湯佳露 馮昊洋 丁薦元 周豪 玄鴻銳

摘? 要：文章研究了室內環(huán)境溫度的監(jiān)測控制問題，提出了一種基于物聯網技術的室內環(huán)境控制方案，本方案分為三部分：底層硬件的數據采集、通信設計（數據傳輸）、物聯網云層設計。該方案利用STC12C5A60S2單片機和多種傳感器進行數據采集，設計了環(huán)境監(jiān)測控制系統(tǒng)，從而實現室內溫度、濕度、二氧化碳濃度、及甲醛等參數的監(jiān)測和越限報警的功能。同時，基于OneNET平臺，連接WiFi，實現對室內環(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，具有較大的市場應用前景。

關鍵詞：物聯網云;無線網絡;室內環(huán)境監(jiān)測

中圖分類號：TP18? ? ? ? ? 文獻標志碼：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

社會主義現代化和城鎮(zhèn)化過程中，隨著城鎮(zhèn)化規(guī)模不斷擴大，房屋建筑越來越多，環(huán)境污染問題難以避免，室內環(huán)境污染尤為重要。據中國消費者協(xié)會統(tǒng)計，投訴重點已經從質量投訴逐步轉向室內環(huán)境污染投訴。國家衛(wèi)生、建設和環(huán)保部門對室內裝飾材料進行抽查，發(fā)現其中具有毒氣或者強烈污染物質的材料占比達到68%，這些材料會發(fā)出包含甲醛、苯、三氯乙烯、二甲苯在內的多種有機化合物，容易引發(fā)各種疾病。建筑物自身也可能成為室內空氣的污染源。而且城鎮(zhèn)居民每天在室內活動的時間大約占全天的90%，老人和兒童在室內的時間更長，因此，開發(fā)一套功能完善的、智能化的物聯網室內環(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，還能帶來可觀的經濟效益，促進人居環(huán)境的提升。

本文研究的基于物聯網技術的室內環(huán)境可監(jiān)測系統(tǒng)方案，能夠實現室內環(huán)境溫度、濕度、二氧化碳濃度、及甲醛濃度[2]的實時顯示，同時充分利用現有的物聯網技術，通過傳感器完成室內主要參數數據的采集，由WiFi完成數據的傳輸[3]，建立物聯網OneNET云平臺存儲數據[4]，通過網絡終端軟件可進行遠程控制[5]，實時調節(jié)室內環(huán)境參數，操控方便、靈活、可靠，從而實現智能化。

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、甲醛傳感器采集數據，然后用單片機采集數據，通過WiFi將采集的數據傳輸到物聯網OneNET平臺上，并儲存，同時將采集的數據在顯示屏上予以顯示。對不同的參數設置安全范圍，當系統(tǒng)檢測參數超過測定值范圍時進行聲光報警，同時通過WiFi反饋數據信息，控制室內空調或地暖、新風系統(tǒng)或通風設備等設備，以調節(jié)室內溫度、濕度、二氧化碳、甲醛等參數，達到標準值范圍內，實現智能監(jiān)控與調節(jié)。

3 硬件設計

通過監(jiān)測模塊、傳感器、單片機、WiFi、OneNET物聯網平臺、控制模塊等裝置在模塊化設計思想的指導下組成“物聯網室內環(huán)境智能監(jiān)控與調節(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、物聯網OneNET平臺、電腦或手機等顯示器，實時監(jiān)測室內的環(huán)境參數，測量結果可以通過WiFi上傳并保存至互聯網平臺，同時分享給使用者及研究人員。當參數顯示異常時，可以利用手機或電腦遠程控制相關設備，直至室內的參數恢復到正常范圍內。也可在Windows或Android系統(tǒng)開發(fā)用于監(jiān)測數據的軟件或APP，實現電腦或手機的實時監(jiān)控，實現物聯網智能控制。

3.1 系統(tǒng)總體結構

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，通過相應的檢測設備進行測量。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 模塊設計

3.2.1 WiFi模塊

WiFi模塊采用USB轉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。支持標準的IEEE802.11 b/g/n協(xié)議，有完整的TCP/IP協(xié)議棧。利用該模塊，可以為現有的設備添加聯網功能，也可以構建獨立的網絡控制器。在本系統(tǒng)總體結構中，將室內的各種傳感設備連接到WiFi無線網絡上，將室內環(huán)境測量數據傳輸到OneNET平臺上，也可把OneNET上的指令發(fā)送到室內空調、新風系統(tǒng)等設備中，進行室內環(huán)境溫度、濕度、二氧化碳等的調節(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轉換電路，能夠將溫度直接轉換成數字信號。只需要一根數據線與單片機相連，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，誤差為±0.5°C，完全可以滿足室內溫度測量需要。

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±3%RH（0-80%RH），濕度轉換運行時間為17ms，反應速度快，還具有較高的可靠性和穩(wěn)定性?？梢詽M足室內濕度參數準確和穩(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濃度進行檢測，無氧氣依賴性，有較好的選擇性，抗干擾能力強。內置溫度補償，提供UART、PWM波形等多種輸出方式。測量范圍可達0～5000ppm，精度為±（50ppm±5%讀數值），性能穩(wěn)定，靈敏度高，適合室內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型電化學甲醛傳感器，該傳感器利用電化學原理對空氣存在的甲醛進行探測，同時內置溫度傳感器，可進行溫度補償。能直接輸出數字信號。其工作電壓為3.7V-9V（帶電壓反接保護），量程0-5ppm，工作溫度為0-50℃，滿足室內溫度范圍。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，適合室內空氣甲醛的高精度檢測。

3.2.6 A/D轉換模塊

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

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網絡平臺，再通過WiFi在液晶顯示屏上把室內環(huán)境溫度、濕度、二氧化碳、甲醛傳感器測量數據的滾動顯示出來，也可以通過WiFi傳輸到電腦和手機上，便于人們隨時隨地對室內環(huán)境數據的監(jiān)控。

3.2.8 報警電路

報警系統(tǒng)能預先設定適合人體的標準空氣指標范圍，一旦檢測到室內某些空氣指標超出標準范圍時，二極管和蜂鳴器導通，發(fā)出警報。

4 網絡平臺與軟件設計

OneNET是中國移動物聯網有限公司自主研發(fā)的開放云平臺，本著開放共贏的理念，面向公共服務，為各種跨平臺物聯網應用、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)和大數據分析等優(yōu)質服務，從而為企業(yè)和個人的相應研究提供便利。該平臺可為室內環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)提供良好的物聯網技術支持，確保室內各項環(huán)境數據的存儲、數據的分析、數據共享等環(huán)節(jié)的低成本高效運行。

室內環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)配套軟件的設計，要求系統(tǒng)把實時監(jiān)控室內環(huán)境中的溫度、濕度、二氧化碳濃度、甲醛濃度測量數據進行保存，并顯示在顯示屏上，或者分享到電腦或手機，與此同時，把測量值與初步設定好的各項壞境參數標準范圍進行比較，對于超出標準范圍的參數項，發(fā)出調節(jié)指令，通過控制空調、新風系統(tǒng)等進行自動調節(jié)。

為了安全起見，防止室內某些空氣指標劇烈變化情況發(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數據。另外當自動調節(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環(huán)境參數，并通過相應設備向單片機發(fā)送控制信號來遠程控制室內空氣環(huán)境，實現室內空氣環(huán)境的遠程化、智能化管理。

5 結果與分析

該系統(tǒng)主要利用物聯網技術，可以遠程獲取室內空氣溫度、濕度、CO2濃度、甲醛濃度的實時測量數據，通過

WiFi傳輸到oneNET平臺，發(fā)送到顯示屏、電腦或手機上，再通過相應的軟件進行分析，下達指令控制室內環(huán)境控制設備，實現遠程或自動控制室內空氣質量，為人們創(chuàng)造與保持室內舒適的空氣環(huán)境，充分發(fā)揮物聯網技術在人居環(huán)境中的作用。

6 結束語

本文所介紹的物聯網系統(tǒng)是一個針對室內空氣溫度、濕度、二氧化碳濃度、甲醛濃度的在線實時監(jiān)控系統(tǒng)，用來實現對室內主要空氣指標的監(jiān)測、報警與控制，具有遠程控制、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)能對人們室內居住和工作環(huán)境的空氣質量主要參數進行有效的實時監(jiān)控，更注重健康，切實提高生活品質。

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