yeelink平台配置好系统的API后，就可通过因特网在yeelink网站远程、异地、实时地查看传感器的数据，对环境状态进行监测。

图1系统原理流程图

1.2硬件设计

1.2.1 Arduino控制板

控制板采用Arduino平台，它是基于Atmel的AVR和ARM微控制器的开源软硬件平台，近年来发展迅速，应用广泛，在各种基于传感器的系统原型设计方面得到了广泛应用，其硬件设计采用CC BYSA3.0协议，软件采用类C++的高级语言。

Arduino UNO是基于ATmega328P微控制器的硬件平台，具有32 KB Flash、1 KB EEPROM、14路数字I/O口（其中6路可作为PWM输出）、6路模拟输入口。同时，UNO预置了Bootloader程序，不需要其他外部烧写器，可直接通过USB下载程序[2]。

1.2.2 温湿度传感器AM2303

AM2303包含一个电容式感湿元件和DS18B20感温器件，并与一个高性能8位单片机相连，具有响应快、抗干扰能力强、性价比高等优点。每个AM2303传感器都经过严格校准，校准系数以程序的形式存储在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。AM2303的引脚封装如表1所列。

表1AM2303封装引脚

DATA引脚用于微处理器和AM2303之间的通信和同步，一次通信时间为5 ms左右，具体格式为：40位数据=16位湿度数据+16位温度数据+8位校验和，当温度低于0℃时，温度数据的最高位置1[3]。

1.2.3 灰尘传感器DSM501A

DSM501A内置加热器实现自动吸入空气，采用粒子计数原理，可灵敏检测直径为1 μm以上的粒子，其结构原理及引脚说明如图2所示。

图2 DSM501A结构原理及引脚图

在控制引脚1与GND之间加一个电阻，可调整Vout1的粒子最小检出水平（灵敏度），默认为Vout2的2.5倍；Vout2引脚为普通输出脚位，灵敏度已预设定，灵敏度为1 μm。当所接入电阻值为100 kΩ时，Vout1输出为半敏感（2 μm以上）;当接入27 kΩ电阻时，与Vout2同等敏感（1 μm以上），悬空时为默认敏感度（2.5 μm以上）。该传感器输出为PWM调制方式波形，以低脉冲率来表示粒子数量水平，输出原理如图3所示，低脉冲率Rt=Lt/Ut×100%[4]。

图3 DSM501A PWM输出原理

1.3 软件设计

1.3.1 Arduino数据采集

Arduino有着固定的流程和规范，每个Arduino程序只有一个setup()和一个loop()函数，setup()函数里面编写的代码在硬件上电时只执行一次，一般在这个函数中编写一些初始化和开机动画程序等。当setup()函数执行完后，就开始循环执行loop()函数内的代码[5]。传感器与Arduino板引脚连接如图4所示。

图4 传感器与Arduino板引脚连接

Setup函数里完成USB的初始化，loop函数中通过USB接收配置数据，完成配置参数读取、修改。整个软件通过Arduino的集成开发环境可完成调试、下载。打开串口和开始进行以太网连接的Arduino源程序如下所示：

void setup(){

Serial.begin(9600);

if (ether.begin(sizeof Ethernet::buffer, MyMac) == 0)

Serial.println( "Failed to access Ethernet controller");

Serial.println("Setting up DHCP");

if (!ether.dhcpSetup())

Serial.println( "DHCP failed");

ether.printIp("My IP: ", ether.myip);

ether.printIp("Netmask: ", ether.mymask);

ether.printIp("GW IP: ", ether.gwip);

ether.printIp("DNS IP: ", ether.dnsip);

ether.dnsLookup(website);

sensor.attach(AM_PIN);

pinMode(DSM_PIN_10, INPUT);

}

如下所示,源程序为Arduino中传感器ID、PC MAC地址、yeelink API和网关等的设置，在yeelink中设置4个传感器展示变量，分别为温度、湿度、PM＞1.0和1.0＜PM＜2.5(MP为可吸入颗粒物)。PostingInterval为发送到服务器时间间隔，每个传感器发送的时间间隔为PostingInterval*N。

#define N 4

const uint16_t PostingInterval = 5000;

const uint16_t SensorID[N] = {×××,×××,×××,×××};

const uint8_t MyMac[6] = { 0x××,0x××,0x××,0x××,0x××,0x××};

char APIKey[] PROGMEM = "c01ac2f5f79c74fb5176cbe662561acc";

char DeviceID[] PROGMEM = "×××";

char website[] PROGMEM = "api.yeelink.net";

1.3.2 yeelink云端配置

要完成Arduino与yeelink的数据对接和传递，必须在源程序中对传感器进行配置（包括传感器个数和对应ID），以及对API key进行申请。 API key用来授权对设备、传感器、数据等的操作，在yeelink中可以在“我的账户设置”中找到自己的API key。

一个设备表示一组传感器的组合，一个设备支持多个传感器。在yeelink中创建一个新设备的要点如表2所列，通过对该URL的一个HTTP POST请求创建一个新的设备。

表2 在yeelink上创建设备

表3为创建一个新传感器的要点说明，对该URL的一个HTTP POST请求将为指定的设备创建一个新的传感器，其中<device_id>为指定设备的ID。

表3 在yeelink上创建传感器

在yeelink上创建数据点的要点说明如表4所列，对该URL的一个HTTP POST请求会为指定的传感器创建一个新的数据点，使用此API来为传感器存储历史数据。一个数据点是由key和value组成的键值对，对大多数种类的传感器来说，key为唯一索引，一般为timestamp（ISO 8601标准时间格式，默认时区为中国标准时间CST），而value根据传感器的类型可以为数值、JSON格式、图像二进制信息等[6]。

表4 在yeelink上创建数据点

2 系统运行及测试

该系统自2013年11月16日起在yeelink平台运行，传感器置于实验室内，图5～图8分别展示了温度、湿度、PM＞1.0和1.0＜PM＜2.5一周时间内的数据折线图。当鼠标定位在其中某个点（数据采集点）处，将显示该时刻的标准时间和数据值。

图5 一周内温度值折线图

图6 一周内湿度值折线图

图7 一周内可吸入PM＞1.0折线图

图8 一周内1.0＜PM＜2.5折线图

结语

本设计将各类传感器与Arduino相连，连接网线即可使用，自动获取IP并连入yeelink平台。通过yeelink平台实现了环境状态的远距离、实时监测，可从UTC时间服务器获取精确时间，无须对表，同时可以修改，随意对板子进行烧写。此外，可加入新的传感器来扩展新的功能，yeelink平台的开放API也可进一步与社交网络等互联，增强交互性。整体设计成本低、功能多、可靠性高，具有很高的实用性，可以满足小型项目的需要。