基于物联网的实时空气质量智能闹钟系统

马 龙，邓素碧，何 铭

（1.中兴通讯股份有限公司南京研发中心，江苏 南京 210012；2.西门子电力自动化有限公司，江苏 南京 210012；3. 河北省工业和信息化发展研究院，河北 石家庄 050000）

0 引 言

近年来我国空气污染形势严峻，雾霾天气频发，空气质量已成为人们进行户外运动不得不考虑的重要因素。人们需要了解实时空气质量并且根据空气质量及时调整生活方式。户外运动时，随着活动量增加，人的呼吸加深、加速，自然会更多地吸入雾中的有害物质，这些可吸入性颗粒物进入人体后会刺激呼吸道黏膜，进而损伤肺部，导致人体呼吸系统疾病。所以当空气质量差时，应尽量减少外出，尤其不要进行户外运动。

目前人们对于空气质量的获知，一般采取的是主动查询的方式，也就是到相关网站查询空气质量指数（AQI）。对于喜欢晨练的朋友，往往会遇到这样的尴尬。他们设置闹钟来闹醒，在清晨沉睡中被闹醒后，上网查一下空气质量指数（AQI），发现空气质量指数很大，雾霾严重，只能放弃晨练继续睡觉，但此时往往就很难入睡。尤其是在寒冷的冬天，这种情况会苦不堪言。除此之外，通过网站查询到的空气质量指数AQI，通过统计的方式测量并计算得到的，并不是实时信息。另一方面，空气质量指数AQI只代表监测点附近的数据，并不能反映户外运动地点的空气质量情况。

基于此，本文提出了一种基于物联网的实时空气质量智能闹钟系统（下文简称为智能闹钟系统），由空气质量传感器、单片机、网络模块、物联网平台、电源模块和智能终端模块组成。通过设置在户外运动场所的空气质量传感器测量实时空气质量，在单片机上对实时空气质量数据进行处理，生成空气质量指数AQI；通过网络模块把实时空气质量指数（AQI）传输到物联网平台，运行在智能终端上的智能闹钟APP从物联网平台获取实时空气质量指数（AQI），对空气质量进行判断，根据设置的闹醒方式进行智能提醒。

1 智能闹钟系统的硬件组成

智能闹钟系统由空气质量传感器、单片机、网络模块、智能终端、电源模块和物联网平台组成，如图1所示。

图1 系统的硬件组成

1.1 空气质量传感器

目前主流的空气质量传感器分为两种：红外颗粒物传感器和激光颗粒物传感器。红外传感器采用红外发光二极管作为光源；而激光式传感器则采用更为稳定的激光二极管。在传感器工作过程中，必要条件之一是流动的空气通过光源和接收器之间的交叉区域。为了驱动气流，红外传感器采用电阻加热的方式，利用热空气带动周围气体流动；激光式传感器则在内部设有固定的风机。信号输出方面，红外传感器内部的光电晶体管只能输出脉宽调制信号（PWM信号），这种信号需要经过进一步计算得出颗粒物浓度范围；激光传感器内部光电探测器的光电效应会产生电流信号，经电路放大处理后，得到颗粒物的浓度值，信号一般为串口输出。红外传感器采用电阻加热方式驱动气流，颗粒物的采样数较少，测试精度略显不足；而激光传感器采用风机驱动，数据采集量足够大，在一定程度上能够保证数据的精确性。

空气质量传感器设置在用户关注空气质量的场所，如户外运动场所。如果关注空气质量的场所有多个，就可以设置多个空气质量传感器。

红外颗粒物传感器和激光颗粒物传感器保证了采集的空气质量数据的实时性，把空气质量传感器设置在指定场所，保证了采集的空气质量数据的位置准确性。从而比网站上查询的空气质量数据具有显而易见的优越性。

1.2 单片机

单片机位于空气质量传感器和网络模块之间，空气质量传感器采集的空气质量数据进入单片机，单片机对这些数据进行处理，包括数据接收、逻辑运算、数据分析、数据发送等。空气质量数据经过处理后，传送到网络模块。为了方便调试和数据处理，单片机一般使用开发板。

1.3 网络模块

单片机和物联网平台之间、智能终端和物联网平台之间存在数据传输，使用网络模块实现数据传输功能。网络模块使用网络技术，常见的网络技术包括有线网络和无线网络，无线网络包括ZigBee、移动通信网络（4G、5G）、WiFi、物联网等。

1.4 物联网平台

物联网平台是一个中间层，一方面位于物联网设备层和物联网网关（以及数据）层之间，另一方面位于应用程序之间。物联网平台提供对外读/写接口，以接收网络模块传输的空气质量指数并进行存储和供智能终端获取数据。

1.5 智能终端模块

智能终端模块包括智能终端和闹钟APP。智能终端需要具有网络功能，连接互联网后可以从物联网平台获取数据，闹钟APP运行于智能终端，提供设置功能，可以对于空气质量指数的闹钟门限、闹钟时间和闹钟方式进行设置，闹钟APP根据设置对用户进行智能闹醒，常见的智能终端有智能手机、平板电脑、智能手表、智能手环、智能闹钟等。闹钟APP支持设置多个闹钟。根据设置的闹钟门限使用设置的闹钟方式进行闹醒，体现了闹钟的智能性。

1.6 电源模块

电源模块对空气质量采集模块、单片机、网络模块和智能终端模块进行供电，保证各模块正常工作。

电源模块使用9 V直流电源给单片机供电，由单片机的输出电压引脚给空气质量传感器、网络模块供电，智能终端一般则由自带电池供电。

2 智能闹钟系统的软件组成

智能闹钟系统的软件包括单片机软件、网络模块软件和智能终端上的闹钟APP软件。

2.1 单片机软件

单片机软件功能包括：

（1）获取空气质量传感器采集的空气质量数据；

（2）处理空气质量数据，得到空气质量指数（AQI）；

（3）把空气质量指数（AQI）送到网络模块；

（4）其他必要的管理功能，如单片机管脚设置等。

2.2 网络模块软件

网络模块软件功能包括：

（1）对网络模块进行设置，利用网络资源，可以连接到互联网；

（2）空气质量指数（AQI）通过网络模块发送到物联网平台。

2.3 闹钟APP软件

闹钟APP软件至少具有以下功能：

（1）设置闹钟时间；

（2）设置闹钟方式，比如音乐或者铃声等；

（3）设置空气质量指数的闹钟门限；

（4）通过智能终端连接到互联网，从物联网平台获取指定地点的空气质量指数（AQI）数据；

（5）当到达闹钟设置时间时，并且空气质量指数AQI小于空气质量指数的闹钟门限，便以设定的闹钟方式进行闹醒，否则不进行闹醒。

3 智能闹钟系统的工作过程

智能闹钟系统实时采集天气信息，并根据空气质量情况进行智能闹醒，在适合户外运动的天气，进行闹醒；在不适合户外运动的天气，则不会进行闹醒。

设置在户外运动场所的空气质量传感器实时采集空气质量数据，在单片机上对实时空气质量数据进行处理得到空气质量指数（AQI），通过网络模块把实时空气质量指数（AQI）传输到物联网平台，运行在智能终端上的智能闹钟APP从物联网平台获取实时空气质量指数（AQI），对空气质量指数（AQI）进行判断，根据设置进行智能闹醒。

3.1 前置过程

前置过程就是使智能闹钟系统正常工作的准备工作，主要包括以下几个方面：

（1）对网络模块进行设置，能够接收单片机的数据；

（2）配置物联网平台，能够存储数据，并能够对外提供数据写入和查询接口；

（3）编写闹钟APP程序，并在智能手机运行，闹钟APP支持设置空气质量的闹钟门限、闹钟时间和闹钟方式等；

（4）使用直流电源给单片机、空气质量传感器、网络模块供电，保证各模块正常工作。

3.2 数据的采集和存储

数据的采集和存储，即智能闹钟系统实时采集空气质量数据，并对数据进行处理和存储，供闹钟APP使用。

空气质量数据的采集：利用空气质量传感器实时采集空气质量信息数据，并输出到单片机。

空气质量数据的处理：单片机对接收的空气质量数据，进行逻辑运算和处理，得到空气质量指数（AQI）。

空气质量指数的传送：空气质量指数（AQI）通过网络模块，发送到物联网平台。

空气质量指数的存储：物联网平台收到空气质量指数（AQI）后存储到数据库。

3.3 闹钟APP流程

在智能终端上运行闹钟APP，其工作过程描述如下：

（1）设置空气质量指数（AQI）的采集地点、闹钟门限值、闹钟时间和闹钟方式；

（2）取当前时间；

（3）当前时间和设置的闹钟时间进行比较，如果闹钟时间和当前时间相等则执行步骤（4），否则执行步骤（2）；

（4）从物联网平台获取当前空气质量指数（AQI）；

（5）当前空气质量指数（AQI）和设置的闹钟门限值进行比较，如果小于闹钟门限值，执行步骤，否则执行步骤（7）；

（6）使用设置的闹钟方式进行闹醒；

（7）结束。

闹钟APP具体的工作流程如图2所示。

图2 闹钟APP工作流程

4 智能闹钟系统的实现

为了方便快捷地实现智能闹钟系统，本文采用了Arduino开源电子原型平台。

Arduino包含硬件（各种型号的Arduino板）和软件（Arduino IDE）。硬件部分是可以用来做电路连接的Arduino电路板；软件部分则是Arduino IDE，即计算机中的程序开发环境。在IDE中编写程序代码，将程序上传到Arduino电路板后，Arduino电路板便会执行程序。

为了保证空气质量指数（AQI）的实时性，本文中空气质量传感器选用激光空气质量传感器，利用激光散射原理，即激光照射在空气中的悬浮颗粒物上产生散射，同时在某一特定角度收集散射光，得到散射光强随时间变化的曲线。激光空气质量传感器能检测PM2.5和PM10，通过串口通信输出数据。

单片机使用Arduino mega 2560 R3开发板，该单片机以ATmega2560为核心的微控制器开发板，其本身具有54组数字I/O input/output端（其中14组可做PWM输出），16组模拟比输入端，4组Uart（hardware serial ports），使用16 MHz Crystal Oscillator。由于具有Bootloader，能够通过USB直接下载程序而不需经过其他外部烧写器。供电部份可选择由USB直接提供电源，或者使用ac-to-dc adapter及电池作为外部供电。

网络模块使用ESP8266 WiFi芯片，该芯片使用3.3 V的直流电源，体积小，功耗低，支持透传，丢包现象不严重，而且价格超低。功能简单来讲就是：从WiFi接收到数据，串口输出；从串口接收数据，WiFi输出数据。

智能终端使用安卓智能手机，闹钟APP自行开发，具有设置闹钟时间、选择空气质量数据的采集地点、空气质量指数（AQI）的闹钟门限和闹钟方式等功能。

物联网平台使用免费的贝壳物联网平台，该平台用户通信协议分为两部分：

（1）非实时通信，以传统HTTP（S）API方式实现；

（2）实时通信，以TCP、WebSocket长连接方式实现。

另外，电源模块使用9 V直流电源给单片机供电，由单片机的输出电压引脚给空气质量传感器、网络模块供电，智能手机则由自带电池供电。

按照前文的系统构成对系统进行搭建，把激光空气质量传感器、单片机Arduino mega 2560 R3、ESP8266 WiFi芯片依次连接并设置在指定地点，在单片机Arduino mega 2560 R3进行编程，对来自激光空气质量传感器采集的数据进行处理，得到空气质量指数（AQI）；对ESP8266 WiFi无线芯片进行设置，利用本地WiFi资源，可以连接到互联网，空气质量指数AQI通过ESP8266 WiFi芯片发送到贝壳物联网平台并进行存储。

运行安卓智能手机的闹钟APP，并进行设置：闹钟时间在上午6：00时，获取指定地点的空气质量指数AQI，空气质量指数（AQI）的闹钟门限为100，闹钟方式为播放音乐。

当上午6：00时整，闹钟APP从贝壳物联网平台上获取指定地点的空气质量指数（AQI），并和闹钟门限100进行比较。当空气质量指数（AQI）小于100时，播放音乐进行闹醒；当空气质量指数（AQI）大于等于100时，闹钟APP则不播放音乐进行闹醒。

5 结 语

一般情况下，空气质量指数AQI和闹钟是没有联系的，但有的情况下，需要把二者关联起来，比如晨练者希望在空气质量差的时候不要闹醒，在空气质量好的时候闹醒进行晨练。传统的先闹醒再查询空气质量指数AQI的方式，不利于晨练人员的休息，并且查询到的空气质量指数并非实时指数，也不一定是户外活动地点的信息，很可能给晨练人员错误的指示。智能闹钟系统通过激光空气质量传感器实时采集空气质量数据，单片机对其运算处理得到空气质量指数（AQI），经过网络模块把空气质量指数（AQI）传输到物联网平台进行存储，供智能终端模块进行查询使用。智能终端模块把空气质量指数（AQI）和闹钟结合起来，把空气质量指数（AQI）作为触发闹钟的条件，避免了在空气质量指数超过闹醒门限时的闹醒，并且获取的空气质量指数（AQI）是户外活动地点的实时信息，保证了信息的准确和及时性，并且在空气不好的情况下，保证了晨练人员的休息。

进一步地，基于智能闹钟系统的设计思想，可以使用雨量传感器、温度传感器、湿度传感器、气压传感器和紫外线传感器对下雨、温度、湿度、气压和紫外线等的天气情况进行实时采集，设计基于物联网的针对上述实时天气信息的提醒系统，应用于不同的场景，对于人们健康的户外活动和生活具有准确科学的指导意义。