基于物联网技术的室内环境可监测控制系统研究与实现

汤佳露 冯昊洋 丁荐元 周豪 玄鸿锐

摘  要：文章研究了室内环境温度的监测控制问题，提出了一种基于物联网技术的室内环境控制方案，本方案分为三部分：底层硬件的数据采集、通信设计（数据传输）、物联网云层设计。该方案利用STC12C5A60S2单片机和多种传感器进行数据采集，设计了环境监测控制系统，从而实现室内温度、湿度、二氧化碳浓度、及甲醛等参数的监测和越限报警的功能。同时，基于OneNET平台，连接WiFi，实现对室内环境的检测和控制。本系统实时性好，操作方便，工作稳定，具有较大的市场应用前景。

关键词：物联网云;无线网络;室内环境监测

中图分类号：TP18          文献标志码：A         文章编号：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

社会主义现代化和城镇化过程中，随着城镇化规模不断扩大，房屋建筑越来越多，环境污染问题难以避免，室内环境污染尤为重要。据中国消费者协会统计，投诉重点已经从质量投诉逐步转向室内环境污染投诉。国家卫生、建设和环保部门对室内装饰材料进行抽查，发现其中具有毒气或者强烈污染物质的材料占比达到68%，这些材料会发出包含甲醛、苯、三氯乙烯、二甲苯在内的多种有机化合物，容易引发各种疾病。建筑物自身也可能成为室内空气的污染源。而且城镇居民每天在室内活动的时间大约占全天的90%，老人和儿童在室内的时间更长，因此，开发一套功能完善的、智能化的物联网室内环境监测系统[2]，不但能满足人们对工作和生活环境的更健康、更舒适的需求，还能带来可观的经济效益，促进人居环境的提升。

本文研究的基于物聯网技术的室内环境可监测系统方案，能够实现室内环境温度、湿度、二氧化碳浓度、及甲醛浓度[2]的实时显示，同时充分利用现有的物联网技术，通过传感器完成室内主要参数数据的采集，由WiFi完成数据的传输[3]，建立物联网OneNET云平台存储数据[4]，通过网络终端软件可进行远程控制[5]，实时调节室内环境参数，操控方便、灵活、可靠，从而实现智能化。

2 工作原理

本系统以STC12C5A60S2单片机为核心，通过温度、湿度、二氧化碳浓度、甲醛传感器采集数据，然后用单片机采集数据，通过WiFi将采集的数据传输到物联网OneNET平台上，并储存，同时将采集的数据在显示屏上予以显示。对不同的参数设置安全范围，当系统检测参数超过测定值范围时进行声光报警，同时通过WiFi反馈数据信息，控制室内空调或地暖、新风系统或通风设备等设备，以调节室内温度、湿度、二氧化碳、甲醛等参数，达到标准值范围内，实现智能监控与调节。

3 硬件设计

通过监测模块、传感器、单片机、WiFi、OneNET物联网平台、控制模块等装置在模块化设计思想的指导下组成“物联网室内环境智能监控与调节”系统。系统总体布局如图1所示。本系统采用温湿度监测及控制模块、CO2浓度监测及控制模块、甲醛监测及控制模块、物联网OneNET平台、电脑或手机等显示器，实时监测室内的环境参数，测量结果可以通过WiFi上传并保存至互联网平台，同时分享给使用者及研究人员。当参数显示异常时，可以利用手机或电脑远程控制相关设备，直至室内的参数恢复到正常范围内。也可在Windows或Android系统开发用于监测数据的软件或APP，实现电脑或手机的实时监控，实现物联网智能控制。

3.1 系统总体结构

以单片机为控制核心，采用温度、湿度、二氧化碳浓度、甲醛浓度等监测指标，通过相应的检测设备进行测量。主机模块由STC12C5A60S2、时钟电路、电源等组成。信号采集模块由传感器电路、A/D转换器、信号处理电路等组成。主要器件有：单片机STC12C5A60S2、WiFi模块ESP8266、温度传感器RisymDS18B20、湿度传感器Si7021、CO2传感器MH-Z19B、甲醛传感器ZE08-CH2O、显示屏12864 STM32 IIC/SPI等。

3.2 模块设计

3.2.1 WiFi模块

WiFi模块采用USB转ESP8266 WiFi模块，模块核心处理器ESP8266在较小尺寸封装中集成了Tensilica L106超低功耗32位微型MCU，带有16位精简模式，支持80MHz和160MHz主频，支持RTOS，集成Wi-Fi MAC/ BB/RF/PA/LNA。支持标准的IEEE802.11 b/g/n协议，有完整的TCP/IP协议栈。利用该模块，可以为现有的设备添加联网功能，也可以构建独立的网络控制器。在本系统总体结构中，将室内的各种传感设备连接到WiFi无线网络上，将室内环境测量数据传输到OneNET平台上，也可把OneNET上的指令发送到室内空调、新风系统等设备中，进行室内环境温度、湿度、二氧化碳等的调节。

3.2.2 温度检测模块

温度传感器采用了Risym DS18B20，它不需要外加A/D转换电路，能够将温度直接转换成数字信号。只需要一根数据线与单片机相连，占用的单片机资源少。测量温度范围为-55～+125°C，在-10～+85°C范围内，误差为±0.5°C，完全可以满足室内温度测量需要。

3.2.3 湿度检测模块

湿度传感器采用Si7021，它的测量湿度范围为0-99.99%RH（推荐湿度是20%-80%RH），精度可达±3%RH（0-80%RH），湿度转换运行时间为17ms，反应速度快，还具有较高的可靠性和稳定性。可以满足室内湿度参数准确和稳定的测量需求。

3.2.4 CO2浓度检测模块

CO2浓度传感器采用MH-Z19B模块，它利用非色散红外（NDIR）原理对空气中的CO2浓度进行检测，无氧气依赖性，有较好的选择性，抗干扰能力强。内置温度补偿，提供UART、PWM波形等多种输出方式。测量范围可达0～5000ppm，精度为±（50ppm±5%讀数值），性能稳定，灵敏度高，适合室内CO2浓度的长期实时精确检测。

3.2.5 甲醛传感器模块

甲醛传感器模块采用ZE08-CH2O型电化学甲醛传感器，该传感器利用电化学原理对空气存在的甲醛进行探测，同时内置温度传感器，可进行温度补偿。能直接输出数字信号。其工作电压为3.7V-9V（带电压反接保护），量程0-5ppm，工作温度为0-50℃，满足室内温度范围。有极高的灵敏度和分辨率，提供UART、模拟电压信号、PWM波形等多种输出方式，性能稳定，有优秀的抗干扰能力和卓越的线性输出，适合室内空气甲醛的高精度检测。

3.2.6 A/D转换模块

A/D转换器采用ADC0809，配有8个模拟量输入通道，是8位逐次逼近型A/D转换器，芯片内带通道地址译码锁存器，输出带三态数据锁存器。时钟频率为640kHz，工作电压为5V，将测得的模拟信号通过模数转换后得到数字信号，再将其输入到单片机中进行相应的处理。

3.2.7 液晶显示模块

显示屏采用的是液晶显示屏12864 STM32 IIC/SPI，它的显示区域是128×64的点阵，每个点都能自己发光，所以无背光，显示单元能自发光，同时可显示汉字、ASCII、图案等， 可视角度大（>160°），低功耗、宽电压、工作温度为-40-70℃。我们利用单片机连接OneNET网络平台，再通过WiFi在液晶显示屏上把室内环境温度、湿度、二氧化碳、甲醛传感器测量数据的滚动显示出来，也可以通过WiFi传输到电脑和手机上，便于人们随时随地对室内环境数据的监控。

3.2.8 报警电路

报警系统能预先设定适合人体的标准空气指标范围，一旦检测到室内某些空气指标超出标准范围时，二极管和蜂鸣器导通，发出警报。

4 网络平台与软件设计

OneNET是中国移动物联网有限公司自主研发的开放云平台，本着开放共赢的理念，面向公共服务，为各种跨平台物联网应用、行业解决方案提供简便的海量连接、云端存储、消息分发和大数据分析等优质服务，从而为企业和个人的相应研究提供便利。该平台可为室内环境监测系统提供良好的物联网技术支持，确保室内各项环境数据的存储、数据的分析、数据共享等环节的低成本高效运行。

室内环境监测系统配套软件的设计，要求系统把实时监控室内环境中的温度、湿度、二氧化碳浓度、甲醛浓度测量数据进行保存，并显示在显示屏上，或者分享到电脑或手机，与此同时，把测量值与初步设定好的各项坏境参数标准范围进行比较，对于超出标准范围的参数项，发出调节指令，通过控制空调、新风系统等进行自动调节。

为了安全起见，防止室内某些空气指标剧烈变化情况发生对人体造成危害，系统附带报警系统，会通过WiFi通信模块向用户和研究人员发送报警信号和异常指标数据。另外当自动调节系统发生故障时，用户或研究人员可以利用手机APP或电脑终端实时获取室内环境参数，并通过相应设备向单片机发送控制信号来远程控制室内空气环境，实现室内空气环境的远程化、智能化管理。

5 结果与分析

该系统主要利用物联网技术，可以远程获取室内空气温度、湿度、CO2浓度、甲醛浓度的实时测量数据，通过

WiFi传输到oneNET平台，发送到显示屏、电脑或手机上，再通过相应的软件进行分析，下达指令控制室内环境控制设备，实现远程或自动控制室内空气质量，为人们创造与保持室内舒适的空气环境，充分发挥物联网技术在人居环境中的作用。

6 结束语

本文所介绍的物联网系统是一个针对室内空气温度、湿度、二氧化碳浓度、甲醛浓度的在线实时监控系统，用来实现对室内主要空气指标的监测、报警与控制，具有远程控制、安全性高、测量精确、交互性好、适用范围广等优点。该系统能对人们室内居住和工作环境的空气质量主要参数进行有效的实时监控，更注重健康，切实提高生活品质。

参考文献：

[1]丁双朋.物联网技术在智能家居中的应用分析[J].数字通信世界，2019（03）：173.

[2]郭志冬.基于物联网的智能家居环境监控系统研究与设计[J].信息与电脑（理论版），2018（17）：50-53.

[3]高延超，王九龙，王悦.一种基于物联网技术的宇航智能家居系统设计[J].载人航天，2018（04）：541-545.

[4]邱实，汪明，李旭，等.基于物联网的智能家居管控系统设计[J].建筑电气，2017（07）：50-56.

[5]何求胜，殷超，刘妍.基于物联网的室内环境监测系统构建与实现[J].产业与科技论坛，2017（03）：36-39.