基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

陳亮 杜罡 呂劍櫻 楊潔

摘?要：隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（Internet?of?Things，IoT）和云計算等技術(shù)的發(fā)展，智能家居系統(tǒng)正在逐步興起，環(huán)境監(jiān)測可以說是不可或缺的一部分，為方便用戶實時監(jiān)測室內(nèi)的環(huán)境質(zhì)量，實現(xiàn)在線環(huán)境監(jiān)測從而達(dá)成遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制，設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)以ESP32-WROOM-32作為系統(tǒng)的中央處理器，以DHT11溫濕度傳感器、DS18B20溫度傳感器、GY-302?BH1750光強(qiáng)傳感器模塊、MQ-135氣體傳感器、MQ-6氣體傳感器等構(gòu)成該系統(tǒng)數(shù)據(jù)收集節(jié)點，并將采集到的環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)信號傳遞給ESP32，ESP32將數(shù)據(jù)上傳到云服務(wù)器。并使用App?Inventor完成上位機(jī)軟件的設(shè)計，連接云服務(wù)器，最終在手機(jī)App端呈現(xiàn)數(shù)據(jù)，用戶可以通過手機(jī)端實時查看室內(nèi)的環(huán)境狀態(tài)信息，并且可以通過手機(jī)App來控制室內(nèi)臺燈的開關(guān)。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)?環(huán)境監(jiān)測?無線通信?傳感器

中圖分類號：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

經(jīng)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，人們的一天有超過3/4的時間身處室內(nèi)，而建筑中超過1/3的有害氣體是人們無法察覺的[1]。近年來，隨著Wi-Fi、藍(lán)牙、ZigBee等無線通信技術(shù)的興起，各種各樣的環(huán)境監(jiān)測工具層出不窮[2]?；诖?，本文設(shè)計了一個適用于家居使用的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要可以通過DHT11溫濕度傳感器、DS18B20溫度傳感器、GY-302?BH1750光強(qiáng)傳感器模塊、MQ-135氣體傳感器、MQ-6氣體傳感器監(jiān)測室內(nèi)溫度、濕度、光照強(qiáng)度、可燃?xì)怏w濃度、有害氣體濃度等指標(biāo)，然后使用OLED顯示屏模塊顯示儀器采集到的數(shù)值，并且能夠?qū)⒖刂铺幚韱卧占降臄?shù)據(jù)上傳至云端，在手機(jī)App上顯示這些指標(biāo)具體的數(shù)值，當(dāng)這些指標(biāo)超出正常的范圍時，蜂鳴器會發(fā)出報警，實現(xiàn)了方便地查看環(huán)境數(shù)據(jù)的環(huán)境監(jiān)測功能，為人們的健康生活帶來極大的便利。

1?環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)組成及原理分析

系統(tǒng)總體框架如圖1所示，該系統(tǒng)以ESP32-WROOM-32物聯(lián)網(wǎng)模塊作為中央控制單元，模塊通過通用的輸入和輸出接口接收來自外圍檢測模塊收集到的數(shù)據(jù)，外圍檢測模塊主要由DHT11溫濕度傳感器、DS18B20溫度傳感器、GY-302?BH1750光強(qiáng)檢測模塊、MQ-6可燃?xì)怏w傳感器和MQ-135空氣質(zhì)量傳感器等構(gòu)成，并且使用Arduino?IDE?工具對ESP32單片機(jī)進(jìn)行開發(fā)，可以使ESP32?單片機(jī)通過內(nèi)部集成的2.4GHz?Wi-Fi?功能接入云端網(wǎng)絡(luò)。本設(shè)計基于巴法云提供的服務(wù)器，在巴法云云端建立了一個“ESP32”的主題，ESP32單片機(jī)可以通過Wi-Fi訂閱該主題，這便可以將ESP32接收到的數(shù)據(jù)通過Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)上傳至云端的該主題上，并通過MIT?App?Inventor開發(fā)了一款手機(jī)App，這款A(yù)pp同樣通過TCP長連接訂閱了巴法云云端上的主題，這樣ESP32和手機(jī)App便可以通過訂閱發(fā)布的方式互相通信。同時，當(dāng)外圍檢測模塊檢測到的數(shù)值超出正常的范圍時，該儀器會自動觸發(fā)蜂鳴器報警，用戶也可以使用手機(jī)App來關(guān)閉蜂鳴器警報。

2環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)計

本文設(shè)計的硬件部分主要分為核心處理模塊、外圍檢測電路模塊、報警電路、電源電路、繼電器模塊五個部分，其中核心處理模塊使用的是ESP32-WROOM-32?物聯(lián)網(wǎng)模塊，外圍檢測模塊分別使用了DHT11溫濕度傳感器、MQ系列的氣體傳感器模塊、GY-302?光敏傳感器模塊以及DS18B20溫度傳感器模塊，報警電路是三極管驅(qū)動有源蜂鳴器電路，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框架如圖2所示。

2.1?核心處理模塊

該模塊的核心芯片為ESP32-D0WDQ6，采用的是兩個哈佛結(jié)構(gòu)?Xtensa?LX6?CPU構(gòu)成的雙核32位MCU，具有512?kB的外設(shè)地址空間和19704?kB的片外存儲器地址空間、由41個外設(shè)模塊和13個具有DMA功能的模塊，也內(nèi)置了兩個12位的SAR?ADC，可測量來自18個管腳的模擬信號，同時也支持基于SPI和I2C協(xié)議的串口通信[3]，足以滿足該設(shè)計的需求。

2.2?氣體傳感器模塊

MQ系列氣體傳感器的敏感材料一般是活性很高的金屬氧化物半導(dǎo)體，當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在污染氣體時，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中污染氣體濃度的增加而增大，使用簡單的電路即可將電導(dǎo)率變化的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為該氣體濃度對應(yīng)的輸出信號[4]。本設(shè)計使用的MQ-135空氣質(zhì)量傳感器對有害氣體有著較高的靈敏度，MQ-6液化氣體傳感器對于丁烷和CO等可燃?xì)廨^為敏感，可以用來有效檢測室內(nèi)的空氣質(zhì)量和可燃?xì)獾男孤肚闆r。

2.3?溫濕度傳感器模塊

DHT11傳感器可以同時監(jiān)測溫度和濕度，而且已經(jīng)校準(zhǔn)過數(shù)字輸出信號，可以直接輸出數(shù)字信號[5]，同時其價格便宜，靈敏度高，能夠檢測溫濕度范圍分別是20%～90%?RH和0～50?℃，測試溫度的誤差為±2?℃，濕度的誤差為±5%，能夠勝任大部分室內(nèi)環(huán)境檢測的使用要求。

2.4?DS18B20溫度傳感器

DS18B20是一款工業(yè)上常用的溫度傳感器，能夠監(jiān)測的溫度范圍為-55?～+125?℃，測量精度為±0.5℃，可以工作在3.3～5?V的電壓范圍內(nèi)，同時也是一種單總線數(shù)字溫度傳感器[6]。在使用DS18B20時我們需要將DQ端經(jīng)上拉電阻接VCC，才能使得器件正常工作，為了方便，本設(shè)計使用了模塊以減少電路的復(fù)雜程度，模塊內(nèi)置上拉電阻，且板載電源指示燈。

2.5?GY-302?BH1750光強(qiáng)傳感器

本系統(tǒng)使用的光強(qiáng)檢測模塊是GY-302數(shù)字光強(qiáng)度模塊，該模塊使用的芯片是BH1750?FVI芯片，可用3～5?V的電源為該模塊供電，內(nèi)置16bit?A/D轉(zhuǎn)換器，可以直接數(shù)字輸出進(jìn)而省略復(fù)雜的計算和標(biāo)定，也不區(qū)分環(huán)境光源，有著和視覺靈敏度相近的分光特性，光譜范圍和人眼相近[7]。

3?環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1?系統(tǒng)界面設(shè)計

本設(shè)計的App的界面是通過MIT?App?Inventor進(jìn)行開發(fā)的，它是一款谷歌公司開發(fā)的手機(jī)編程軟件，這款A(yù)pp開發(fā)軟件操作起來十分便捷，可以讓用戶通過拖拽組件和積木式的代碼來創(chuàng)建安卓應(yīng)用，無須學(xué)習(xí)復(fù)雜的原生編程開發(fā)知識，本文設(shè)計的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的App界面如圖3所示，在系統(tǒng)正常工作的情況下，用戶可以使用該款A(yù)pp來接收ESP32發(fā)布的環(huán)境參數(shù)信息，這款A(yù)pp可以顯示室內(nèi)的實時溫度、實時濕度、光照強(qiáng)度、空氣質(zhì)量和可燃?xì)怏w濃度，同時也會顯示警報的狀態(tài)。

3.2?環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)運行與調(diào)試

打開環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的電源，觀測到電源指示燈發(fā)光，系統(tǒng)成功運行，將整個裝置置于不同環(huán)境狀態(tài)下，觀察手機(jī)端顯示的環(huán)境參數(shù)的變化情況。

環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的ESP32物聯(lián)網(wǎng)模塊通過TCP長連接接入巴法云物聯(lián)網(wǎng)平臺，只需要在巴法云控制臺創(chuàng)建一個主題，然后配置ESP32連接Wi-Fi，并訂閱該主題，這時當(dāng)ESP32向該主題推送消息時，便可以在控制臺面板查看消息，當(dāng)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)正常運行后，可以在巴法云服務(wù)器上看到系統(tǒng)發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)。

在手機(jī)App上實時顯示巴法云服務(wù)器推送來的環(huán)境參數(shù)的信息，并通過App進(jìn)行燈光控制，觀察燈光的變化是否符合預(yù)期。

經(jīng)過多次測試，該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對室內(nèi)溫度、濕度、光照強(qiáng)度、空氣質(zhì)量、可燃?xì)怏w濃度等的檢測，且能夠?qū)z測的數(shù)據(jù)發(fā)送到手機(jī)App端并顯示，也可以通過手機(jī)App來控制LED燈的亮和滅等功能，綜合表明該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)最初所設(shè)想的功能。

4?結(jié)語

本文設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，該設(shè)計以ESP32物聯(lián)網(wǎng)模塊為核心，巴法云服務(wù)器為依托，通過Wi-Fi技術(shù)和云服務(wù)器實現(xiàn)了室內(nèi)環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)測。經(jīng)過多次測試，可以明確本設(shè)計的方案正確、可行，可以實現(xiàn)本裝置的基本功能，經(jīng)過實際測試，整個系統(tǒng)比較準(zhǔn)確地測量出當(dāng)前區(qū)域的環(huán)境參數(shù)，并且根據(jù)用戶自主設(shè)置，進(jìn)行提示報警；整個系統(tǒng)工作穩(wěn)定，用戶能夠?qū)崟r了解所處區(qū)域的環(huán)境質(zhì)量狀況，更好地利用手機(jī)App及時獲取信息。

參考文獻(xiàn)

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