基于物聯網的室內環境控制系統

王璽然 劉雪莉 高圣偉

摘要：隨著環境問題的日益突出，人們越來越重視室內空氣的質量，對新風系統提出了更高的要求。本文設計的基于物聯網的室內環境控制系統可實現：通過機械通風換氣，自主送風和引風，以純物理方式提高室內空氣品質；對室外空氣可進行除塵、凈化、增氧等處理，使室內環境時刻保持舒適；利用基于STM32嵌入式傳感的物聯網系統，進行實時室內環境參數監測，采用ONENET云平臺技術進行控制，便于管理和拓展。該系統對提高新風系統的實用性、加速家居系統的智能化水平提供了有益的思路。

關鍵詞：物聯網；智能凈化；模塊化分層設計；環境參數監測

1.引言

隨著工業發展和現代化進程的推進，全球空氣日益嚴重，室內空氣的污染不但嚴重影響了人們的日常生活而且危害了人類的身體健康。因此為了保證身體的健康和良好的身體環境，出現了各種室內凈化器。目前，凈化器包括機械過濾吸附式，靜電式，負離子式，紫外光式，他們大多操作繁瑣，而且成本較高[1-2]。隨著人們健康意識增強和生活質量的提高，效果更好的新風系統開始逐漸走入千家萬戶。據奧維云網（AVC）數據統計顯示，截止到2015年12月，全國新風系統產值規模約為45億元，同比2014年增長29%[3-5]。隨著新風系統的逐步普及，這些問題越來越受到人們的關注。本文設計的基于物聯網的室內環境控制系統，以新風機為基礎，利用多種傳感器采集數據，智能對新風機進行轉速的調節，使風機工作效率大大提高，對室內有害氣體的吸附過濾效果顯著；并把室內污濁的空氣經過濾后排出室外，室內外空氣均得到一定程度凈化，又達到節能減排的目的。最后通過Wifi模塊將所采集數據上傳到ONENET云平臺，以便更好的檢測與分析，更有助于對環境的全局監測，不僅能實現環境預警，還有助于利用大數據分析找到污染源。

2.方案設計

2.1總體系統設計

系統的總體設計方案如圖1所示，本系統采用分層控制的方式，通過傳感器采集新風機出入口溫濕度，出入口PM2.5變化和出入口與大氣的壓差等數據，將采集到的數據從傳感器層上傳到控制板層，再通過主控制板CPU對數據進行分析，由控制系統通過傳感器的檢測結果，來調節新風機的運行與停止，利用PID算法控制風機的速度隨著污染氣體的濃度的變化而變化，并利用濾網對流入流出的空氣進行凈化以減少PM2.5含量，同時將數據采用ESP8266無線模塊從控制板層上傳到ONENET層，將室內空氣的數據和溫度、壓強的數據進行上傳、顯示，可以隨時隨地在手機、電腦上查看最新監測數據，具有強大的時效性和高度的實用性，從而達到準確控制室內空氣的流入和排出，有效減少有害氣體的排放，保持室內空氣質量完美以及室內溫度、風壓穩定的效果。這種控制方式還可以在每一層都對數據進行判斷處理，獲得需要的數據或更改不符合要求的數據，有很強的靈活性。

2.2控制系統設計

本方案的控制系統設計主要分為傳感器模塊、風機模塊和云平臺模塊。其特點就是不論是硬件還是軟件的設計都采用了模塊化設計。模塊化設計在設計時更加簡潔明了，思路清晰。因為各模塊獨立設計，所以在設計出現故障時更容易查找和維修，大大降低了維修成本。

2.2.1 硬件設計

選用AM2302作為溫濕度傳感器，溫濕度傳感器要實現室內溫濕度的測量，溫度范圍-40度到80度，測量精度為0.01度，濕度范圍0%到99.9%，測量精度為 0.1%。5V電壓供電，采用單總線傳輸數字信號。該傳感器體積小、功耗低，是一款已校準的數字化溫濕度復合傳感器。它具有極高的可靠性與卓越的長期穩定性。因此具有品質卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等優點。

甲醛傳感器要實現室內甲醛濃度的測量，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，可測量PM2.5，PM1，PM10，是一種基于激光散射原理的數字式通用顆粒物濃度傳感器，可連續采集并計算單位體積內空氣中不同粒徑的懸浮顆粒物個數，即顆粒物濃度分布，進而換算成為質量濃度，并以通用數字接口形式輸出。

風壓傳感器為定制傳感器，風壓傳感器的壓力直接作用在傳感器的膜片上，使膜片產生與介質壓力成正比的微位移，使傳感器的電阻發生變化，用電子線路檢測這一變化，并轉換輸出一個對應于這個壓力的標準信號。輸出電流4-20mA，量程范圍0-30pa，12V到24V供電。采用AD轉換把電流信號變成數字信號。

2.2.2軟件設計

在控制算法優化設計方面，傳統方法使用模糊神經網絡控制算法，算法存在非線性失真的缺陷。針對傳統方法出現的弊端，本文提出一種基于PID優化控制的風機轉動速度調節優化算法——增量式PID算法，以提高風機轉速調節的控制性能。

常規模擬控制系統原理框圖如圖4所示。控制系統由模擬控制器和被控對象組成，控制器包含了比例、積分和微分三個環節。

PID控制器是一種線性控制器，它根據給定值Rin（t）與實際輸出值Yout（t）構成控制偏差。

（1）

增量式PID是指數字控制器的輸出只是控制量的增量 。采用增量式算法時，計算機輸出的控制量 對應的是本次執行機構位置的增量，才能完成對被控對象的控制操作。執行機構的累積功能可以采用硬件的方法實現；也可以采用軟件來實現。采用增量式算法時，計算機輸出的控制增量?u（k）對應的是本次執行機構位置例如閥門開度的增量。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，所以誤動作時影響小，而且較容易通過加權處理獲得比較好的控制效果。本系統采用該種控制算法，以提高風機轉動速度調節輸出控制性能。

增量式PID控制算式如式（2）所示，

（2）

式中，

進一步可以改寫成：

（3）

式中，

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

確定比例增益 時，首先去掉PID的積分項和微分項，一般是令 =0、 =0，使PID為純比例調節。輸入設定為系統允許的最大值的60%～70%，由0逐漸加大比例增益 ，直至系統出現振蕩；再反過來，從此時的比例增益P逐漸減小，直至系統振蕩消失，記錄此時的比例增益 ，設定PID的比例增益 為當前值的60%～70%。

比例增益 確定后，設定一個較大的積分時間常數 的初值，然后逐漸減小 ，直至系統出現振蕩，之后在反過來，逐漸加大 ，直至系統振蕩消失。記錄此時的 ，設定PID的積分時間常數 為當前值的150%～180%。

微分時間常數 一般不用設定，為0即可。若要設定，與確定 和 的方法相同，取不振蕩時的30%。本系統 取為0。

系統空載、帶載聯調，再對PID參數進行微調，直至滿足要求。

2.3 云平臺模塊設計

目前國內幾款新型的物聯網平臺有阿里云、Q 物聯、Onenet等[6]。其中 Onenet 物聯網平臺，是一款完全面向物聯網的智能平臺，該平臺提供了硬件設備的接入協議，以及通過http協議對平臺數據庫進行操作的接口，既有完善的面向物聯網的協議標準，又給開發者一定的自由度，是一款理想的物聯網接入平臺。因此本設計選擇 Onenet 作為監控系統的云平臺。

其中，STM32 程序主要實現循環讀取溫濕度數據，將數據上傳 Onenet 服務器，同時監聽上層隨時發送的控制命令做出動作。其中數據上傳與控制命令數據包的解析嚴格按照 Onenet 終端接入協議——EDP協議進行執行。

因此本系統選用 EDP協議，在滿足“物物聯網”的基礎上，不僅能實現更新傳感器數據、發送和接收控制命令等功能，而且能有效縮短開發周期。因此不論是設備控制效率還是設備運行負荷，選擇EDP協議都有優勢。

3.系統測試與分析

3.1整體環境控制系統平臺

本文采用一個模擬的室內環境作為測試場景。基于物聯網技術，結合傳感器控制、PID算法、Onenet技術設計出能夠通過互聯網對家居室內環境進行遠程監控的物聯網系統。測試整體監控系統平臺如圖6所示。

3.2系統節能性能分析

該系統通過傳感器對室內空氣質量的檢測，并將監測數據傳送至主控芯片進行處理和分析，由分析結果，采用PID算法智能控制風機開啟與停止以及風機的轉速。相對比傳統人工控制，可達到節約電能的目的。分析如圖7所示。

3.3系統過濾效果測試

新風過濾效果主要由室內空氣的細顆粒物濃度來評判，主要通過PM2.5的指標來評價系統對新風的過濾效果。根據試驗房間PM2.5濃度量的測試，每隔1h測試一次室內外PM2.5濃度共進行了6次測試，具體測試數據如表1所示。系統對PM2.5的過濾率在70%左右，表明系統能對空氣中的細顆粒物起到一定的過濾效果。

3.4系統數據上傳Onenet平臺測試

圖8所示為控制系統上位機界面，將室內環境中的污染氣體濃度進行顯示，并且把系統實時檢測到的數據進行分析，將傳感器所采集到的數據成功上傳于云端，讓室內空氣質量在上位機界面上顯示并且繪制出變化曲線。

4.結論

在智能家居快速發展的大背景下，本文設計的基于物聯網的室內環境控制系統，通過模塊化的設計，不僅保留了傳統新風系統的功能，而且具有以下優勢：

（1）建立的風機自動控制系統，節能效果明顯；補充新風的過程中不僅保持對空氣的溫濕度，氣壓等參數的動平衡，還可同時實現空氣的冷熱交換，更加舒適；

（2）采用物聯網架構，并可以按照功能需求，對整個系統進行分塊設計、同步開發，系統結構更加簡潔

（3）采用云平臺系統，并且減少線路連接，便于拓展管理，對底層監測管理節點可以實現即插即用，管理更加方便。

這些特點提高了新風系統的實用性，滿足了人們對家居系統節能、智能的需求，具有較好的實際意義。

參考文獻：

[1]劉玉峰，徐永清.房間氣流組織對污染物空間分布的影響[J]. 山東科技大學學報， 2014

[2]鄭為鍵，智能溫室控制系統的研制[J]，節水灌溉，2015，4.24-25

[3]龍惟定.室內氣候[M].上海科學技術出版社，1009- 6825（ 2014） 05-0192-03.

[4]謝東坡. 室內環境監測與舒適度評價系統研究[D] .重慶：重慶理工大學，2009.

[5]王凱，原婷婷.影響室內環境檢測的相關因素與控制[J].城市建設理論研究，1674-5566（2013）05-0831-10.

[6]齊云鶴，陳志武，佐文品. 基于嵌入式思想的新型準集散式環境控制系統[J]，計算機控制，2016，21卷2期80-82