室內(nèi)環(huán)境智能控制系統(tǒng)設計

?？诮?jīng)濟學院 程思寧 史舜文

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設計室內(nèi)環(huán)境智能控制系統(tǒng)，能夠及時的監(jiān)測室內(nèi)的各項環(huán)境參數(shù)，當被檢測氣體濃度超過標準值時，能智能控制室內(nèi)的各種電器設備，提高空氣質(zhì)量，滿足人們對舒適度的要求。利用溫濕度傳感器、PM2.5傳感器、CO傳感器采集數(shù)據(jù)，通過ESP-8266 Wi-Fi MCU將數(shù)據(jù)輸出到顯示屏，并且上傳數(shù)據(jù)到云端，供手機APP查看控制。

近年來，由于我國經(jīng)濟水平的提高，人民生活水平也得到了很大程度的改善，同時，隨著5G、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)的飛速發(fā)展，以及中國國家消費結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型升級，智能家居已展現(xiàn)出強大的生命力，進入了快速發(fā)展的道路。為其營造舒適的家居環(huán)境，環(huán)境控制類設備在智能家居場景中至關(guān)重要。因此，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設計室內(nèi)環(huán)境智能控制系統(tǒng)，對改善和控制室內(nèi)環(huán)境有著明顯的推動作用和深遠影響。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

如圖1所示，室內(nèi)環(huán)境智能控制系統(tǒng)由前端檢測傳感器、ESP-8266Wi-Fi MCU、末端控制裝置、受控電器組成。前端檢測傳感器包括：PM2.5傳感器、溫濕度傳感器、甲醛傳感器、CO傳感器；檢測到相應數(shù)據(jù)可以通過ESP-8266Wi-Fi MCU把數(shù)據(jù)在顯示屏上進行顯示，或者在手機APP上顯示，通過紅外遙控器手動或通過云端進行聯(lián)動，調(diào)節(jié)末端控制部分包括空調(diào)、加濕器等，實現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境的舒適與穩(wěn)定。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 主控芯片

ESP8266是一款高性能無線SOC，集成了業(yè)界領(lǐng)先的TensilicL106超低功耗32位微MCU，具有16位縮減模式，主頻支持80MHz和160MHz，支持RTOS，集成了Wi-FiMAC/BB/RF/PA/LNA，板載天線。

ESP8266采用多種固件編程，可快速實現(xiàn)設備M2M接入、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、遠程控制、OTA升級、第三方接口等功能服務。該固件支持SoC解決方案和二次開發(fā)，大大降低了開發(fā)成本，縮短了開發(fā)周期。

2.2 前端傳感器設計

2.2.1 溫濕度檢測電路設計

溫濕度傳感器主要實現(xiàn)采集室內(nèi)環(huán)境溫濕度，可以設定閾值，當?shù)陀诜秶鷷r可以控制空調(diào)工作。選擇的是DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，已校準數(shù)字信號輸出。傳感器由NTC測溫元件和一個電阻式感濕元件組成，并連接一個高性能8位單片機相。因此該產(chǎn)品具有超快響應、抗干擾能力強、品質(zhì)卓越、性價比高等優(yōu)點。電路連接如圖2所示。

圖2 溫濕度檢測電路

2.2.2 PM2.5檢測電路設計

GP2Y1014AU粉塵傳感器是夏普開發(fā)的一款光學灰塵監(jiān)測傳感器模塊，里面由紅外發(fā)光二極管、光電晶體管構(gòu)成。工作過程是紅外發(fā)光二極管定向發(fā)送紅外線，當空氣有微粒存在阻礙紅外時，紅外線發(fā)生漫反射，這時光電晶體管即接收到紅外線，使得信號輸出端電壓發(fā)生變化。灰塵濃度每變化0.1mg/m3，輸出電壓變化0.5V。需要連接1個150Ω的電阻和1個220uF的電容，具體位置如圖3所示。

圖3 PM2.5檢測電路

2.2.3 氣體檢測電路設計

室內(nèi)CO含量過高，很可能引起中毒，可選擇MQ-7傳感器。MQ-7氣體傳感器所使用的氣敏材料是二氧化錫(SnO2)，在清潔空氣中它的電導率較低。采用高低溫循環(huán)檢測的方式，低溫（1.5V加熱）檢測CO，當空氣中CO氣體濃度增加，傳感器的電導率隨而增大，高溫（5.0V加熱）清洗低溫時吸附的雜散氣體?？蓪㈦妼实淖兓?，轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應的輸出信號。驅(qū)動電路簡單，成本低，對CO有良好的靈敏度。

室內(nèi)裝修采用各種材料，造成室內(nèi)環(huán)境甲醛濃度過高的情況，長期居住會影響身體健康。因此，需要測量甲醛濃度保持正常范圍。選用PMS5003S傳感器，UART接口，直接輸出甲醛濃度參數(shù)。

當檢測到CO、甲醛氣體超過范圍時，進行凈化器的啟動，凈化空氣，保障室內(nèi)安全。

2.3 顯示電路

顯示屏選擇0.96in IIC四針OLED顯示屏，基于OLED屏幕自身特性，非常省電，適合用來做智能家居，降低功耗。VCC：3.3-5V；GND：接地；SCL：串行時鐘；SDA：串行數(shù)據(jù)。電路連接及數(shù)據(jù)顯示如圖4所示。

圖4 顯示電路圖5OLED屏幕顯示效果

2.4 末端控制設計

2.4.1 紅外遙控設計

使用TL1838采集遙控器各種信號并解調(diào)出遙控器發(fā)射出的原始編碼后，將遙控器各按鍵對應編碼寫入程序中。設備傳感器監(jiān)測環(huán)境數(shù)值，當測量數(shù)據(jù)到達設定閾值后，程序根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)選擇相應遙控編碼，由芯片I/O口發(fā)射二進制脈沖信號控制電器進行對應動作。電路連接如圖5所示。

圖5 紅外遙控電路

2.4.2 無線通信設計

選用WiFi通信，替代了傳統(tǒng)的藍牙、ZigBee等通信方式，實現(xiàn)遠程控制。設備擁有兩種遠程控制方式如圖6所示。當設備和手機在同一個局域網(wǎng)中，手機和設備選擇局域網(wǎng)進行通信當手機和設備不在同一局域網(wǎng)環(huán)境下，設備選擇使用MQTT協(xié)議遠程連接云端服務器，云端服務器連接手機進行通訊。在傳輸一些涉及安全設備指令和敏感數(shù)據(jù)時，可選擇使用SSL安全傳輸協(xié)議進行加密通信，保證用戶的居家安全。設備遠程通訊框圖如圖6所示。

圖6 設備遠程通訊框圖

3 系統(tǒng)軟件設計

前端檢測傳感器的軟件設計主要包括各類傳感器通過串口或者進行模數(shù)轉(zhuǎn)換進行數(shù)據(jù)的獲取，軟件流程如圖7所示。并可以通過手機顯示相應的測試數(shù)據(jù)。如圖8所示。

圖7 傳感器的軟件流程圖

圖8 手機顯示數(shù)據(jù)圖

本文設計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的室內(nèi)環(huán)境控制系統(tǒng)，可以通過傳感器對房間內(nèi)的各種環(huán)境參數(shù)進行采集并在OLED顯示屏上及時的顯示，同時，可以通過末端的控制裝置來對電器進行相應的控制工作，此外，用戶也可以通過自己的智能手機進行控制電器，有效的保證了室內(nèi)環(huán)境的安全與舒適。