XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2022

В настоящее время практически каждый человек так или иначе сталкивается с автоматизированными системами, которые предназначены для многократных цифровых вычислений. Микроконтроллерные системы можно встретить практически в любом доме – от цифровых настенных часов до персональных компьютеров.

Такие системы получили широкую популярность и в экологическом мониторинге, что обусловлено потребностью людей в фиксации данных о климате дабы избежать негативного влияния техносферы на жизнь человека, животных и природы. В связи с этим можно сказать, что разработка системы сбора данных с их последующей передачей на мобильные устройства является актуальным.

В качестве датчика влажности и температуры выбран AM2302, так как данный датчик имеет достаточные характеристики для достижения поставленных задач. Данный датчик имеет 4 пина, которые описаны в таблице 1 [1].

Таблица 1 – Назначения пинов AM2302

Пин	Название	Описание
1	VDD	Питание (3.3 В – 5.5 В)
2	SDA	Последовательные данные, двунаправленный цифровой порт
3	NC	Неиспользуемый пин – Not Connected
4	GND	Земля

В качестве датчика концентрации углекислого газа выбран датчик MQ135. Данный датчик имеет 1 цифровой вывод и 1 аналоговый вывод, предназначенные для вывода снятых показателей. Описание пинов данного датчика представлено в таблице 2 [2].

Таблица 2 – Назначения пинов MQ135

Пин	Название	Описание
1	VCC	Питание (2.5 В – 5 В)
2	AOUT	Аналоговый вывод
3	DOUT	Цифровой вывод
4	GND	Земля

В качестве микроконтроллера выбрана плата ESP8266 NodeMCU V3, так как она оснащена достаточным количеством цифровых и аналоговых портов – 11 цифровых портов и 1 аналоговый [3]. Внешний вид данной платы и описание пинов представлены на рисунке 1.

Рисунок 1 – Внешний вид ESP8266 NodeMCU V3 и назначение портов

В качестве питающей сети для МПС был выбран источник постоянного напряжения со значением 5В от USB порта для подключения ESP8266. Так как ESP8266 потребляет не более 200 мА, то питания от USB порта будет достаточно.

Для разработки системы сбора данных о микроклимате был проведен анализ требований пользователя, в результате которого определены следующие требования:

система должна выполнять сбор показателей о влажности, температуре и концентрации углекислого газа в окружающей среде;

должно быть реализовано подключение к IoT сервису Blynk;

система должна отправлять данные на мобильное устройство с установленным сервисом Blynk через идентификационный номер проекта.

На основе пользовательских требований была составлена функциональная спецификация система:

для сбора показателей о влажности и температуре используется датчик AT2302;

для сбора данных о концентрации углекислого газа используется датчик MQ135;

в качестве микроконтроллера, осуществляющего приём считанных с датчиков показателей о микроклимате, подключение к сети Wi-Fi и передачу данных на мобильное устройство через сервис Blynk используется микроконтроллер ESP8266;

питание микроконтроллера осуществляется от источника постоянного тока с напряжением 3.6-20 В.

На основе анализа функциональной спецификации можно выделить следующие блоки, которые необходимо реализовать:

модуль ESP8266;

модули источников питания;

модуль датчиков влажности и температуры, концентрации углекислого газа.

Структурная схема разрабатываемой системы представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Структурная схема системы подключения ESP8266 к датчикам и сети Интернет

Согласно функциональной схеме, пользовательским требованиям и функциональной спецификации, устройство должно иметь возможность подключаться к точке доступа Wi-Fi, а также принимать данные, считанные с датчиков. Для сбора данных о концентрации углекислого газа в воздухе будет использоваться модуль MQ135, для сбора данных о влажности и температуре воздуха – AM2302. Для подключения доступа Wi-Fi с последующей отправкой принятых с датчиков данных через сервис Blynk на мобильное устройство будет использована плата ESP8266 NodeMCU V3.

Диапазон обнаруживаемой концентрации углекислого газа данным датчиком MQ135 – 10-1000 ppm, рабочая температура – от -10 °С до 40 °С, что достаточно для разрабатываемой системы.

Датчик AM2302 способен определять относительную влажность воздуха в диапазоне от 0 до 100% с погрешностью в 2% и температуру окружающего воздуха или газа в диапазоне от -40 °C до 80 °C с погрешностью 0,5 °C.

Так как рекомендуемым питанием для датчиков MQ135 и AM2302 является 5 В, было решено организовать отдельный модуль питания для этих датчиков.

Питание микроконтроллера ESP8266 можно организовать посредством подключения по USB с напряжением 5 В, так как встроенный линейный стабилизатор напряжения преобразует входной в микроконтроллер сигнал в 3.3 В, что необходимо для стабильной работы устройства.

На основе вышесказанного была разработана принципиальная схема системы, которая представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 – Принципиальная схема системы

Представим алгоритм функционирования ПО в виде блок-схем – рисунки 4 – 6.

Рисунок 4 – Алгоритм функционирования ПО

Рисунок 5 – Алгоритм функции обновления показателей

Рисунок 6 – Алгоритм функции отправки показателей

Переменные, отвечающие за подключение к точке доступа Wi-Fi (название точки доступа, пароль) и аутентификационный идентификатор проекта Blynk, инициализируются в функции setup – обязательная функция для первичной настройки аппаратно-программной системы.

Взаимодействие с датчиками осуществляется с помощью библиотек DHT и TroykaMQ. Отправка данных на сервис Blynk осуществляется с помощью библиотеки BlynkSimpleESP8266.

Результат работы – приём данных сервисом Blynk – представлен на рисунке 7.

Рисунок 7 – Успешный приём данных IoT сервисом Blynk

Таким образом, в данной работе было произведено проектирование аппаратной части, разработана принципиальная схема устройства, разработан алгоритм программного обеспечения, реализация которого осуществлена на языке Arduino C (программный код опущен). В конечном итоге была разработана система сбора данных о микроклимате в помещении.

Список использованных источников:

1. Документация AM2302 [Электронный ресурс]. – Режим доступа URL: https://www.elecrow.com/download/AM2302.pdf (дата обращения 10.12.2021).

2. Документация MQ135 [Электронный ресурс]. – Режим доступа URL: https://www.electronicoscaldas.com/datasheet/MQ-135_Hanwei.pdf (дата обращения 10.12.2021).

3. ESP8266 NodeMCU Tutorial [Электронный ресурс]. – Режим доступа URLD: https://diyi0t.com/esp8266-nodemcu-tutorial/ (дата обращения 10.12.2021).

Код для цитирования: Скопировать