基于物聯(lián)網(wǎng)的室內(nèi)環(huán)境感知系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王宇晴 霍佳楹 張恩萌 王成林

摘要：室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量與人體健康息息相關(guān)，因此，室內(nèi)環(huán)境溫濕度、氣體質(zhì)量檢測(cè)至關(guān)重要?，F(xiàn)有的室內(nèi)溫濕度檢測(cè)傳感器以有線信號(hào)傳輸、外部供電為主，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中應(yīng)用較多，但是，靈活性較差。在具體產(chǎn)品設(shè)計(jì)中必須考慮傳輸距離、傳輸速率、功耗、成本等因素。本項(xiàng)目基于物聯(lián)網(wǎng)傳感平臺(tái)，設(shè)計(jì)出一套室內(nèi)環(huán)境實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)，自動(dòng)感知環(huán)境參數(shù)。利用CO2傳感器、甲醛傳感器、溫濕度傳感器等實(shí)時(shí)檢測(cè)室內(nèi)環(huán)境氣體質(zhì)量，將檢測(cè)數(shù)據(jù)通過LoRa無線模塊傳送至數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，及時(shí)給出室內(nèi)環(huán)境污染對(duì)人體健康危害的報(bào)警基點(diǎn)，進(jìn)而確保人們健康的生活環(huán)境。

關(guān)鍵詞： 室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè); STM32FL053低功耗單片機(jī); LoRa無線模塊; 溫濕度傳感器; 物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號(hào)：TP274? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）22-0097-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

本文立足于解決室內(nèi)污染超標(biāo)而不被人所知，繼而危害人體健康的問題，實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)環(huán)境氣體質(zhì)量的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)檢測(cè)，根據(jù)傳感器反饋的數(shù)據(jù)，結(jié)合最高危害上限指標(biāo)要求，及時(shí)給出室內(nèi)環(huán)境污染對(duì)人體健康危害的報(bào)警基點(diǎn)，通過無線通訊技術(shù)匯總樓內(nèi)各房間的數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)庫方式集中存儲(chǔ)，并允許遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)訪問。環(huán)境感知模塊采用電池供電方案，通過低功耗設(shè)計(jì)使得單個(gè)模塊可連續(xù)工作兩年以上，便于現(xiàn)場(chǎng)安裝，并且降低后期維護(hù)成本。多個(gè)環(huán)境感知模塊通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，再通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)匯總并上傳至遠(yuǎn)程服務(wù)器。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

通過對(duì)于整體結(jié)構(gòu)的綜合考慮，物聯(lián)網(wǎng)的室內(nèi)環(huán)境感知系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)圖如圖 1 所示，整理電路圖如圖 2 所示，室內(nèi)環(huán)境感知系統(tǒng)主要由環(huán)境感知模塊、LoRa無線模塊、無線傳感網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)等構(gòu)成。多個(gè)環(huán)境感知模塊通過LoRa無線模塊傳輸?shù)綗o線傳感網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)中需要實(shí)現(xiàn)環(huán)境感知模塊上傳數(shù)據(jù)的接收、保存和處理，在匯總所有模塊數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過4G通信模塊把各個(gè)房間的數(shù)據(jù)統(tǒng)一傳送到遠(yuǎn)程云服務(wù)器中，人們就可以通過手中的手機(jī)、ipad等移動(dòng)通訊設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室內(nèi)的環(huán)境。

1.1 環(huán)境感知模塊設(shè)計(jì)

將溫度傳感器、氣體傳感器等監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)傳送到單片機(jī)中，然后將數(shù)據(jù)傳送到無線模塊中，外部電池供電，如圖 3 所示。模塊工作采用間歇式工作模式，電池供電，低功耗設(shè)計(jì)及優(yōu)化的數(shù)據(jù)通信方式，保證模塊可連續(xù)工作兩年以上，工作期間采集各種傳感器數(shù)據(jù)，并通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)上傳數(shù)據(jù)，之后模塊進(jìn)入休眠模式，且切斷外部傳感器工作電源，最大程度降低電流消耗，確保電池供電條件下盡可能地延長(zhǎng)使用時(shí)間。

1.1.1 SHT21溫濕度傳感器

SHT21是新標(biāo)準(zhǔn)的Sensirion傳感器，在大小以及功能的各個(gè)角度創(chuàng)建了新型標(biāo)準(zhǔn)，它擁有一個(gè)新型創(chuàng)造技術(shù)芯片、一個(gè)經(jīng)歷多次修改的電容式濕度傳感器元件和一個(gè)精準(zhǔn)的溫度傳感元件，每一個(gè)傳感器件都經(jīng)過嚴(yán)格的校準(zhǔn)和測(cè)試，傳感器能檢測(cè)到電池使用百分比，而且能對(duì)輸出校驗(yàn)，有助于提高通信的可行性和穩(wěn)定。行使于環(huán)境監(jiān)測(cè)的傳感器網(wǎng)絡(luò)，擁有安裝簡(jiǎn)單、成本低、長(zhǎng)期避免更換電池、節(jié)省現(xiàn)場(chǎng)人工維護(hù)成本的優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過轆集的節(jié)點(diǎn)布置，可以觀察到細(xì)微的環(huán)境變化。

1.1.2 STM32FL053 單片機(jī)模塊

STM32L053低功耗單片機(jī)，擁有高性能內(nèi)核的32位MCU，工作頻率為32M赫茲，集成了存儲(chǔ)器保護(hù)單元具有高速的儲(chǔ)存系統(tǒng)，，以及各種增強(qiáng)I/O和外設(shè)，滿足各種需求，同時(shí)低功耗的單片機(jī)能確保該系統(tǒng)工作電流小，能耗低。

1.2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

無線傳感技術(shù)采用LoRa方案，主要優(yōu)勢(shì)在于很大程度提高了接收的靈敏程度，降低了功耗;基于該技術(shù)的網(wǎng)關(guān)/集中器兼容多信號(hào)通道多數(shù)據(jù)速率的并存處理，系統(tǒng)存儲(chǔ)量大。網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)中需要實(shí)現(xiàn)環(huán)境感知模塊上傳數(shù)據(jù)的接收和保存，在匯總所有模塊數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過4G通信模塊把各個(gè)房間的數(shù)據(jù)統(tǒng)一傳送到遠(yuǎn)程云服務(wù)器中。

1.3 無線傳感網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，利用現(xiàn)有云平臺(tái)提供的基礎(chǔ)服務(wù)功能，設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、遠(yuǎn)程訪問支持等功能。軟件所在平臺(tái)首要達(dá)成數(shù)據(jù)匯總、存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)推送通知服務(wù)，如圖4所示?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)，支持移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)訪問，在線查看環(huán)境信息，可預(yù)設(shè)安全提示閾值參數(shù)，系統(tǒng)自動(dòng)提示報(bào)警信息。遠(yuǎn)程客戶端可實(shí)現(xiàn)信息的同步查看、趨勢(shì)跟蹤，便于及時(shí)了解情況。

2 結(jié)論

本文對(duì)本系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)，將物聯(lián)網(wǎng)與無限傳感技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一款移動(dòng)程序，將所需各個(gè)房間數(shù)據(jù)進(jìn)行集中化管理，對(duì)室內(nèi)環(huán)境氣體質(zhì)量智能化管理，節(jié)約人力資源成本起到一定作用，可以在各個(gè)地區(qū)各種系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，具有實(shí)用性以及應(yīng)用性。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】