基于物聯(lián)網(wǎng)的室內(nèi)環(huán)境控制系統(tǒng)

王璽然 劉雪莉 高圣偉

摘要：隨著環(huán)境問(wèn)題的日益突出，人們?cè)絹?lái)越重視室內(nèi)空氣的質(zhì)量，對(duì)新風(fēng)系統(tǒng)提出了更高的要求。本文設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)的室內(nèi)環(huán)境控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)：通過(guò)機(jī)械通風(fēng)換氣，自主送風(fēng)和引風(fēng)，以純物理方式提高室內(nèi)空氣品質(zhì)；對(duì)室外空氣可進(jìn)行除塵、凈化、增氧等處理，使室內(nèi)環(huán)境時(shí)刻保持舒適；利用基于STM32嵌入式傳感的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)時(shí)室內(nèi)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)，采用ONENET云平臺(tái)技術(shù)進(jìn)行控制，便于管理和拓展。該系統(tǒng)對(duì)提高新風(fēng)系統(tǒng)的實(shí)用性、加速家居系統(tǒng)的智能化水平提供了有益的思路。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；智能凈化；模塊化分層設(shè)計(jì)；環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)

1.引言

隨著工業(yè)發(fā)展和現(xiàn)代化進(jìn)程的推進(jìn)，全球空氣日益嚴(yán)重，室內(nèi)空氣的污染不但嚴(yán)重影響了人們的日常生活而且危害了人類(lèi)的身體健康。因此為了保證身體的健康和良好的身體環(huán)境，出現(xiàn)了各種室內(nèi)凈化器。目前，凈化器包括機(jī)械過(guò)濾吸附式，靜電式，負(fù)離子式，紫外光式，他們大多操作繁瑣，而且成本較高[1-2]。隨著人們健康意識(shí)增強(qiáng)和生活質(zhì)量的提高，效果更好的新風(fēng)系統(tǒng)開(kāi)始逐漸走入千家萬(wàn)戶。據(jù)奧維云網(wǎng)（AVC）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，截止到2015年12月，全國(guó)新風(fēng)系統(tǒng)產(chǎn)值規(guī)模約為45億元，同比2014年增長(zhǎng)29%[3-5]。隨著新風(fēng)系統(tǒng)的逐步普及，這些問(wèn)題越來(lái)越受到人們的關(guān)注。本文設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)的室內(nèi)環(huán)境控制系統(tǒng)，以新風(fēng)機(jī)為基礎(chǔ)，利用多種傳感器采集數(shù)據(jù)，智能對(duì)新風(fēng)機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，使風(fēng)機(jī)工作效率大大提高，對(duì)室內(nèi)有害氣體的吸附過(guò)濾效果顯著；并把室內(nèi)污濁的空氣經(jīng)過(guò)濾后排出室外，室內(nèi)外空氣均得到一定程度凈化，又達(dá)到節(jié)能減排的目的。最后通過(guò)Wifi模塊將所采集數(shù)據(jù)上傳到ONENET云平臺(tái)，以便更好的檢測(cè)與分析，更有助于對(duì)環(huán)境的全局監(jiān)測(cè)，不僅能實(shí)現(xiàn)環(huán)境預(yù)警，還有助于利用大數(shù)據(jù)分析找到污染源。

2.方案設(shè)計(jì)

2.1總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示，本系統(tǒng)采用分層控制的方式，通過(guò)傳感器采集新風(fēng)機(jī)出入口溫濕度，出入口PM2.5變化和出入口與大氣的壓差等數(shù)據(jù)，將采集到的數(shù)據(jù)從傳感器層上傳到控制板層，再通過(guò)主控制板CPU對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，由控制系統(tǒng)通過(guò)傳感器的檢測(cè)結(jié)果，來(lái)調(diào)節(jié)新風(fēng)機(jī)的運(yùn)行與停止，利用PID算法控制風(fēng)機(jī)的速度隨著污染氣體的濃度的變化而變化，并利用濾網(wǎng)對(duì)流入流出的空氣進(jìn)行凈化以減少PM2.5含量，同時(shí)將數(shù)據(jù)采用ESP8266無(wú)線模塊從控制板層上傳到ONENET層，將室內(nèi)空氣的數(shù)據(jù)和溫度、壓強(qiáng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳、顯示，可以隨時(shí)隨地在手機(jī)、電腦上查看最新監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，具有強(qiáng)大的時(shí)效性和高度的實(shí)用性，從而達(dá)到準(zhǔn)確控制室內(nèi)空氣的流入和排出，有效減少有害氣體的排放，保持室內(nèi)空氣質(zhì)量完美以及室內(nèi)溫度、風(fēng)壓穩(wěn)定的效果。這種控制方式還可以在每一層都對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷處理，獲得需要的數(shù)據(jù)或更改不符合要求的數(shù)據(jù)，有很強(qiáng)的靈活性。

2.2控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本方案的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要分為傳感器模塊、風(fēng)機(jī)模塊和云平臺(tái)模塊。其特點(diǎn)就是不論是硬件還是軟件的設(shè)計(jì)都采用了模塊化設(shè)計(jì)。模塊化設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)時(shí)更加簡(jiǎn)潔明了，思路清晰。因?yàn)楦髂K獨(dú)立設(shè)計(jì)，所以在設(shè)計(jì)出現(xiàn)故障時(shí)更容易查找和維修，大大降低了維修成本。

2.2.1 硬件設(shè)計(jì)

選用AM2302作為溫濕度傳感器，溫濕度傳感器要實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫濕度的測(cè)量，溫度范圍-40度到80度，測(cè)量精度為0.01度，濕度范圍0%到99.9%，測(cè)量精度為 0.1%。5V電壓供電，采用單總線傳輸數(shù)字信號(hào)。該傳感器體積小、功耗低，是一款已校準(zhǔn)的數(shù)字化溫濕度復(fù)合傳感器。它具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。因此具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。

甲醛傳感器要實(shí)現(xiàn)室內(nèi)甲醛濃度的測(cè)量，且需要較高的精度，因此選用攀藤PMS3003作為PM2.5傳感器，5V供電，可測(cè)量PM2.5，PM1，PM10，是一種基于激光散射原理的數(shù)字式通用顆粒物濃度傳感器，可連續(xù)采集并計(jì)算單位體積內(nèi)空氣中不同粒徑的懸浮顆粒物個(gè)數(shù)，即顆粒物濃度分布，進(jìn)而換算成為質(zhì)量濃度，并以通用數(shù)字接口形式輸出。

風(fēng)壓傳感器為定制傳感器，風(fēng)壓傳感器的壓力直接作用在傳感器的膜片上，使膜片產(chǎn)生與介質(zhì)壓力成正比的微位移，使傳感器的電阻發(fā)生變化，用電子線路檢測(cè)這一變化，并轉(zhuǎn)換輸出一個(gè)對(duì)應(yīng)于這個(gè)壓力的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。輸出電流4-20mA，量程范圍0-30pa，12V到24V供電。采用AD轉(zhuǎn)換把電流信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)。

2.2.2軟件設(shè)計(jì)

在控制算法優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，傳統(tǒng)方法使用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法，算法存在非線性失真的缺陷。針對(duì)傳統(tǒng)方法出現(xiàn)的弊端，本文提出一種基于PID優(yōu)化控制的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度調(diào)節(jié)優(yōu)化算法——增量式PID算法，以提高風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的控制性能。

常規(guī)模擬控制系統(tǒng)原理框圖如圖4所示?？刂葡到y(tǒng)由模擬控制器和被控對(duì)象組成，控制器包含了比例、積分和微分三個(gè)環(huán)節(jié)。

PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值Rin（t）與實(shí)際輸出值Yout（t）構(gòu)成控制偏差。

（1）

增量式PID是指數(shù)字控制器的輸出只是控制量的增量 。采用增量式算法時(shí)，計(jì)算機(jī)輸出的控制量 對(duì)應(yīng)的是本次執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的增量，才能完成對(duì)被控對(duì)象的控制操作。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的累積功能可以采用硬件的方法實(shí)現(xiàn)；也可以采用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。采用增量式算法時(shí)，計(jì)算機(jī)輸出的控制增量?u（k）對(duì)應(yīng)的是本次執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置例如閥門(mén)開(kāi)度的增量。由于控制算法中不需要累加，控制增量?u（k）僅與最近次的采樣有關(guān)，所以誤動(dòng)作時(shí)影響小，而且較容易通過(guò)加權(quán)處理獲得比較好的控制效果。本系統(tǒng)采用該種控制算法，以提高風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度調(diào)節(jié)輸出控制性能。

增量式PID控制算式如式（2）所示，

（2）

式中，

進(jìn)一步可以改寫(xiě)成：

（3）

式中，

一般計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的采樣周期T在選定后就不再改變，所以，一旦確定了 、 、 ，只要使用前后3次測(cè)量的偏差值即可由式（3）求出控制增量。

確定比例增益 時(shí)，首先去掉PID的積分項(xiàng)和微分項(xiàng)，一般是令 =0、 =0，使PID為純比例調(diào)節(jié)。輸入設(shè)定為系統(tǒng)允許的最大值的60%～70%，由0逐漸加大比例增益 ，直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩；再反過(guò)來(lái)，從此時(shí)的比例增益P逐漸減小，直至系統(tǒng)振蕩消失，記錄此時(shí)的比例增益 ，設(shè)定PID的比例增益 為當(dāng)前值的60%～70%。

比例增益 確定后，設(shè)定一個(gè)較大的積分時(shí)間常數(shù) 的初值，然后逐漸減小 ，直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，之后在反過(guò)來(lái)，逐漸加大 ，直至系統(tǒng)振蕩消失。記錄此時(shí)的 ，設(shè)定PID的積分時(shí)間常數(shù) 為當(dāng)前值的150%～180%。

微分時(shí)間常數(shù) 一般不用設(shè)定，為0即可。若要設(shè)定，與確定 和 的方法相同，取不振蕩時(shí)的30%。本系統(tǒng) 取為0。

系統(tǒng)空載、帶載聯(lián)調(diào)，再對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，直至滿足要求。

2.3 云平臺(tái)模塊設(shè)計(jì)

目前國(guó)內(nèi)幾款新型的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)有阿里云、Q 物聯(lián)、Onenet等[6]。其中 Onenet 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，是一款完全面向物聯(lián)網(wǎng)的智能平臺(tái)，該平臺(tái)提供了硬件設(shè)備的接入?yún)f(xié)議，以及通過(guò)http協(xié)議對(duì)平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行操作的接口，既有完善的面向物聯(lián)網(wǎng)的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，又給開(kāi)發(fā)者一定的自由度，是一款理想的物聯(lián)網(wǎng)接入平臺(tái)。因此本設(shè)計(jì)選擇 Onenet 作為監(jiān)控系統(tǒng)的云平臺(tái)。

其中，STM32 程序主要實(shí)現(xiàn)循環(huán)讀取溫濕度數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)上傳 Onenet 服務(wù)器，同時(shí)監(jiān)聽(tīng)上層隨時(shí)發(fā)送的控制命令做出動(dòng)作。其中數(shù)據(jù)上傳與控制命令數(shù)據(jù)包的解析嚴(yán)格按照 Onenet 終端接入?yún)f(xié)議——EDP協(xié)議進(jìn)行執(zhí)行。

因此本系統(tǒng)選用 EDP協(xié)議，在滿足“物物聯(lián)網(wǎng)”的基礎(chǔ)上，不僅能實(shí)現(xiàn)更新傳感器數(shù)據(jù)、發(fā)送和接收控制命令等功能，而且能有效縮短開(kāi)發(fā)周期。因此不論是設(shè)備控制效率還是設(shè)備運(yùn)行負(fù)荷，選擇EDP協(xié)議都有優(yōu)勢(shì)。

3.系統(tǒng)測(cè)試與分析

3.1整體環(huán)境控制系統(tǒng)平臺(tái)

本文采用一個(gè)模擬的室內(nèi)環(huán)境作為測(cè)試場(chǎng)景?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合傳感器控制、PID算法、Onenet技術(shù)設(shè)計(jì)出能夠通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)對(duì)家居室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。測(cè)試整體監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)如圖6所示。

3.2系統(tǒng)節(jié)能性能分析

該系統(tǒng)通過(guò)傳感器對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量的檢測(cè)，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳送至主控芯片進(jìn)行處理和分析，由分析結(jié)果，采用PID算法智能控制風(fēng)機(jī)開(kāi)啟與停止以及風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。相對(duì)比傳統(tǒng)人工控制，可達(dá)到節(jié)約電能的目的。分析如圖7所示。

3.3系統(tǒng)過(guò)濾效果測(cè)試

新風(fēng)過(guò)濾效果主要由室內(nèi)空氣的細(xì)顆粒物濃度來(lái)評(píng)判，主要通過(guò)PM2.5的指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)系統(tǒng)對(duì)新風(fēng)的過(guò)濾效果。根據(jù)試驗(yàn)房間PM2.5濃度量的測(cè)試，每隔1h測(cè)試一次室內(nèi)外PM2.5濃度共進(jìn)行了6次測(cè)試，具體測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。系統(tǒng)對(duì)PM2.5的過(guò)濾率在70%左右，表明系統(tǒng)能對(duì)空氣中的細(xì)顆粒物起到一定的過(guò)濾效果。

3.4系統(tǒng)數(shù)據(jù)上傳Onenet平臺(tái)測(cè)試

圖8所示為控制系統(tǒng)上位機(jī)界面，將室內(nèi)環(huán)境中的污染氣體濃度進(jìn)行顯示，并且把系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將傳感器所采集到的數(shù)據(jù)成功上傳于云端，讓室內(nèi)空氣質(zhì)量在上位機(jī)界面上顯示并且繪制出變化曲線。

4.結(jié)論

在智能家居快速發(fā)展的大背景下，本文設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)的室內(nèi)環(huán)境控制系統(tǒng)，通過(guò)模塊化的設(shè)計(jì)，不僅保留了傳統(tǒng)新風(fēng)系統(tǒng)的功能，而且具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）建立的風(fēng)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)，節(jié)能效果明顯；補(bǔ)充新風(fēng)的過(guò)程中不僅保持對(duì)空氣的溫濕度，氣壓等參數(shù)的動(dòng)平衡，還可同時(shí)實(shí)現(xiàn)空氣的冷熱交換，更加舒適；

（2）采用物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，并可以按照功能需求，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行分塊設(shè)計(jì)、同步開(kāi)發(fā)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)潔

（3）采用云平臺(tái)系統(tǒng)，并且減少線路連接，便于拓展管理，對(duì)底層監(jiān)測(cè)管理節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)即插即用，管理更加方便。

這些特點(diǎn)提高了新風(fēng)系統(tǒng)的實(shí)用性，滿足了人們對(duì)家居系統(tǒng)節(jié)能、智能的需求，具有較好的實(shí)際意義。

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