基于Arduino与OneNET的家居环境远程监测系统设计

2020-10-09杨芸

物联网技术 2020年9期

杨芸

摘要：考虑到智能家居市场发展前景广阔，文中设计了一款家居环境远程监测系统。系统以Arduino UNO为主控器，利用传感器模块对家居环境进行信息采集，并通过无线WiFi模块ESP8266将采集的数据传送至中国移动物联网开放OneNET云平台，实现对室内温度、湿度、烟雾浓度及光照度等环境参量的测量及实时上传，并能对异常数据进行报警。试验结果表明，该系统具有界面友好、操作简便、检测精度高、成本低廉等优点，能有效实现家居环境的远程监测。

关键词：Arduino;OneNET;ESP8266;室内环境监测;物联网;传感器

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2020）09-00-03

0 引言

近年来，随着人民生活水平的不断提升，越来越多的人对生活品质产生了更高的追求，而大数据、人工智能及物联网技术的迅猛发展，恰好带动了智能家居这一新兴产业的快速成长，智能家居正快速进入千家万户。室内环境监测作为智能家居系统的一个重要组成部分，它能够将室内环境的信息呈现给用户以提供决策支撑。现有的部分环境监测设备大多由开发者自行部署服务器，无形中增加了工作量及成本[1];终端节点功耗大，网络平台开发难度大、标准不统一，难以实现开放、共享[2];许多商家选择STM32单片机及ZigBee技术组建无线网络，但产品开发难度大、周期长、成本高[1-4]。面对种种困难，本文选择易开发的Arduino单片机，利用家中现有的路由器配以高性价比的传感器模块及WiFi模块，将海量数据保存在开放的物联网平台上，用户可远程监测室内环境信息，节约成本和劳力。

1 系统整体方案

本监测系统的主要功能是进行室内环境信息的采集，包括温度、湿度、烟雾浓度及光照度，并将数据实时无线传输至物联网开放平台，用户可通过浏览器或手机APP随时查看家中情况，若出现异常数据，云平台将发送邮件至用户邮箱。

该系统采用Arduino UNO开发板作为主控器，利用温湿度传感器DTH11，烟雾浓度传感器MQ-2和光敏电阻实现环境数据的采集，通过家中路由器及无线WiFi模块ESP8266-01S实现数据的实时上传，物联网云平台采用中国移动OneNET平台。系统架构如图1所示。

2 系统硬件设计

2.1 Arduino UNO RV3开发板

Arduino源于意大利，是一款集成AVR单片机的硬件与软件相结合的开源平台，包括Arduino硬件原理图、PCB、IDE软件以及库函数等。Arduino的处理器核心为ATmega328，它包含14个数字I/O口（6个可提供PWM输出）、6个模拟输入口、1个16 MHz晶振时钟，以及USB连接、电源插孔、ICSP接头和复位按键。其库函数与底層硬件无缝对接，编程语言类似C/C++语言。其特点是跨平台、简单清晰，具有开放性，近年来广受电子爱好者的欢迎。

2.2 温湿度传感器

DHT11数字温湿度传感器是一款已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它具有稳定性好、成本低、响应快、抗干扰能力强、超长信号传输距离、数字信号输出、精确校准等优点[5]。供电电压为DC 3.5～5.5 V，测量时供电电流为0.3 mA，湿度量程为20%RH～90%RH，精度为±5%RH，温度量程为0～50 ℃，精度为±2 ℃。

2.3 无线WiFi模块

ESP8266-01S是上海乐鑫公司专为移动设备、可穿戴电子产品和物联网应用而设计的低价、低功耗、高度集成、具备无线上网功能的WiFi芯片[6]。ESP8266模块支持STA/AP/STA+AP三种工作模式，本系统采用STA工作模式，即Arduino控制器通过ESP8266接入本地路由器后接入广域网，将采集的数据无线传送至OneNET平台，并接收返回数据。

2.4 烟雾报警传感器MQ-2

MQ-2型烟雾传感器采用二氧化锡半导体气敏材料，其电导率随烟雾浓度的增加而增大，输出电阻越低，其输出的模拟信号就越大。MQ-2型传感器对天然气、液化石油气，特别是烷类等烟雾有很高的灵敏度，其检测可燃气体与烟雾的范围[7]是100～10 000 ppm。

2.5 光敏电阻

光敏电阻是利用半导体光电导效应制成的半导体器件，常用的材料有硫化镉、硒等，这些材料的阻值会随着光强的增加而迅速下降。光敏电阻对光的敏感性与人眼对可见光0.4～0.76 μm的响应接近，人眼可感受的光线变化都将引起它的阻值发生变化。

3 系统软件设计

3.1 软件设计

系统软件通过Arduino语言在程序开发平台Arduino IDE中完成编制。软件主要实现的功能为数据采集、ESP8266与OneNET平台的联网对接及数据传输。系统上电后，Arduino、传感器模块和WiFi模块初始化，经串口发送AT指令给ESP8266芯片，通过检测返回值确保ESP8266连上OneNET服务器，并按照OneNET平台的HTTP协议规定及Json数据格式将各参数（包括服务器网址，设备ID，API key，数据流名称，采集的数据等）封装成连接请求包，上传平台。软件设计流程如图2所示。

3.2 ESP8266与OneNET平台的联网对接

ESP8266有UART，SPI，I2C等多种通信方式，其中UART直接支持AT指令，大大简化了开发难度。本文选用AT指令，设置ESP8266为STA模式，重启芯片，输入家庭路由器的用户名及密码，使其连接到路由器，再输入OneNET服务器地址即可连接到OneNET平台进行数据传输。

3.3 应用界面的创建

云平台的创建和应用是一个复杂的过程，但中国移动物联网为用户提供了一个开放的、简便实用的平台，即OneNET云平台。它屏蔽了复杂的技术细节，适配各种网络环境和协议类型，支持各类智能硬件的快速接入和大数据服务，有效降低了物联网应用的开发成本[8]。用户只需在官网注册账号即可进入云平台创建项目，创建流程如图3所示。创建完成后保存数据流名称，待数据上传结束后，即可通过浏览器、手机APP查看各项数据及其变化曲线。

3.4 数据传输

OneNET云平台支持多种网络协议接入，如MQTT，HTTP，EDP等，可轻松实现设备的接入与管理。本系统采用HTTP1.1协议进行数据传输，新增数据点的格式需符合HTTP协议POST请求方法的协议规范，格式如下：

POST /devices/ devicesID/datapoints HTTP/1.1

api-key：xxxxxxxxx

Host：api.heclouds.com

Content-Length： 68

{"datastreams"：[{"id"："light"，"datapoints"：[{"value"： analogRead（A1）}]}]}

终端数据上传成功后，将在平台对应数据流中新增数据点，多个数据点即可构成数据变化曲线。图4所示为光照强度变化曲线。

3.5 可视化应用界面的创建

OneNET平台的应用管理界面为用户提供了数据可视化编辑功能，通过页面提供的可视化工具，根据用户个性化需求，可将表盘、曲线、地图等控件拖拽进页面，即可关联相应的数据點，设置刷新频率、数值设置、样式选择等属性。创建完成后保存并发布，即可通过浏览器或手机APP（设备云）访问OneNET平台，随时查看室内环境数据及其变化曲线。本系统的Web界面如图5所示。

另外，OneNET平台的触发器管理界面还为用户提供了异常数据报警功能，只需为指定数据流添加触发条件，如本系统中烟雾浓度值大于400，平台即向用户邮箱发送邮件，用于提醒用户数据异常。

3.6 系统测试

数据监测系统软硬件均搭建完成，置于室内进行试验。试验结果表明：传感器对周边环境变化响应迅速，数据准确，控制板运行稳定;云服务响应快，可视化界面内容简洁美观，在Web端和手机APP中都有良好的显示效果。

4 结语

本文利用Arduino UNO开发板、ESP8266WiFi模块和OneNET物联网开放平台构建了低成本、易操作、易扩展、实用性强的家居环境远程监测系统。该系统运行稳定，数据采集、云平台响应、阈值报警功能均正常，是智能家居系统不可或缺的一部分。

参考文献

[1]丁飞，吴飞，艾成万.基于OneNET平台的环境监测系统设计与实现[J].南京邮电大学学报（自然科学版），2018（4）：24-29.

[2]王伯宇，蔡振江，曾邵杰.基于物联网的温室远程监测器设计[J].河北农业大学学报，2018（3）：117-122.

[3]陈培英，王承林，胡红林，等.基于ARM及ZigBee的智能家居远程监控系统实现路径[J].现代电子技术，2017，40（19）：41-44.

[4]程力，郭晓金，谭洋.智能农业大棚环境远程监控系统的设计与实现[J].中国农机化学报，2019（6）：173-178.

[5]余兆成，杨光友，谢松.基于OneNET的大棚温湿度远程监测系统[J].中国农机化学报，2019（2）：180-185.

[6]乐鑫信息科技（上海）有限公司.ESP8266技术参考[EB/OL].[2020-04-05]. https：//www.espressif.com/zh-hans/products/hardware/esp8266ex/overview.