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(cè)控制問(wèn)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(jì)（數(shù)據(jù)傳輸）、物聯(lián)網(wǎng)云層設(shè)計(jì)。該方案利用STC12C5A60S2單片機(jī)和多種傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，設(shè)計(jì)了環(huán)境監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)，從而實(shí)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(cè)和越限報(bào)警的功能。同時(shí)，基于OneNET平臺(tái)，連接WiFi，實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)環(huán)境的檢測(cè)和控制。本系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好，操作方便，工作穩(wěn)定，具有較大的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

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

中圖分類號(hào)：TP18? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：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(huì)主義現(xiàn)代化和城鎮(zhèn)化過(guò)程中，隨著城鎮(zhèn)化規(guī)模不斷擴(kuò)大，房屋建筑越來(lái)越多，環(huán)境污染問(wèn)題難以避免，室內(nèi)環(huán)境污染尤為重要。據(jù)中國(guó)消費(fèi)者協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，投訴重點(diǎn)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(guó)家衛(wèi)生、建設(shè)和環(huán)保部門對(duì)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(qiáng)烈污染物質(zhì)的材料占比達(dá)到68%，這些材料會(huì)發(fā)出包含甲醛、苯、三氯乙烯、二甲苯在內(nèi)的多種有機(jī)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(dòng)的時(shí)間大約占全天的90%，老人和兒童在室內(nèi)的時(shí)間更長(zhǎng)，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(cè)系統(tǒng)[2]，不但能滿足人們對(duì)工作和生活環(huán)境的更健康、更舒適的需求，還能帶來(lái)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(cè)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(shí)時(shí)顯示，同時(shí)充分利用現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過(guò)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(tái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)[4]，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)終端軟件可進(jìn)行遠(yuǎn)程控制[5]，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境參數(shù)，操控方便、靈活、可靠，從而實(shí)現(xiàn)智能化。

2 工作原理

本系統(tǒng)以STC12C5A60S2單片機(jī)為核心，通過(guò)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(jī)采集數(shù)據(jù)，通過(guò)WiFi將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)OneNET平臺(tái)上，并儲(chǔ)存，同時(shí)將采集的數(shù)據(jù)在顯示屏上予以顯示。對(duì)不同的參數(shù)設(shè)置安全范圍，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)參數(shù)超過(guò)測(cè)定值范圍時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警，同時(shí)通過(guò)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(shí)現(xiàn)智能監(jiān)控與調(diào)節(jié)。

3 硬件設(shè)計(jì)

通過(guò)監(jiān)測(cè)模塊、傳感器、單片機(jī)、WiFi、OneNET物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、控制模塊等裝置在模塊化設(shè)計(jì)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(cè)及控制模塊、CO2濃度監(jiān)測(cè)及控制模塊、甲醛監(jiān)測(cè)及控制模塊、物聯(lián)網(wǎng)OneNET平臺(tái)、電腦或手機(jī)等顯示器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，測(cè)量結(jié)果可以通過(guò)WiFi上傳并保存至互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，同時(shí)分享給使用者及研究人員。當(dāng)參數(shù)顯示異常時(shí)，可以利用手機(jī)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(cè)數(shù)據(jù)的軟件或APP，實(shí)現(xiàn)電腦或手機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)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(jī)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(cè)指標(biāo)，通過(guò)相應(yīng)的檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行測(cè)量。主機(jī)模塊由STC12C5A60S2、時(shí)鐘電路、電源等組成。信號(hào)采集模塊由傳感器電路、A/D轉(zhuǎn)換器、信號(hào)處理電路等組成。主要器件有：?jiǎn)纹瑱C(jī)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(jì)

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(jiǎn)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(dú)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)上，將室內(nèi)環(huán)境測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)絆neNET平臺(tái)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(cè)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(hào)。只需要一根數(shù)據(jù)線與單片機(jī)相連，占用的單片機(jī)資源少。測(cè)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(cè)量需要。

3.2.3 濕度檢測(cè)模塊

濕度傳感器采用Si7021，它的測(cè)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(yùn)行時(shí)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(cè)量需求。

3.2.4 CO2濃度檢測(cè)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(duì)空氣中的CO2濃度進(jìn)行檢測(cè)，無(wú)氧氣依賴性，有較好的選擇性，抗干擾能力強(qiáng)。內(nèi)置溫度補(bǔ)償，提供UART、PWM波形等多種輸出方式。測(cè)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(zhǎng)期實(shí)時(shí)精確檢測(cè)。

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(duì)空氣存在的甲醛進(jìn)行探測(cè)，同時(shí)內(nèi)置溫度傳感器，可進(jìn)行溫度補(bǔ)償。能直接輸出數(shù)字信號(hào)。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(hào)、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(cè)。

3.2.6 A/D轉(zhuǎn)換模塊

A/D轉(zhuǎn)換器采用ADC0809，配有8個(gè)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(shí)鐘頻率為640kHz，工作電壓為5V，將測(cè)得的模擬信號(hào)通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后得到數(shù)字信號(hào)，再將其輸入到單片機(jī)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(diǎn)陣，每個(gè)點(diǎn)都能自己發(fā)光，所以無(wú)背光，顯示單元能自發(fā)光，同時(shí)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(jī)連接OneNET網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，再通過(guò)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(cè)量數(shù)據(jù)的滾動(dòng)顯示出來(lái)，也可以通過(guò)WiFi傳輸?shù)诫娔X和手機(jī)上，便于人們隨時(shí)隨地對(duì)室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)控。

3.2.8 報(bào)警電路

報(bào)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(cè)到室內(nèi)某些空氣指標(biāo)超出標(biāo)準(zhǔn)范圍時(shí)，二極管和蜂鳴器導(dǎo)通，發(fā)出警報(bào)。

4 網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)與軟件設(shè)計(jì)

OneNET是中國(guó)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)有限公司自主研發(fā)的開放云平臺(tái)，本著開放共贏的理念，面向公共服務(wù)，為各種跨平臺(tái)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、行業(yè)解決方案提供簡(jiǎn)便的海量連接、云端存儲(chǔ)、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(gè)人的相應(yīng)研究提供便利。該平臺(tái)可為室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)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(xiàng)環(huán)境數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、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(yùn)行。

室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)配套軟件的設(shè)計(jì)，要求系統(tǒng)把實(shí)時(shí)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(cè)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(jī)，與此同時(shí)，把測(cè)量值與初步設(shè)定好的各項(xiàng)壞境參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)范圍進(jìn)行比較，對(duì)于超出標(biāo)準(zhǔn)范圍的參數(shù)項(xiàng)，發(fā)出調(diào)節(jié)指令，通過(guò)控制空調(diào)、新風(fēng)系統(tǒng)等進(jìn)行自動(dòng)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(duì)人體造成危害，系統(tǒng)附帶報(bào)警系統(tǒng)，會(huì)通過(guò)WiFi通信模塊向用戶和研究人員發(fā)送報(bào)警信號(hào)和異常指標(biāo)數(shù)據(jù)。另外當(dāng)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，用戶或研究人員可以利用手機(jī)APP或電腦終端實(shí)時(shí)獲取室內(nèi)環(huán)境參數(shù)，并通過(guò)相應(yīng)設(shè)備向單片機(jī)發(fā)送控制信號(hào)來(lái)遠(yuǎn)程控制室內(nèi)空氣環(huán)境，實(shí)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(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)，通過(guò)

WiFi傳輸?shù)給neNET平臺(tái)，發(fā)送到顯示屏、電腦或手機(jī)上，再通過(guò)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程或自動(dòng)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(yǔ)

本文所介紹的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是一個(gè)針對(duì)室內(nèi)空氣溫度、濕度、二氧化碳濃度、甲醛濃度的在線實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)主要空氣指標(biāo)的監(jiān)測(cè)、報(bào)警與控制，具有遠(yuǎn)程控制、安全性高、測(cè)量精確、交互性好、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)能對(duì)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(shí)時(shí)監(jiān)控，更注重健康，切實(shí)提高生活品質(zhì)。

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