基于物聯(lián)網(wǎng)的空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)

建一飛 張朋

摘要：近些年，空氣污染越來越嚴(yán)重，也引發(fā)了許多呼吸疾病。所以人們也已經(jīng)開始重視空氣污染問題，家庭環(huán)境是人們一天中所處時(shí)間最長的地方，故該文設(shè)計(jì)了一種新型智能空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測技術(shù)，用戶可以隨時(shí)隨地的通過手機(jī)或者電腦端了解室內(nèi)空氣的質(zhì)量。也可以通過系統(tǒng)控制空氣凈化器、加濕器等等設(shè)備的運(yùn)行。雖然各地都有完整的空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，但是室內(nèi)空氣質(zhì)量的檢測房間相對(duì)薄弱，沒有完整成套的系統(tǒng)，該文所述系統(tǒng)在手機(jī)及PC端上的顯示界面可以實(shí)時(shí)顯示精確的當(dāng)前環(huán)境空氣狀況，方便了環(huán)境數(shù)據(jù)的收集與分析。該系統(tǒng)可用于多種小范圍室內(nèi)環(huán)境的檢測。

關(guān)鍵詞：空氣質(zhì)量檢測;智能;物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號(hào)：TP311? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）23-0189-02

我國物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展較晚，近些年才開始突飛猛進(jìn)，但是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在空氣質(zhì)量監(jiān)測上的并不多。因?yàn)榧彝タ諝赓|(zhì)量的監(jiān)測一直以來都是第三方機(jī)構(gòu)去采樣監(jiān)測，并不能實(shí)時(shí)反饋當(dāng)前空氣指數(shù)。室內(nèi)環(huán)境是人們生活、工作的主要場所。人的一生中至少有一半的時(shí)間在室內(nèi)度過，如果長時(shí)間暴露在有污染的室內(nèi)空氣環(huán)境中，污染物對(duì)人體的累積危害就更為嚴(yán)重。故需要一款能實(shí)時(shí)反饋當(dāng)前空氣指數(shù)的空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，在相對(duì)的精度范圍以內(nèi)，能夠?qū)Ξ?dāng)前所處的環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測并且反饋到用戶的手機(jī)或者PC端，方便用戶控制。而且，本系統(tǒng)也有檢測有毒有害氣體的功能，能夠感應(yīng)到有毒有害氣體，及時(shí)警報(bào)。本系統(tǒng)通過WIFI模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆品?wù)器方便用戶查詢和監(jiān)測。

1 硬件系統(tǒng)組成及其功能分析

1.1 設(shè)計(jì)思路

本設(shè)計(jì)通過SDS011傳感器、DHT11溫濕度檢測模塊、對(duì)附近空氣中PM2.5濃度值進(jìn)行采集檢測，然后利用ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片將傳感器采集輸出的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成便于處理的數(shù)字信號(hào)量，隨之把信號(hào)輸入到STM32單片機(jī)中。經(jīng)過STM32單片機(jī)對(duì)信號(hào)的分析運(yùn)算處理，得到了最終的PM2.5濃度檢測結(jié)果，最后將PM2.5濃度數(shù)值直觀地顯示在12864液晶屏上。當(dāng)系統(tǒng)檢測濃度值大于設(shè)定的濃度閾值時(shí)，由發(fā)光二極管以及蜂鳴器組成的報(bào)警模塊就會(huì)進(jìn)行報(bào)警。最后，通過反復(fù)的調(diào)試及硬件的集成，實(shí)現(xiàn)了本次設(shè)計(jì)即基于單片機(jī)的PM2.5空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)的功能要求及設(shè)計(jì)目標(biāo)。

1.2 功能分析

檢測系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖1和圖2所示。智能空氣監(jiān)測系統(tǒng)使用WIFI模塊進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，并且將多個(gè)傳感器得到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以一定的時(shí)間頻率上傳至云服務(wù)器，其工作模式如下：用戶可以通過手機(jī)或者電腦端登陸云服務(wù)器平臺(tái)查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，云服務(wù)器也會(huì)針對(duì)數(shù)據(jù)繪制數(shù)據(jù)表圖，數(shù)據(jù)會(huì)在云服務(wù)器上永久保存，并且可以通過該系統(tǒng)控制空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)或者加濕器等智能家居，當(dāng)用戶下發(fā)指令后，云服務(wù)器將指令發(fā)送給硬件監(jiān)測設(shè)備。在設(shè)備監(jiān)測到有毒有害氣體后會(huì)觸發(fā)緊急模式。此時(shí)，硬件設(shè)備將會(huì)調(diào)用其SIM卡模塊發(fā)送信息給用戶，提醒用戶存在緊急情況。

1.3 硬件設(shè)計(jì)和組成

針對(duì)前面的設(shè)計(jì)方案，此系統(tǒng)包含四個(gè)模塊：檢測模塊、電源模塊、控制模塊和通信模塊。監(jiān)測模塊使用了甲醛傳感器（MS1100）、溫/濕度傳感器（DHT11）、氣體傳感器（夏普 GP2Y1010AU）以及外圍電路，主要完成對(duì)環(huán)境空氣質(zhì)量的檢測（溫濕度、PM2.5、CO、甲醛及其他有毒氣體等）并將相關(guān)數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器?？刂颇K是以STM32為載體。主要有 STM32芯片、12864顯示屏、通信接口組成。其中STM32芯片與其他外圍電路主要完成數(shù)據(jù)收集、處理、轉(zhuǎn)發(fā)和指令發(fā)送等，用于控制其他模塊。例如在監(jiān)測到一系列數(shù)據(jù)以后，單片機(jī)會(huì)根據(jù)預(yù)先編譯的程序判斷當(dāng)前空氣質(zhì)量是否合格，并且采取措施。 顯示屏用于與顯示收集到的信息。電源模塊由 AC-DC電源、DC-DC電源和繼電器控制電路構(gòu)成。其中，AC-DC電源將220交流電轉(zhuǎn)化為 12 V直流電，DC-DC電源使用降壓電路將12V直流電壓降低為5V，繼電器控制電路完成繼電器開/關(guān)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)，用于接收控制信號(hào)后進(jìn)行相關(guān)功能的調(diào)節(jié)。通信模塊主要使用了esp8633模塊與無線路由相連。其主要功能為：（1） 接收通過無線路由傳遞來的控制信號(hào)（手機(jī)或 PC端發(fā)送）并傳遞給控制模塊的通信接口;（2） 將傳感器得到的數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器端;（3）緊急模式時(shí)調(diào)用信息發(fā)送模塊向用戶發(fā)送緊急信息。

1.4 硬件分析

終端檢測節(jié)點(diǎn)控制器采用最新的STM32F29IGT6芯片，屬于增強(qiáng)CPU，主頻72M，512K FLASH，6K SRAM，容量大，工作電壓5 V。系統(tǒng)采用了SDS011型號(hào)的 PM2.5粉塵傳感器，ZE08-CH20 型號(hào)的甲醛傳感器及DHT11型號(hào)的溫濕度傳感器。電源模塊提供5v、3.3V電壓，保障系統(tǒng)供電穩(wěn)定。傳感器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)控制器分析處理后，經(jīng)過esp8633無線模塊發(fā)送出去，實(shí)現(xiàn)與匯聚節(jié)點(diǎn)的無線數(shù)據(jù)傳輸。2PM2.5粉塵傳感器SDS011粉塵傳感器采用激光散射原理，具有分辨率高、性能穩(wěn)定等特性，最小分辨懸浮顆粒直徑為0.3μ.m，最大分辨懸浮顆粒直徑為10μm，并且響應(yīng)速度快，傳感器輸出的數(shù)據(jù)為十六進(jìn)制。工.作電壓為5 V，采用串口收發(fā)數(shù)據(jù)。DHTI1 溫濕度傳感器DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，其內(nèi)部包含1個(gè)NTC測溫元件和1個(gè)電阻式感濕元件，內(nèi)部連接著1個(gè)8位高性能單片機(jī)，使用單總線方式完成數(shù)據(jù)通信。該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高等特點(diǎn)。每個(gè) DHT1I 傳感器都在極為精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲(chǔ)存在OTP內(nèi)存中。

ZE08-CH2O 甲醛傳感器ZE08-CH2O甲醛傳感器利用電化學(xué)原理對(duì)空氣中存在的甲醛進(jìn)行探測，具有高靈敏度、高分辨率的特點(diǎn);內(nèi)部置有溫度傳感器，可對(duì)溫度進(jìn)行補(bǔ)償，與單片機(jī)進(jìn)行交互。

2 軟件系統(tǒng)分析極其測試結(jié)果

2.1 軟件控制系統(tǒng)

智能控制系統(tǒng)的軟件控制系統(tǒng)主要分為主動(dòng)控制和自主控制;主動(dòng)控制是當(dāng)接收到傳感器的數(shù)據(jù)后，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的程序采取行動(dòng)對(duì)空氣凈化器等進(jìn)行控制。自主控制為用戶在軟件端對(duì)于設(shè)備進(jìn)行自主控制。軟件端的具體作用如下：

1） 接收服務(wù)器指令后，系統(tǒng)進(jìn)行初始化，相應(yīng)模塊使用;

2） 判斷空氣凈化器的臭氧開關(guān)是否開啟。如果開啟，機(jī)器自動(dòng)進(jìn)入臭氧開啟狀態(tài)并做倒計(jì)時(shí)處理，時(shí)間結(jié)束后自動(dòng)關(guān)機(jī)（時(shí)間可由用戶自己設(shè)定）;

3） 根據(jù)指令，進(jìn)行模式識(shí)別（手動(dòng)或自動(dòng)）。模式識(shí)別后，進(jìn)行相應(yīng)的功能指令的處理（檢測當(dāng)前環(huán)境、選擇凈化模式）;

4） 處理后，將實(shí)時(shí)的監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器或觸摸屏進(jìn)行顯示。為了方便檢測系統(tǒng)的手工操作，設(shè)計(jì)了專門的觸摸屏界面.整個(gè)界面分為顯示區(qū)域、控制鍵區(qū)域和指示區(qū)域三部分。顯示當(dāng)前環(huán)境中PM2.5、甲醛、溫度與濕度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

2.2 測試結(jié)果

智能空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)將設(shè)備、手機(jī)與電腦通過無線路由與服務(wù)器相連接。通過 PC端和手機(jī)功能軟件與服務(wù)器通信，并獲取服務(wù)器發(fā)送來的數(shù)據(jù)。PC端功能軟件與服務(wù)器顯示了 PC端軟件設(shè)定的定時(shí)時(shí)間以及由服務(wù)器發(fā)送來的空氣檢測系統(tǒng)發(fā)送的溫度、濕度、甲醛濃度與 PM2.5數(shù)值。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種智能室內(nèi)空氣監(jiān)測系統(tǒng)基于物聯(lián)平臺(tái)快速搭建開發(fā)環(huán)境采用精度較高的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集用戶可以通過軟件隨時(shí)了解家庭室內(nèi)空氣狀況從而更好地關(guān)注身體健康提高生活質(zhì)量。系統(tǒng)開發(fā)成本低用戶使用方便測量影響空氣質(zhì)量的參數(shù)范圍較多可擴(kuò)展性強(qiáng)適合廣泛推廣經(jīng)測試該系統(tǒng)穩(wěn)定性高與市面流行的空氣監(jiān)測系統(tǒng)相比數(shù)據(jù)誤差在可允許范圍內(nèi)，并且該系統(tǒng)也可運(yùn)用在健身房、養(yǎng)生館等一系列小型室內(nèi)場所。下一步的研究方向是在該平臺(tái)下加入其他空氣質(zhì)量傳感器提高室內(nèi)空氣監(jiān)測的氣體種類，提高精度和速度。

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