基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的室內(nèi)環(huán)境可監(jiān)測控制系統(tǒng)研究與實現(xiàn)

湯佳露 馮昊洋 丁薦元 周豪 玄鴻銳

摘? 要：文章研究了室內(nèi)環(huán)境溫度的監(jiān)測控制問題，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的室內(nèi)環(huán)境控制方案，本方案分為三部分：底層硬件的數(shù)據(jù)采集、通信設(shè)計（數(shù)據(jù)傳輸）、物聯(lián)網(wǎng)云層設(shè)計。該方案利用STC12C5A60S2單片機和多種傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，設(shè)計了環(huán)境監(jiān)測控制系統(tǒng)，從而實現(xiàn)室內(nèi)溫度、濕度、二氧化碳濃度、及甲醛等參數(shù)的監(jiān)測和越限報警的功能。同時，基于OneNET平臺，連接WiFi，實現(xiàn)對室內(nèi)環(huán)境的檢測和控制。本系統(tǒng)實時性好，操作方便，工作穩(wěn)定，具有較大的市場應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)云;無線網(wǎng)絡(luò);室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測

中圖分類號：TP18? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）32-0014-03

Abstract： In this paper， the monitoring and control of indoor environment temperature is studied， and an indoor environment control scheme based on Internet of things technology is proposed. This scheme is divided into three parts： the data acquisition of the underlying hardware， the communication design （data transmission） and the cloud design of the Internet of things. The scheme uses STC12C5A60S2 single chip microcomputer and a variety of sensors for data acquisition， and designs an environmental monitoring and control system， so as to realize the monitoring and alarm function of indoor temperature， humidity， carbon dioxide concentration， formaldehyde and other parameters. At the same time， based on the OneNET platform， the WiFi， is connected to realize the detection and control of the indoor environment. The system has the advantages of good real-time， convenient operation and stable work， and has a great market application prospect.

Keywords： Internet of things Cloud; wireless network; indoor environmental monitoring

1 概述

社會主義現(xiàn)代化和城鎮(zhèn)化過程中，隨著城鎮(zhèn)化規(guī)模不斷擴(kuò)大，房屋建筑越來越多，環(huán)境污染問題難以避免，室內(nèi)環(huán)境污染尤為重要。據(jù)中國消費者協(xié)會統(tǒng)計，投訴重點已經(jīng)從質(zhì)量投訴逐步轉(zhuǎn)向室內(nèi)環(huán)境污染投訴。國家衛(wèi)生、建設(shè)和環(huán)保部門對室內(nèi)裝飾材料進(jìn)行抽查，發(fā)現(xiàn)其中具有毒氣或者強烈污染物質(zhì)的材料占比達(dá)到68%，這些材料會發(fā)出包含甲醛、苯、三氯乙烯、二甲苯在內(nèi)的多種有機化合物，容易引發(fā)各種疾病。建筑物自身也可能成為室內(nèi)空氣的污染源。而且城鎮(zhèn)居民每天在室內(nèi)活動的時間大約占全天的90%，老人和兒童在室內(nèi)的時間更長，因此，開發(fā)一套功能完善的、智能化的物聯(lián)網(wǎng)室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[2]，不但能滿足人們對工作和生活環(huán)境的更健康、更舒適的需求，還能帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)人居環(huán)境的提升。

本文研究的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的室內(nèi)環(huán)境可監(jiān)測系統(tǒng)方案，能夠?qū)崿F(xiàn)室內(nèi)環(huán)境溫度、濕度、二氧化碳濃度、及甲醛濃度[2]的實時顯示，同時充分利用現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過傳感器完成室內(nèi)主要參數(shù)數(shù)據(jù)的采集，由WiFi完成數(shù)據(jù)的傳輸[3]，建立物聯(lián)網(wǎng)OneNET云平臺存儲數(shù)據(jù)[4]，通過網(wǎng)絡(luò)終端軟件可進(jìn)行遠(yuǎn)程控制[5]，實時調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境參數(shù)，操控方便、靈活、可靠，從而實現(xiàn)智能化。

2 工作原理

本系統(tǒng)以STC12C5A60S2單片機為核心，通過溫度、濕度、二氧化碳濃度、甲醛傳感器采集數(shù)據(jù)，然后用單片機采集數(shù)據(jù)，通過WiFi將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)OneNET平臺上，并儲存，同時將采集的數(shù)據(jù)在顯示屏上予以顯示。對不同的參數(shù)設(shè)置安全范圍，當(dāng)系統(tǒng)檢測參數(shù)超過測定值范圍時進(jìn)行聲光報警，同時通過WiFi反饋數(shù)據(jù)信息，控制室內(nèi)空調(diào)或地暖、新風(fēng)系統(tǒng)或通風(fēng)設(shè)備等設(shè)備，以調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度、濕度、二氧化碳、甲醛等參數(shù)，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)，實現(xiàn)智能監(jiān)控與調(diào)節(jié)。

3 硬件設(shè)計

通過監(jiān)測模塊、傳感器、單片機、WiFi、OneNET物聯(lián)網(wǎng)平臺、控制模塊等裝置在模塊化設(shè)計思想的指導(dǎo)下組成“物聯(lián)網(wǎng)室內(nèi)環(huán)境智能監(jiān)控與調(diào)節(jié)”系統(tǒng)。系統(tǒng)總體布局如圖1所示。本系統(tǒng)采用溫濕度監(jiān)測及控制模塊、CO2濃度監(jiān)測及控制模塊、甲醛監(jiān)測及控制模塊、物聯(lián)網(wǎng)OneNET平臺、電腦或手機等顯示器，實時監(jiān)測室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，測量結(jié)果可以通過WiFi上傳并保存至互聯(lián)網(wǎng)平臺，同時分享給使用者及研究人員。當(dāng)參數(shù)顯示異常時，可以利用手機或電腦遠(yuǎn)程控制相關(guān)設(shè)備，直至室內(nèi)的參數(shù)恢復(fù)到正常范圍內(nèi)。也可在Windows或Android系統(tǒng)開發(fā)用于監(jiān)測數(shù)據(jù)的軟件或APP，實現(xiàn)電腦或手機的實時監(jiān)控，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)智能控制。

3.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

以單片機為控制核心，采用溫度、濕度、二氧化碳濃度、甲醛濃度等監(jiān)測指標(biāo)，通過相應(yīng)的檢測設(shè)備進(jìn)行測量。主機模塊由STC12C5A60S2、時鐘電路、電源等組成。信號采集模塊由傳感器電路、A/D轉(zhuǎn)換器、信號處理電路等組成。主要器件有：單片機STC12C5A60S2、WiFi模塊ESP8266、溫度傳感器RisymDS18B20、濕度傳感器Si7021、CO2傳感器MH-Z19B、甲醛傳感器ZE08-CH2O、顯示屏12864 STM32 IIC/SPI等。

3.2 模塊設(shè)計

3.2.1 WiFi模塊

WiFi模塊采用USB轉(zhuǎn)ESP8266 WiFi模塊，模塊核心處理器ESP8266在較小尺寸封裝中集成了Tensilica L106超低功耗32位微型MCU，帶有16位精簡模式，支持80MHz和160MHz主頻，支持RTOS，集成Wi-Fi MAC/ BB/RF/PA/LNA。支持標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802.11 b/g/n協(xié)議，有完整的TCP/IP協(xié)議棧。利用該模塊，可以為現(xiàn)有的設(shè)備添加聯(lián)網(wǎng)功能，也可以構(gòu)建獨立的網(wǎng)絡(luò)控制器。在本系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)中，將室內(nèi)的各種傳感設(shè)備連接到WiFi無線網(wǎng)絡(luò)上，將室內(nèi)環(huán)境測量數(shù)據(jù)傳輸?shù)絆neNET平臺上，也可把OneNET上的指令發(fā)送到室內(nèi)空調(diào)、新風(fēng)系統(tǒng)等設(shè)備中，進(jìn)行室內(nèi)環(huán)境溫度、濕度、二氧化碳等的調(diào)節(jié)。

3.2.2 溫度檢測模塊

溫度傳感器采用了Risym DS18B20，它不需要外加A/D轉(zhuǎn)換電路，能夠?qū)囟戎苯愚D(zhuǎn)換成數(shù)字信號。只需要一根數(shù)據(jù)線與單片機相連，占用的單片機資源少。測量溫度范圍為-55～+125°C，在-10～+85°C范圍內(nèi)，誤差為±0.5°C，完全可以滿足室內(nèi)溫度測量需要。

3.2.3 濕度檢測模塊

濕度傳感器采用Si7021，它的測量濕度范圍為0-99.99%RH（推薦濕度是20%-80%RH），精度可達(dá)±3%RH（0-80%RH），濕度轉(zhuǎn)換運行時間為17ms，反應(yīng)速度快，還具有較高的可靠性和穩(wěn)定性?？梢詽M足室內(nèi)濕度參數(shù)準(zhǔn)確和穩(wěn)定的測量需求。

3.2.4 CO2濃度檢測模塊

CO2濃度傳感器采用MH-Z19B模塊，它利用非色散紅外（NDIR）原理對空氣中的CO2濃度進(jìn)行檢測，無氧氣依賴性，有較好的選擇性，抗干擾能力強。內(nèi)置溫度補償，提供UART、PWM波形等多種輸出方式。測量范圍可達(dá)0～5000ppm，精度為±（50ppm±5%讀數(shù)值），性能穩(wěn)定，靈敏度高，適合室內(nèi)CO2濃度的長期實時精確檢測。

3.2.5 甲醛傳感器模塊

甲醛傳感器模塊采用ZE08-CH2O型電化學(xué)甲醛傳感器，該傳感器利用電化學(xué)原理對空氣存在的甲醛進(jìn)行探測，同時內(nèi)置溫度傳感器，可進(jìn)行溫度補償。能直接輸出數(shù)字信號。其工作電壓為3.7V-9V（帶電壓反接保護(hù)），量程0-5ppm，工作溫度為0-50℃，滿足室內(nèi)溫度范圍。有極高的靈敏度和分辨率，提供UART、模擬電壓信號、PWM波形等多種輸出方式，性能穩(wěn)定，有優(yōu)秀的抗干擾能力和卓越的線性輸出，適合室內(nèi)空氣甲醛的高精度檢測。

3.2.6 A/D轉(zhuǎn)換模塊

A/D轉(zhuǎn)換器采用ADC0809，配有8個模擬量輸入通道，是8位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，芯片內(nèi)帶通道地址譯碼鎖存器，輸出帶三態(tài)數(shù)據(jù)鎖存器。時鐘頻率為640kHz，工作電壓為5V，將測得的模擬信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換后得到數(shù)字信號，再將其輸入到單片機中進(jìn)行相應(yīng)的處理。

3.2.7 液晶顯示模塊

顯示屏采用的是液晶顯示屏12864 STM32 IIC/SPI，它的顯示區(qū)域是128×64的點陣，每個點都能自己發(fā)光，所以無背光，顯示單元能自發(fā)光，同時可顯示漢字、ASCII、圖案等， 可視角度大（>160°），低功耗、寬電壓、工作溫度為-40-70℃。我們利用單片機連接OneNET網(wǎng)絡(luò)平臺，再通過WiFi在液晶顯示屏上把室內(nèi)環(huán)境溫度、濕度、二氧化碳、甲醛傳感器測量數(shù)據(jù)的滾動顯示出來，也可以通過WiFi傳輸?shù)诫娔X和手機上，便于人們隨時隨地對室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)控。

3.2.8 報警電路

報警系統(tǒng)能預(yù)先設(shè)定適合人體的標(biāo)準(zhǔn)空氣指標(biāo)范圍，一旦檢測到室內(nèi)某些空氣指標(biāo)超出標(biāo)準(zhǔn)范圍時，二極管和蜂鳴器導(dǎo)通，發(fā)出警報。

4 網(wǎng)絡(luò)平臺與軟件設(shè)計

OneNET是中國移動物聯(lián)網(wǎng)有限公司自主研發(fā)的開放云平臺，本著開放共贏的理念，面向公共服務(wù)，為各種跨平臺物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、行業(yè)解決方案提供簡便的海量連接、云端存儲、消息分發(fā)和大數(shù)據(jù)分析等優(yōu)質(zhì)服務(wù)，從而為企業(yè)和個人的相應(yīng)研究提供便利。該平臺可為室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)提供良好的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)支持，確保室內(nèi)各項環(huán)境數(shù)據(jù)的存儲、數(shù)據(jù)的分析、數(shù)據(jù)共享等環(huán)節(jié)的低成本高效運行。

室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)配套軟件的設(shè)計，要求系統(tǒng)把實時監(jiān)控室內(nèi)環(huán)境中的溫度、濕度、二氧化碳濃度、甲醛濃度測量數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，并顯示在顯示屏上，或者分享到電腦或手機，與此同時，把測量值與初步設(shè)定好的各項壞境參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)范圍進(jìn)行比較，對于超出標(biāo)準(zhǔn)范圍的參數(shù)項，發(fā)出調(diào)節(jié)指令，通過控制空調(diào)、新風(fēng)系統(tǒng)等進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。

為了安全起見，防止室內(nèi)某些空氣指標(biāo)劇烈變化情況發(fā)生對人體造成危害，系統(tǒng)附帶報警系統(tǒng)，會通過WiFi通信模塊向用戶和研究人員發(fā)送報警信號和異常指標(biāo)數(shù)據(jù)。另外當(dāng)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)發(fā)生故障時，用戶或研究人員可以利用手機APP或電腦終端實時獲取室內(nèi)環(huán)境參數(shù)，并通過相應(yīng)設(shè)備向單片機發(fā)送控制信號來遠(yuǎn)程控制室內(nèi)空氣環(huán)境，實現(xiàn)室內(nèi)空氣環(huán)境的遠(yuǎn)程化、智能化管理。

5 結(jié)果與分析

該系統(tǒng)主要利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以遠(yuǎn)程獲取室內(nèi)空氣溫度、濕度、CO2濃度、甲醛濃度的實時測量數(shù)據(jù)，通過

WiFi傳輸?shù)給neNET平臺，發(fā)送到顯示屏、電腦或手機上，再通過相應(yīng)的軟件進(jìn)行分析，下達(dá)指令控制室內(nèi)環(huán)境控制設(shè)備，實現(xiàn)遠(yuǎn)程或自動控制室內(nèi)空氣質(zhì)量，為人們創(chuàng)造與保持室內(nèi)舒適的空氣環(huán)境，充分發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在人居環(huán)境中的作用。

6 結(jié)束語

本文所介紹的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是一個針對室內(nèi)空氣溫度、濕度、二氧化碳濃度、甲醛濃度的在線實時監(jiān)控系統(tǒng)，用來實現(xiàn)對室內(nèi)主要空氣指標(biāo)的監(jiān)測、報警與控制，具有遠(yuǎn)程控制、安全性高、測量精確、交互性好、適用范圍廣等優(yōu)點。該系統(tǒng)能對人們室內(nèi)居住和工作環(huán)境的空氣質(zhì)量主要參數(shù)進(jìn)行有效的實時監(jiān)控，更注重健康，切實提高生活品質(zhì)。

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