物联网智能生态康养环境监控系统

崔志强，刘 涛，樊森霖，王 兴，董增寿

(1.太原科技大学 计算机科学与技术学院；2.太原科技大学 电子信息工程学院，山西 太原 030024)

伴随着物联网通信技术的成熟与市场需求的扩大，诸多带有“智能”属性的家居产品已走进千家万户，包括空调、空气净化器、电暖控制器等。智能家居正在改变着我们的生活，用户可以通过手机应用程序实现与家居连接及控制，但是目前智能家居传统环境检测设备集成化低，联动性低，各智能家居无法相互配合，更好地调控室内环境。环境温湿度与我们的健康密切相关，骤然变化时,可能会让人口舌干燥、感冒发烧、过敏不适，日常生活中甲醛无处不在，对于抵抗力较弱的人群，更易发生不良反应，甚至危害健康；人体死亡率和发病率的增长与颗粒物(Particulate Matter，PM)暴露也有显著性关系。人有大约90%的时间在室内度过，室内空气品质越来越受到关注，智能康养系统为人感知温湿度甲醛的细微变化，为了更好地改善人们居住环境的宜居性，基于物联网建立智能生态康养环境监控系统对我们的居住环境进行调节，它通过建立在STM32硬件平台集成传感器对负氧离子、温度、湿度、甲醛、PM2.5等数据进行监控，获取数据上传云端，对数据进行处理超过或低于最初阈值的数据通过无线Wi-Fi节点和红外线节点，对室内负氧离子发生器、水暖、电暖、加湿器、空气净化器等设备进行综合调控，来提高室内综合空气质量让生活更健康舒适，更加宜居。

1 系统总体设计

1.1 系统组成

物联网智能生态康养环境监控系统有3个基本架构，分别由感知层、传输层和应用层组成。

感知层处于系统最基层，由高精度激光颗粒物传感器、温湿度传感器、红外二氧化碳传感器、甲醛传感器等多种传感器组成，可以对室内的温度、湿度、甲醛、PM2.5、负氧离子等进行采集。

传输层基于红外和GSM网络的其工作原理为：用户通过自身的手机根据数据波动自动发出命令短消息在家值守的GSM模块接收到命令后发送给主机(单片机)，主机通过对命令的处理，把命令通过红外传输到相应的分机(单片机)上，分机对命令处理后，启动相应设备，完成用户给出的命令并向主机回复应答，主机收到应答后，通过GSM模块发出回复短消息，报告用户完成命令。若在规定的时间内(这里定时60 s)主机没有接收到分机的回复信息，即把该操作认为无效，回复操作无效短消息给用户手机，要求用户重新发出命令。若收到的短信息有误，主机便立刻回复用户该操作无效，请求重新发出命令。

应用层由多个节点构成，是系统的核心。在工作的过程中对感知层传递的信息进行分析处理，并返回具体的操作指令。且主要作为人机交互的界面，用户可以在手机对最初的阈值进行更改，可以查看各个模块的工作状态，也可以查看家里每天的空气综合质量，家里若遇突发情况也会做出预警。系统结构原理，如图1所示。

图1 系统结构原理

1.2 系统工作原理

手机向控制主板发送指令协议，判断各传感器的连接有无异常，若有问题进行反馈。无问题由手机传输指令开始对室内的空气质量进行数据采集，将采集到的数据定时更新到手机数据库中。将手机数据库收集到的信息和最初始设置的阈值经行对比，当某项数据超过或低于数据阈值时，通过Wi-Fi节点或红外线节点控制最初设定的家电进行开启，当数据归为数据阈值内控制关闭。

以PM2.5检测为例，系统通过高精度激光颗粒物传感器对家里PM2.5、PM10等问题进行检测，现行标准《室内空气质量标准》(GB/T 18883-2002)中规定的室内可吸入颗粒物(PM10)日平均最高容许浓度0.15 mg/m3，《环境空气质量标准》(GB 3095-2012)中规定的PM2.5日均浓度限值0.075 mg/m3。当室内的PM2.5、PM10浓度超过0.075 mg/m3、0.15 mg/m3时系统自动调用空气净化器进行处理当检测值归于正常后关闭空气净化器，并对本次数据在后台数据库进行记录，如图2所示。

图2 流程图

2 系统硬件设计

2.1 系统硬件总体设计

本设计采用微型电脑芯片为主控，由温度传感器，湿度传感器，甲醛传感器，PM2.5传感器，负氧离子传感器，WiFi传感模块，红外发射模块构成和电源模块组成。各传感器模块负责收集信息，利用模数转换器将模拟信号转换为数字信号传送给微型电脑芯片处理。微型电脑芯通过Wi-Fi传感模块与用户手机端相连接进行通信，便捷地看到各种室内环境的监测数据，并可以定义环境参数阈值，添加室内电器进入系统。微型电脑芯片通过红外发射模块和Wi-Fi实现对室内电器的远程控制，控制空调、电暖气、空气净化器、换气风扇、加湿器等设备。

2.2 系统传感器设计

温湿度传感器主要是对室内温湿度信息收集，温湿度是室内环境舒适度的重要衡量。高灵敏度温湿度传感器由敏感元件对室内温湿度采集，然后通过转换元件将温湿度数值转换为电量，之后再通过A/D转换成为数字量并发送至主控芯片，主控芯片通过对信息的处理，通过控制室内空调加湿器来调控室内温湿度，营造一个舒适的体感环境，同时用户可在手机上看到温湿度数据。

RS485温湿度变送器具有响应快速、通信距离远、性价比高的优点，其测温范围为：40 ℃～123.8 ℃，测湿范围为：0%RH～100%RH。

美国AD公司生产的AD590是典型的电流输出型集成温度传感器，国内同类产品有SG590，该器件的工作电压为4 V～30 V，测温范围是-50 ℃～150 ℃,AD590在温度为25 ℃(298.15 K)时，理想输出为298.15 μA。

HM1500/HM1520传感器内部包含一个由HS1101湿敏电容构成的桥式振荡器、低通滤波器和放大器，能过输出与相对湿度称线性关系的直流电压信号，输出抗阻为70 Ω，适配带ADC的单片机。能采用+5 V电源供电，工作电流典型值为0.4 mA，漏电流≤300 μA,工作温度范围是-30 ℃～60 ℃。

甲醛传感器主要对室内甲醛浓度信息收集，监测探头将收集到的信号转换为数字信号发动至主控芯片，主控芯片处理信息后，显示在用户手机软件界面，同时通过控制室内空气净化器来改善室内空气质量。RS485型甲醛传感器，采用进口探头检测灵敏度，精度在0.5 ppm以内，响应时间<35 s，功耗低，性价比高。

烟雾传感器不仅可以对室内颗粒物PM2.5和PM10进行检测，同时可以监测火灾烟雾，传感器及时地将数据传送至主控芯片，芯片发数据至用户软件界面，同时可以发出火灾预警。RS485型颗粒物传感器空气质量检测仪，采用进口芯片具有较高灵敏度，以及高密度外壳，可检测0～999 μg/m3的PM2.5,以及0～1 500 μg/m3的PM10。

红外发射模组负责发送红外信号控制传统家用电器，解决了用户家居是非智能家居的无法智能化问题，整个模块设计成本低，依靠电源模块供电，功耗低。在App界面通过编辑传统家电遥控器编码，同进行红外学习可控制各种遥控器控制的旧家电。

3 系统软件设计

图3 操作界面

该系统既要做到对环境精准的监测，又要做到便于用户操作使用，良好的人机交互界面可以便于用户操作，该系统的上位机来说，充分的考虑用户的易操作，可直观地看到室内综合空气质量，设置了监控界面、控制模块、系统检测、参数设置、用户管理、系统监测、用户管理等多个界面。用户可以通过提示对各个界面进行操作，从而实现相应的功能。监控模块由时间、环境综合质量曲线、当前各设备状态组成。在本模块用户可以通过曲线图对近一个月室内综合控制量进行查看，也可以查看负氧离子、温度、 湿度、甲醛、PM2.5的某一项。控制模块中，用户可以根据自己的要求自己更改浓度值可以选择手动模式还是自动模式，实现对室内环境的智能检测。系统监测界面可以收到各个传感器的问题反馈，便于用户及时对坏掉的传感器进行维修更换。参数设置模块可以检查设备的网络连接，设备名称，IP地址网络服务器进行设置。用户管理模块可以对各个传感器进行添加、删除、操作限制等操作界面图，如图3所示。

4 系统节点设计

本系统的基本工作原理是，根据传感器采集到的信息通过处理器处理后传出指令协议控制设备的开关，为了更好地智能化，必须要遵循统一的网络协议。本系统采用的是继电器开关控制模块，不同的节点模块串联在一条总线上为了提高节点的控制效率和时效性，本系统采用了一种节点控制方法。首先对每一个待支配节点设置时间和阈值，向当前的支配节点发送支配指令(控制当前待支配节点开启或待机)，其次要根据传感器传回的数据判断大概的工作时间，工作时间是指根据当前设备把环境参数降为阈值内所用的时间。当工作时间结束后，开始判断是否回归正常阈值。

5 通信设计

5.1 通信标准制定原则

5.1.1 兼容性。①硬件设备之间的兼容，本系统包含由温度传感器，湿度传感器，甲醛传感器，PM2.5传感器，负氧离子传感器，Wi-Fi传感模块，红外发射模块以及外部链接各种不同厂家的家居，通信协议要保证通信内容可控，控制方面灵活度高，保证增加模块或减少模块不会对系统整体产生影响。②软件方面的兼容由于家居生产商的不同导致各个设备的驱动程序和通信程序所用的技术平台也有所不同解决系统对不同品牌的家电合理调用也是一大难点。③软件和硬件之间的兼容，传感器模块和软件之间的正常通信和调用是设备正常工作的根本基础。

5.1.2 可扩展性。随着经济实力和技术发展用户可能会添加新的检测设备或不同的家居标准要支持设备在种类和数量上进行增加，不会对原有的准框架进行更改。

5.1.3 开放性。基于ISO/OSI开放式系统互联模型具有更好地开放性，有利于标准与其他标准的融合与链接。

5.1.4 安全性。要具有基本的登录验证机制以及陌生IP地址登录提醒机制只有在以确定安全的IP并在终端正确登录后，才可以获得通信路由以及对数据查看权限。

5.2 通信协议分层模型

数据通信协议分层模型参照ISO/OSI开放式系统互联七层参考模型的方式表示，物联网智能康养系统数据通信应用最多的四层做了规定，分别是物理层、数据链路层、传输层和应用层。第一层是物理层，定义智能系统数据通信的传输媒体及互联设备，例如GPRS、CDMA、Wi-Fi、3G等无线传输网络的物理层(采用已有的标准)，对应于ISO/0SI七层参考模型的物理层。第二层是数据链路层，定义智能系统数据包传输方法，采用通用的标准，例如PPP协议标准、802.11协议标准，对应于 ISO/OSI七层参考模型的数据链路层。第三层是传输层，定义智能系统数据包拆分、数据包重新组装和路由，使用TCP/IP标准，以TCP/IP作为传输层的通信承载，对应于ISO/OSI七层参考模型的传输层和网络层。第四层是应用层，定义智能系统数据包结构和会话管理，对应于ISO/OSI七层参考模型的应用层、表示层和会话层。

6 结束语

随着5G的发展和人们生活质量的提高，智能家居越来越多地出现在大众视野，为了满足人们对生活质量的需求，实现对家庭室内环境的监测与调控。本系统基于物联网传感器技术，将监测传感器集成于一个STM32硬件平台系统，通过集成传感器检测室内空气质量并对数据进行比较与处理，Wi-Fi模组和红外模组发送信号，从而实现对室内复杂环境的监测，改善室内环境宜居性。该系统为智能家居环境监测系统提出了一种解决方案。由于时间和个人能力有限，系统还存在一些不足之处，如红外模块对于室内智能家居的调控步骤还需优化。系统硬件可扩展性强，后续可以添加传感器以实现其他功能。