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室内环境监控系统

来源:学术堂 作者:陈老师
发布于:2017-03-16 共2263字
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  3.4 室内环境监控系统
  
  室内环境监控系统包括电动窗帘控制系统、灯光控制系统、温湿度监控系统以及烟雾与可燃气体监控系统等四个子系统。系统的硬件部分采用 ESP8266 模块和 Arduino 模块相结合的方式来实现系统的控制与数据交互。
  
  ESP8266 作为 Wi-Fi 模块为无线串口收发模块,由于尺寸小和成本低使得它非常适合做传感器节点。它的工作电压是 3.3V,消耗电流为 250mA.目前的电流消耗比较大,所以它通常没有电池供电。
  
  Arduino 模块选用 Arduino pro mini(3.3V 8MHz)以及软件串行口。硬件串口将程序上传和调试。之后可以切换模块硬件串口。
  
  在开始使用ESP8266模块之前需要更新ESP8266固件。本系统采用v0.9.2.2固件版本。
  
  新的固件默认波特率为 9600bit/s,因此可以在 Arduino 电路板上使用软件串行口。
  
  ESP8266 的电流消耗太大,所以不能使用 Arduino 内部稳压器。本系统将使用专用的电源稳压器 AMS1117,确保在传送时使用足够大的电容来防止电压下降。
  
  图 3-5 是连接 ESP8266 模块和 Arduino Pro MINI 模块的电源供应电路。表 3-3 是ESP8266 模块和 Arduino Pro MINI 模块的引脚连接对应表。图 3-6 是 ESP8266 模块引脚说明。图 3-7 是 Arduino Pro Mini 的引脚说明。
  
  3.4.1 窗帘模块
  
  首先连接 Arduino Pro Mini 和 ESP8266 模块。然后连接中继模块。继电器模块需要 5V电压供电,所以本系统给 VCC 提供 5V 电压,GND 通常会接到 5V 和 3.3V 的地线。然后,将继电器模块连接到 Arduino 板的数码引脚上。因为继电器模块采用 5V 而 Arduino 板采用 3.3V 供电,所以要在它们之间再连接一个晶体管 2N2222 和一个 10K 的电阻。在本系统中将使用 Arduino 的第 13 个引脚。图 3-8 是窗帘模块与 Arduino 模块连接的电路图。
  
  3.4.2 灯光模块
  
  连接 ESP8266 芯片和 Arduino 芯片。把 Arduino 连接至 12V 的 LED 电源(GND 接地和 VCC 接 12V 电压)。下一步连接 LED 带。使用 30V 的 N 沟道的 MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)放大电流。在本系统中,使用 Arduino 模块的第 13 个引脚进行PWM(Pulse Wavelength Modulation 脉宽调制波)输出。连接方案如图 3-9.
  
  3.4.3 温湿度模块
  
  温湿度模块采用的传感器是 DHT22 数字温湿度传感器,它是一种既可以测温度又可以测湿度的复合传感器,含有已经校准过的数字信号输出。为了确保 DHT22 的长期的可靠性和稳定性,它采用了数字模块采集技术与温湿度传感技术。整个传感器由一个电容式的感湿元器件、一个 NTC 测温元器件和一个具有高性能的 8 位单片机相互连接组成[65].
  
  所以 DHT22 响应超快,抗干扰力很强,性价比也非常卓越。在出厂前,每个传感器都会经过校准的步骤,DHT22 会在非常精准的湿度校验室里经过校准,所以它所测量的数据非常可靠。当传感器对环境进行测量时,其内部对检测的信号进行处理时将会调用校准系数,从而得出测量数据[66].由于 DHT22 采用的串行接口是单线制,所以与其他系统集成非常的简单易操作,又由于它体积轻便、功耗很低、信号的传输可以达到 20 米甚至更长,因此它能够应用在各种有需要的系统中,即使是最为严苛的应用场景也可以作为最优选择。
  
  如图 3-10 所示,DHT22 的实物是四针的单排引脚进行了封装,连接非常便捷。同时它也可以根据客户的不同需求对封装进行定制。表 3-4 是 DHT22 的性能说明。表 3-5 介绍了DHT22 小体积封装引脚。
  
  由表 3-5 可知,DHT22 所需的供电电压在 3.3V 到 6V 之间。在传感器刚接上电源时,有大约 1s 处于不稳定的状态,过后即可传送相关命令。VDD 和 GND 引脚之间的电容是为了起到去耦滤波的作用。微处理器和 DHT22 传感器互相之间的数据交互由引脚 DATA 负责,除此之外 DATA 也用于处理同步,利用的是单总线的数据格式,每次耗时约 5ms[67].
  
  整个温湿度模块的接线图如图 3-11 所示。首先连接 Arduino Pro Mini 8MHz 的 3.3V 电源和 ESP8266 模块。然后连接 DHT22 温湿度传感器和 Arduino 电路板。将 DHT22 的 VCC引脚接上 3.3V 的电源,GND 引脚接至地线。传感器 DHT22 的第 2 个引脚(数据)连接到Arduino 的第 2 个引脚上。
  
  3.4.4 可燃气模块
  
  本模块采用的传感器是 MQ-2 型烟雾传感器,该传感器的主要作用成分是二氧化锡,是一种对气体敏感的材料。当空气中的温度达到 200 至 300 摄氏度时,二氧化锡就会对空气中的氧离子进行吸附,从而使材料整体电子密度降低,电阻值就会发生变化。当传感器需要对烟雾进行测量时,当烟雾接触到二氧化锡半导体,其晶体粒子之间的势垒会因而发生改变,材料表面的电导率即会相应发生改变,从而可以捕捉烟雾的存在。MQ-2 传感器的灵敏度特性是指传感器在正常工作时,在处于同一种烟雾气体的情况下,其电阻值 Rs随着气体的浓度变化而产生的相应变化[68].灵敏度由字母 K 表示。若用 Ro 来代表传感器在无污染的空气中所测量到的电阻值,Rs 代表传感器在由一定浓度的可燃气体环境下测量到的电阻值,K 的计算公式为 K=Rs/Ro.在不同的烟雾或可燃气体环境下,K 的大小会有微小的不同,但是依然会符合 logRs=mlogC+n 这个公式。其中一般 m 的取值在 1/2 至 1/3之间,叫做烟雾分离能,就是该元件对可燃气体的浓度差异的敏感性。C 是气体的浓度,n是一个动态值,与温度、气体种类、元件制作材料等参数都有关联,也会因为传感器中的增感剂而发生变化[69].
  
  将烟雾传感器 MQ-2 的数字输出连接到 ESP8266 的 GPIO2 引脚。由于 ESP8266 需要连接 3.3V 电源,MQ-2 工作在 5V 电源,因此将添加额外的 NPN 晶体管,两个电阻和电容来平衡电压。添加电容有助于将 GPIO2 引脚在通电时置高,保证 ESP8266 在正确的状态中启动。图 3-12 为具体的模块连接图。
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