基于物联网的空气质量检测系统

建一飞 张朋

摘要：近些年，空气污染越来越严重，也引发了许多呼吸疾病。所以人们也已经开始重视空气污染问题，家庭环境是人们一天中所处时间最长的地方，故该文设计了一种新型智能空气质量检测系统。该系统采用了物联网监测技术，用户可以随时随地的通过手机或者电脑端了解室内空气的质量。也可以通过系统控制空气净化器、加湿器等等设备的运行。虽然各地都有完整的空气质量监测系统，但是室内空气质量的检测房间相对薄弱，没有完整成套的系统，该文所述系统在手机及PC端上的显示界面可以实时显示精确的当前环境空气状况，方便了环境数据的收集与分析。该系统可用于多种小范围室内环境的检测。

关键词：空气质量检测;智能;物联网

中图分类号：TP311        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）23-0189-02

我国物联网技术发展较晚，近些年才开始突飞猛进，但是物联网技术应用在空气质量监测上的并不多。因为家庭空气质量的监测一直以来都是第三方机构去采样监测，并不能实时反馈当前空气指数。室内环境是人们生活、工作的主要场所。人的一生中至少有一半的时间在室内度过，如果长时间暴露在有污染的室内空气环境中，污染物对人体的累积危害就更为严重。故需要一款能实时反馈当前空气指数的空气质量监测系统，在相对的精度范围以内，能够对当前所处的环境进行实时监测并且反馈到用户的手机或者PC端，方便用户控制。而且，本系统也有检测有毒有害气体的功能，能够感应到有毒有害气体，及时警报。本系统通过WIFI模块将数据传输到云服务器方便用户查询和监测。

1 硬件系统组成及其功能分析

1.1 设计思路

本设计通过SDS011传感器、DHT11温湿度检测模块、对附近空气中PM2.5浓度值进行采集检测，然后利用ADC0832模数转换芯片将传感器采集输出的模拟电压信号转换成便于处理的数字信号量，随之把信号输入到STM32单片机中。经过STM32单片机对信号的分析运算处理，得到了最终的PM2.5浓度检测结果，最后将PM2.5浓度数值直观地显示在12864液晶屏上。当系统检测浓度值大于设定的浓度阈值时，由发光二极管以及蜂鸣器组成的报警模块就会进行报警。最后，通过反复的调试及硬件的集成，实现了本次设计即基于单片机的PM2.5空气质量检测系统的功能要求及设计目标。

1.2 功能分析

检测系统的总体设计如图1和图2所示。智能空气监测系统使用WIFI模块进行联网，并且将多个传感器得到的实时数据以一定的时间频率上传至云服务器，其工作模式如下：用户可以通过手机或者电脑端登陆云服务器平台查看实时数据，云服务器也会针对数据绘制数据表图，数据会在云服务器上永久保存，并且可以通过该系统控制空气质量监测系统或者加湿器等智能家居，当用户下发指令后，云服务器将指令发送给硬件监测设备。在设备监测到有毒有害气体后会触发紧急模式。此时，硬件设备将会调用其SIM卡模块发送信息给用户，提醒用户存在紧急情况。

1.3 硬件设计和组成

针对前面的设计方案，此系统包含四个模块：检测模块、电源模块、控制模块和通信模块。监测模块使用了甲醛传感器（MS1100）、温/湿度传感器（DHT11）、气体传感器（夏普 GP2Y1010AU）以及外围电路，主要完成对环境空气质量的检测（温湿度、PM2.5、CO、甲醛及其他有毒气体等）并将相关数据上传至云服务器。控制模块是以STM32为载体。主要有 STM32芯片、12864显示屏、通信接口组成。其中STM32芯片与其他外围电路主要完成数据收集、处理、转发和指令发送等，用于控制其他模块。例如在监测到一系列数据以后，单片机会根据预先编译的程序判断当前空气质量是否合格，并且采取措施。 显示屏用于与显示收集到的信息。电源模块由 AC-DC电源、DC-DC电源和继电器控制电路构成。其中，AC-DC电源将220交流电转化为 12 V直流电，DC-DC电源使用降压电路将12V直流电压降低为5V，继电器控制电路完成继电器开/关和电机驱动，用于接收控制信号后进行相关功能的调节。通信模块主要使用了esp8633模块与无线路由相连。其主要功能为：（1） 接收通过无线路由传递来的控制信号（手机或 PC端发送）并传递给控制模块的通信接口;（2） 将传感器得到的数据上传至服务器端;（3）紧急模式时调用信息发送模块向用户发送紧急信息。

1.4 硬件分析

终端检测节点控制器采用最新的STM32F29IGT6芯片，属于增强CPU，主频72M，512K FLASH，6K SRAM，容量大，工作电压5 V。系统采用了SDS011型号的 PM2.5粉尘传感器，ZE08-CH20 型号的甲醛传感器及DHT11型号的温湿度传感器。电源模块提供5v、3.3V电压，保障系统供电稳定。传感器采集的数据经控制器分析处理后，经过esp8633无线模块发送出去，实现与汇聚节点的无线数据传输。2PM2.5粉尘传感器SDS011粉尘传感器采用激光散射原理，具有分辨率高、性能稳定等特性，最小分辨悬浮颗粒直径为0.3μ.m，最大分辨悬浮顆粒直径为10μm，并且响应速度快，传感器输出的数据为十六进制。工.作电压为5 V，采用串口收发数据。DHTI1 温湿度传感器DHT11 数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，其内部包含1个NTC测温元件和1个电阻式感湿元件，内部连接着1个8位高性能单片机，使用单总线方式完成数据通信。该产品具有品质卓越、响应快、抗干扰能力强、性价比高等特点。每个 DHT1I 传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在OTP内存中。

ZE08-CH2O 甲醛传感器ZE08-CH2O甲醛传感器利用电化学原理对空气中存在的甲醛进行探测，具有高灵敏度、高分辨率的特点;内部置有温度传感器，可对温度进行补偿，与单片机进行交互。

2 软件系统分析极其测试结果

2.1 软件控制系统

智能控制系统的软件控制系统主要分为主动控制和自主控制;主动控制是当接收到传感器的数据后，根据预先设定的程序采取行动对空气净化器等进行控制。自主控制为用户在软件端对于设备进行自主控制。软件端的具体作用如下：

1） 接收服务器指令后，系统进行初始化，相应模块使用;

2） 判断空气净化器的臭氧开关是否开启。如果开启，机器自动进入臭氧开启状态并做倒计时处理，时间结束后自动关机（时间可由用户自己設定）;

3） 根据指令，进行模式识别（手动或自动）。模式识别后，进行相应的功能指令的处理（检测当前环境、选择净化模式）;

4） 处理后，将实时的监测数据发送到服务器或触摸屏进行显示。为了方便检测系统的手工操作，设计了专门的触摸屏界面.整个界面分为显示区域、控制键区域和指示区域三部分。显示当前环境中PM2.5、甲醛、温度与湿度的实时数据。

2.2 测试结果

智能空气质量检测系统将设备、手机与电脑通过无线路由与服务器相连接。通过 PC端和手机功能软件与服务器通信，并获取服务器发送来的数据。PC端功能软件与服务器显示了 PC端软件设定的定时时间以及由服务器发送来的空气检测系统发送的温度、湿度、甲醛浓度与 PM2.5数值。

3 结束语

本文设计了一种智能室内空气监测系统基于物联平台快速搭建开发环境采用精度较高的传感器进行数据采集用户可以通过软件随时了解家庭室内空气状况从而更好地关注身体健康提高生活质量。系统开发成本低用户使用方便测量影响空气质量的参数范围较多可扩展性强适合广泛推广经测试该系统稳定性高与市面流行的空气监测系统相比数据误差在可允许范围内，并且该系统也可运用在健身房、养生馆等一系列小型室内场所。下一步的研究方向是在该平台下加入其他空气质量传感器提高室内空气监测的气体种类，提高精度和速度。

参考文献：

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