基于物联网技术的室内环境监测系统

陈亮 杜罡 吕剑樱 杨洁

摘 要：随着物联网技术（Internet of Things，IoT）和云计算等技术的发展，智能家居系统正在逐步兴起，环境监测可以说是不可或缺的一部分，为方便用户实时监测室内的环境质量，实现在线环境监测从而达成远程监测与控制，设计了一种基于物联网技术的室内环境监测系统，该系统以ESP32-WROOM-32作为系统的中央处理器，以DHT11温湿度传感器、DS18B20温度传感器、GY-302 BH1750光强传感器模块、MQ-135气体传感器、MQ-6气体传感器等构成该系统数据收集节点，并将采集到的环境参数的数据信号传递给ESP32，ESP32将数据上传到云服务器。并使用App Inventor完成上位机软件的设计，连接云服务器，最终在手机App端呈现数据，用户可以通过手机端实时查看室内的环境状态信息，并且可以通过手机App来控制室内台灯的开关。

关键词：物联网 环境监测 无线通信 传感器

中图分类号：X830.2

The Indoor Environment Monitoring System Based on the Internet of Things

CHEN Liang  DU Gang LYU Jianying  YANG Jie

（Tospo Lighting Co.， Ltd.， Hengdian Group， Dongyang， Zhejiang Province， 322118 China）

Abstract： With the development of technologies such as the Internet of Things （IoT） and cloud computing， the smart home system is gradually emerging， and environmental monitoring is arguably an integral part in this process. In order to facilitate users to monitor indoor environmental quality in real time and realize online environmental monitoring to achieve remote monitoring and control， this paper designs an indoor environment monitoring system based on the Internet of Things. The system uses ESP32-WROOM-32 as its central processor， uses the DHT 11 temperature and humidity sensor， the DS18B20 temperature sensor， the GY-302 BH1750 light intensity sensor module， the MQ-135 gas sensor and the MQ-6 gas sensor to constitute its data collection node， and transmits the collected data signal of environmental parameters to ESP32 which uploads the data to the cloud server. And， it uses App Inventor to complete the design of upper computer software， connects it to the cloud server， and finally presents the data on the mobile App. Users can view indoor environment status information in real time through the mobile side， and control the switch of the indoor desk lamp through the mobile App.

Key Words：Internet of Things; Environmental monitoring; Radio communication;  Sensor

经调查数据显示，人们的一天有超过3/4的时间身处室内，而建筑中超过1/3的有害气体是人们无法察觉的[1]。近年来，随着Wi-Fi、蓝牙、ZigBee等无线通信技术的兴起，各种各样的环境监测工具层出不穷[2]。基于此，本文设计了一个适用于家居使用的环境监测系统，该系统主要可以通过DHT11温湿度传感器、DS18B20温度传感器、GY-302 BH1750光强传感器模块、MQ-135气体传感器、MQ-6气体传感器监测室内温度、湿度、光照强度、可燃气体浓度、有害气体浓度等指标，然后使用OLED显示屏模块显示仪器采集到的数值，并且能够将控制处理单元收集到的数据上传至云端，在手机App上显示这些指标具体的数值，当这些指标超出正常的范围时，蜂鸣器会发出报警，实现了方便地查看环境数据的环境监测功能，为人们的健康生活带来极大的便利。

1 环境监测系统组成及原理分析

系统总体框架如图1所示，该系统以ESP32-WROOM-32物联网模块作为中央控制单元，模块通过通用的输入和输出接口接收来自外围检测模块收集到的数据，外围检测模块主要由DHT11温湿度传感器、DS18B20温度传感器、GY-302 BH1750光强检测模块、MQ-6可燃气体传感器和MQ-135空气质量传感器等构成，并且使用Arduino IDE 工具对ESP32单片机进行开发，可以使ESP32 单片机通过内部集成的2.4GHz Wi-Fi 功能接入云端网络。本设计基于巴法云提供的服务器，在巴法云云端建立了一个“ESP32”的主题，ESP32单片机可以通过Wi-Fi订阅该主题，这便可以将ESP32接收到的数据通过Wi-Fi网络上传至云端的该主题上，并通过MIT App Inventor开发了一款手机App，这款App同样通过TCP长连接订阅了巴法云云端上的主题，这样ESP32和手机App便可以通过订阅发布的方式互相通信。同时，当外围检测模块检测到的数值超出正常的范围时，该仪器会自动触发蜂鸣器报警，用户也可以使用手机App来关闭蜂鸣器警报。

2环境监测系统的硬件设计

本文设计的硬件部分主要分为核心处理模块、外围检测电路模块、报警电路、电源电路、继电器模块五个部分，其中核心处理模块使用的是ESP32-WROOM-32 物联网模块，外围检测模块分别使用了DHT11温湿度传感器、MQ系列的气体传感器模块、GY-302 光敏传感器模块以及DS18B20温度传感器模块，报警电路是三极管驱动有源蜂鸣器电路，系统硬件结构框架如图2所示。

2.1 核心处理模块

该模块的核心芯片为ESP32-D0WDQ6，采用的是两个哈佛结构 Xtensa LX6 CPU构成的双核32位MCU，具有512 kB的外设地址空间和19704 kB的片外存储器地址空间、由41个外设模块和13个具有DMA功能的模块，也内置了两个12位的SAR ADC，可测量来自18个管脚的模拟信号，同时也支持基于SPI和I2C协议的串口通信[3]，足以满足该设计的需求。

2.2 气体传感器模块

MQ系列气体传感器的敏感材料一般是活性很高的金属氧化物半导体，当传感器所处环境中存在污染气体时，传感器的电导率随空气中污染气体浓度的增加而增大，使用简单的电路即可将电导率变化的数据转换为该气体浓度对应的输出信号[4]。本设计使用的MQ-135空气质量传感器对有害气体有着较高的灵敏度，MQ-6液化气体传感器对于丁烷和CO等可燃气较为敏感，可以用来有效检测室内的空气质量和可燃气的泄露情况。

2.3 温湿度传感器模块

DHT11传感器可以同时监测温度和湿度，而且已经校准过数字输出信号，可以直接输出数字信号[5]，同时其价格便宜，灵敏度高，能够检测温湿度范围分别是20%～90% RH和0～50 ℃，测试温度的误差为±2 ℃，湿度的误差为±5%，能够胜任大部分室内环境检测的使用要求。

2.4 DS18B20温度传感器

DS18B20是一款工业上常用的温度传感器，能够监测的温度范围为-55 ～+125 ℃，测量精度为±0.5℃，可以工作在3.3～5 V的电压范围内，同时也是一种单总线数字温度传感器[6]。在使用DS18B20时我们需要将DQ端经上拉电阻接VCC，才能使得器件正常工作，为了方便，本设计使用了模块以减少电路的复杂程度，模块内置上拉电阻，且板载电源指示灯。

2.5 GY-302 BH1750光强传感器

本系统使用的光强检测模块是GY-302数字光强度模块，该模块使用的芯片是BH1750 FVI芯片，可用3～5 V的电源为该模块供电，内置16bit A/D转换器，可以直接数字输出进而省略复杂的计算和标定，也不区分环境光源，有着和视觉灵敏度相近的分光特性，光谱范围和人眼相近[7]。

3 环境监测系统的软件设计

3.1 系统界面设计

本设计的App的界面是通过MIT App Inventor进行开发的，它是一款谷歌公司开发的手机编程软件，这款App开发软件操作起来十分便捷，可以让用户通过拖拽组件和积木式的代码来创建安卓应用，无须学习复杂的原生编程开发知识，本文设计的环境监测系统的App界面如图3所示，在系统正常工作的情况下，用户可以使用该款App来接收ESP32发布的环境参数信息，这款App可以显示室内的实时温度、实时湿度、光照强度、空气质量和可燃气体浓度，同时也会显示警报的状态。

3.2 环境监测系统运行与调试

打开环境监测系统的电源，观测到电源指示灯发光，系统成功运行，将整个装置置于不同环境状态下，观察手机端显示的环境参数的变化情况。

环境监测系统中的ESP32物联网模块通过TCP长连接接入巴法云物联网平台，只需要在巴法云控制台创建一个主题，然后配置ESP32连接Wi-Fi，并订阅该主题，这时当ESP32向该主题推送消息时，便可以在控制台面板查看消息，当环境监测系统正常运行后，可以在巴法云服务器上看到系统发送和接收的数据。

在手机App上实时显示巴法云服务器推送来的环境参数的信息，并通过App进行灯光控制，观察灯光的变化是否符合预期。

经过多次测试，该装置能够实现对室内温度、湿度、光照强度、空气质量、可燃气体浓度等的检测，且能够将检测的数据发送到手机App端并显示，也可以通过手机App来控制LED灯的亮和灭等功能，综合表明该装置能够实现最初所设想的功能。

4 结语

本文设计了基于物联网技术的环境监测系统，该设计以ESP32物联网模块为核心，巴法云服务器为依托，通过Wi-Fi技术和云服务器实现了室内环境的远程监测。经过多次测试，可以明确本设计的方案正确、可行，可以实现本装置的基本功能，经过实际测试，整个系统比较准确地测量出当前区域的环境参数，并且根据用户自主设置，进行提示报警；整个系统工作稳定，用户能够实时了解所处区域的环境质量状况，更好地利用手机App及时获取信息。

参考文献

[1] 王强.新时期我国室内环境检测的发展现状与思考[J].绿色环保建材，2020（3）：62-63.

[2] 卜家梅.开展室内环境监测的重要性和必要性[J].科技创业家，2012（24）：230.

[3] 陈栋.室内环境参数监测仪的研究与设计[D].成都：西南交通大学，2014.

[4] 周东梅，王振国.基于51系列单片机的无线环境监测仪的设计与制作[J].自动化与仪器仪表，2011（2）：56-58.

[5] 王春武，陆欣月，张信芝，等.基于ESP8266的智能云环境监控系统[J].吉林师范大学学报（自然科学 版），2021，42（4）：74-79.

[6] 何国东，匡正，李立明.基于WIFI环境的便携式环境监测仪设计[J].教育教学论坛，2019（2）：269-270.

[7] 王征宇.基于多传感器的室内环境监测系统的设计[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2017.