基于阿里云IOT的简易远程室内环境监测系统

◆吕琪

安全模型、算法与编程

基于阿里云IOT的简易远程室内环境监测系统

◆吕琪

（江苏科技大学（镇江）深蓝学院 江苏 212003）

本文针对室内环境监测系统复杂度高和互动性低等问题，设计一种基于阿里云物联网平台的简易远程室内监测系统。该系统以含有WiFi模块的Arduino（ESP-32）单片机为核心，通过信息采集和显示模块，现场监测室内环境参数变化，并依托阿里云物联网平台（IOT），设计一个环境监测交互界面，远程、实时动态监测室内环境。实验表明，所设计的系统可以有效监测室内环境，并远程监测、反馈环境信息，达到功能设计要求。该系统成本低，简单实用，具有一定的实用价值。

Arduino；阿里云（IOT）；远程监测

湿度是影响人体感官的重要环境因素之一。长期暴露于低相对湿度的环境会导致人体泪膜稳定性下降，进而致使眼睛干燥，出现高渗和炎症反应；较高湿度的环境则可以改善用户睡眠，减少声带负担[1]。此外，相对高的湿度条件能在一定程度上抑制新型冠状病毒（COVID-19）的有效繁殖，从而降低其传播率[2]。但是，过高的相对湿度会导致室内出现霉菌污染物，从而影响用户的健康。因此，世界卫生组织建议将室内相对湿度保持在75%以下[3]。采用室内环境监测系统实时监测环境参数，及时反馈给用户，可以有效预知因相对湿度问题而出现人体不适的情形。

传统的室内环境监测通常需要复杂电路和诸多设备器件，并辅以精密的操作，监测结果往往并不能给予用户及时的反馈，从成本和效用角度来看极为浪费且烦琐。随着智能技术的发展，逐渐出现了以集成传感器和计算机技术为主的温湿度监测方式，此种方式大幅简化电路，提高了测量精度[4]。

物联网（IOT）可实现用户、物理对象之间不受时空限制互联互通。通过互联网进行信息交换和通信，可以实现物与物、物与人的泛在连接，从而能够智能化感知、识别和管理物体和过程。目前，IOT在智能家居、智能交通、公共安全、智能停车场等领域得到广泛应用[5]。

因此，本系统依托于阿里云物联网平台，以Arduino单片机和集成传感器为基础，构建一种简单实用，远程交互的室内环境监测系统。当用户可以通过阿里云IOT交互界面设定环境参数值后，该监测系统残疾室内环境，比较环境参数，并进行现场指示，以及通过钉钉机器人远程反馈给用户，从而有效预知不适当的室内环境。

1 系统总体设计

智能监测系统由图1所示构成，包含了信息监测模块，信息反馈模块和阿里云IOT平台三部分，其中信息监测模块负责传感器监测和数据上传，信息反馈模块负责处理数据，从硬件上做出反馈。阿里云IOT平台负责接收记录监测终端上传的数据信息以及向用户端发送监测结果信息。用户可以使用手机或电脑等终端设备在任意地点通过网页方式实现对室内温湿度监测结果的查看。

图1 系统设计框架

2 系统的硬件设计

系统硬件部分主要由ESP32主控模块、红色食人鱼LED模块和DHT11数字温湿度传感器模块构成。如图2所示。

DFRobotFireBeetle系列的FireBeetle Board-ESP32为智能监测系统的主板，其超低功耗的外围硬件、小尺寸的兼容性设计以及丰富的外设，同时编程方式对于Arduino IDE编程的完全兼容，促使其成为IOT应用于低功耗项目的最优选择。

图2 系统硬件部分

红色食人鱼LED模块使用食人鱼LED，光衰小，视角大，散热好，使用寿命长，且发光强度高，适合用于室内智能监测的要求，同时维修成本低，降低了使用复杂度。另外，当结合Arduino专用传感器扩展板和环境光线传感器使用时，可实现与光线相关的互动作品。

DHT11数字温湿度传感器模块是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，其传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，且与一个高性能8位单片机相连接。其体积超小，功耗极低，加之数据传输距离超长和长期稳定性卓越，另外还有响应超快、抗干扰能力强，种种优势均使其成为智能监测的最佳之选，其性价比极高，从而有效地减小了成本。

3 系统的软件设计

系统软件的设计主要分为监测终端的软件设计和反馈中心的软件设计。

3.1 监测终端软件设计

监测终端软件流程如图3所示。

图3 监测终端软件流程图

监测终端基于Arduino软件环境开发平台，该平台支持C语言或C++进行编程。程序经过验证无误后即可上传烧录至硬件设备，继而通过用户的WiFi的通断来控制硬件设备。先对模块进行初始化，设定数据采集接口，配置相关内容，连接阿里云平台，根据程序设定的上报信息和订阅信息对接收到的信息进行处理。当接收到订阅消息时，系统根据函数的设置来控制硬件设备，同时将控制结果信息上报至云端，方便用户通过移动端查看监测结果。图4程序中，系统通过对灯的开关进行编程实现LED灯亮暗的控制。

图4 灯开关编程

3.2 反馈中心软件设计

反馈中心基于阿里云IOT平台，该平台可以直接管理设备，并提供丰富的开发服务。在平台的项目下创建产品，自定义产品的温湿度监测功能和提示灯的指示功能用于系统的监测和反馈，在功能定义下具体设置温湿度的取值范围和数据类型来监测所需范围内的环境因素及其精确度。另外，为产品配备设备以实现后续的节点操作。

在可视化Web应用开发中，对监测界面进行设计，配置实时曲线和卡片以便观察实时温湿度及其一段时间内的变化趋势，同时按钮标签组将温湿度监测结果合二为一，可以选择观测。另外，指示灯将硬件的反馈结果显示在云端界面，实现了移动端的统一管理。

在业务逻辑服务中，通过编排设备触发、路径选择、钉钉机器人和温湿度监测等节点形成一条编排流来实现系统反馈。如图5所示，设置监测选择触发条件为湿度，使用路径选择节点对输入相对湿度变量进行路径配置从而达成相对湿度的范围与反馈相匹配的结果。

图5 编排流

4 系统调试与结果分析

通过放置该系统于室内，验证其功能。

4.1 系统现场监测

由图6，当室内相对湿度不小于75%RH时，硬件设备中LED灯亮；反之，LED灯灭。

图6 硬件图（左：相对湿度75%RH，右：相对湿度75%RH）

4.2 云端远程监测

（1）云端数据显示

当相对湿度不小于75%RH时，如图7所示，用户界面中提示灯亮，提醒用户湿度过大，及时通风透气祛湿，以保证相对湿度合理。相反，当相对湿度小于75%时，由图8可见，用户界面中提示灯熄灭，表示相对湿度在适宜的范围内，可满足日常的作息。

图7 相对湿度75%RH用户界面（左：相对湿度，右：温度）

图8 相对湿度75%RH用户界面（左：相对湿度，右：温度）

（2）用户设定参数与信息反馈

用户可在节点配置下的路径配置中更改环境对比参数，由图9所示，本系统设置判断为相对湿度是否小于75%RH。

图9 节点配置

当相对湿度小于75%RH时，如图10，钉钉机器人在群内发出提醒“湿度在合理范围！”；反之，硬件及监测界面指示灯亮。

图10 钉钉机器人提醒

由图6至图10可见，系统运行正常，并且可以实时记录室内环境的温度和相对湿度及其变化趋势，进而对监测结果进行处理反馈。测试结果表明，系统的各项功能都达到了实用的要求。

5 结束语

从实验结果可见，基于阿里云IOT的简易远程室内环境监测系统，能较好地实现室内环境监测数据的实时采集和上传。系统以极少的硬件设备简化了用户的管理和使用；以移动端访问形式精简了用户获取室内环境监测结果的方式。同时免费开放的服务平台使技术开发的难度和成本都大幅度降低。凭借IOT技术的发展和阿里云IOT平台的开放共享，系统将适应未来自动化智能家居技术的发展趋势。

[1]PederWolkoff.Indoor air humidity，airquality，and health-Anoverview[J].International Journal of Sustainable Built Environment.2018.volumn 221，p.376-390.

[2]JingyuanWang，KeTang，KaiFeng，XinLin，WeifengLv，KunChen，FeiWang.High Temperature and High Humidity Reduce the Transmission of COVID-19[J/OL].http://dx.doi.org/10.2139/ssrn.3551767.

[3]H.Wu，J.W.C.Wong.Current challenges for shaping thesustainable and mold-free hygienic indoor environment in humid regions[J].Letters in Applied Microbiology.2020.volumn 70，p.396-406

[4]袁易君.无线温度、湿度监测仪研究[J].现代企业文化，2008（35）：101-102.

[5]刘陈，景兴红，董钢.浅谈物联网的技术特点及其广泛应用[J].科学咨询，2011（9）：86.