基于物聯(lián)網(wǎng)的建筑物內(nèi)空氣質(zhì)量遠程監(jiān)測系統(tǒng)

劉鑫　許振宇　吳晗嘩　吳云飛　蔡家林　劉昀　朱宏殷

摘 ?要：為了隨時檢測建筑物內(nèi)的空氣質(zhì)量狀況，設(shè)計了一款基于物聯(lián)網(wǎng)的空氣質(zhì)量遠程監(jiān)控系統(tǒng)，該設(shè)計是以STC89C52單片機為控制核心，結(jié)合了窄帶物聯(lián)網(wǎng)的超遠距離數(shù)據(jù)傳輸功能，通過傳感器對建筑物內(nèi)PM2.5、PM10、TVOC等污染物含量以及溫濕度等值進行檢測，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將多個節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)進行傳輸匯總至總節(jié)點，最后利用NB-IOT上傳至云平臺，用戶可以隨時利用終端設(shè)備對建筑物內(nèi)環(huán)境的各項參數(shù)進行監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：窄帶物聯(lián)網(wǎng);單片機;環(huán)境監(jiān)測;LoRa

引言

隨著社會的進步，人們生活水平的提高，空氣質(zhì)量也大幅下降，人們長時間生活辦公的室內(nèi)環(huán)境更不容樂觀，室內(nèi)的空氣質(zhì)量直接關(guān)乎到人體的健康，目前，市面上在售室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測儀，要么不能實現(xiàn)超遠距離傳輸，要么大多依賴WIFI進行數(shù)據(jù)傳輸，這就大大限制了其使用空間，市面上缺少一種可以在沒有網(wǎng)絡(luò)的情況下對建筑物沒空氣質(zhì)量進行檢測并且把數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭苿咏K端上的設(shè)備，所以本文設(shè)計的建筑物內(nèi)空氣質(zhì)量遠程檢測系統(tǒng)就意義重大。

1 總體設(shè)計思想

系統(tǒng)采用單片機進行集中控制，結(jié)合各傳感器信號采集裝置和輸出控制裝置，并通過物聯(lián)網(wǎng)對各個采集節(jié)點組網(wǎng)實行無線收集數(shù)據(jù)傳輸，在數(shù)據(jù)的終端可以對數(shù)據(jù)儲存查詢，也可以利用手機客戶端小程序?qū)嵭袑崟r數(shù)據(jù)查詢，系統(tǒng)功能圖如圖1所示。

文設(shè)計了以STC89C52單片機為子節(jié)點控制核心的系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合NB-IOT組網(wǎng)技術(shù)，由各個節(jié)點組建成內(nèi)部局域網(wǎng)格，每個節(jié)點采用二氧化碳、激光粉塵、溫濕度、TVOC 及甲醛于一體的綜合型空氣質(zhì)量傳感器，再通過LoRa模塊發(fā)送給樓宇總結(jié)點進行數(shù)據(jù)儲存。并利用NB-IoT模塊傳輸至終端。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計

該設(shè)計將檢測環(huán)境中的二氧化碳、PM2.5、PM10、溫度、濕度、甲醇可揮發(fā)有機物等常見的影響室內(nèi)空氣品質(zhì)的各種參數(shù)，測量數(shù)據(jù)的無線傳輸，顯示信息等功能進行融合，實現(xiàn)預(yù)期的功能。傳感器采集需檢測的影響室內(nèi)空氣品質(zhì)的參數(shù)，經(jīng)過LoRa與NB—IoT的無線傳輸將數(shù)據(jù)傳到顯示屏，用戶可通過觀看顯示屏上記錄的數(shù)據(jù)，了解室內(nèi)實時空氣質(zhì)量情況，從而實現(xiàn)在沒有WIFI網(wǎng)絡(luò)情況下的遠距離空氣質(zhì)量檢測。

3 系統(tǒng)的硬件的選擇與設(shè)計

3.1 系統(tǒng)構(gòu)成

本設(shè)計包括了STC89C52單片機、六合一傳感器模塊_RS485、電源模塊、顯示模塊、LoRa模塊、NB-IoT窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等。傳感器對子節(jié)點所處環(huán)境進行實質(zhì)檢測，通過STC89C52單片機處理和LoRa技術(shù)進行無線傳輸，將數(shù)據(jù)送到樓宇總節(jié)點。通過NB-IoT技術(shù)無線傳輸至服務(wù)器。

3.2 單片機主控制模塊的設(shè)計

STC89C52是一種帶8K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM-Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能COMOS8的微處理器，STC89C52最小系統(tǒng)原理圖如圖2。

3.3 LCD12864液晶顯示模塊電路

帶中文字庫的LCD12864是一種具有4位/ 8位并行、2線或3 線串行多種接口方式，其顯示分辨率為128×64。內(nèi)置8192個16*16 點漢字，和128 個16*8 點ASCII 字符 集。液晶LCD12864顯示模塊電路圖如圖3所示。

3.4六合一傳感器數(shù)據(jù)采集模塊

本設(shè)計選用六合一傳感器模塊，如圖4所示。該傳感器相比于其他傳感器，性價比更高，應(yīng)用范圍更廣，集多種功能于一身。可同時對多種污染物進行實時數(shù)據(jù)檢測。具有良好的可靠性和穩(wěn)定性，適合用于建筑物內(nèi)空氣質(zhì)量智能檢測。

3.5 LORA數(shù)據(jù)傳輸模塊

LoRa作為低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)（LPWAN）主流技術(shù)之一，正在賦能智慧城市中的物聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)型。在城市發(fā)展升級的進一步需求中，物聯(lián)網(wǎng)迎來了萬億級應(yīng)用市場規(guī)模。據(jù)中國物聯(lián)網(wǎng)研究發(fā)展中心預(yù)計，2025年我國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)規(guī)模將達2萬億元。行業(yè)人士稱，LoRa正成物聯(lián)網(wǎng)場景應(yīng)用首選技術(shù)。“LoRa是低功耗廣域網(wǎng)無線標(biāo)準(zhǔn)，最大特點就是在同樣的功耗條件下比其他無線方式傳播的距離擴大3-5倍，實現(xiàn)了低功耗和遠距離的統(tǒng)一。”除了可控距離外，LoRa技術(shù)可大幅度降低建設(shè)成本。LoRa不需要建設(shè)基站，一個網(wǎng)關(guān)便可控制較多設(shè)備，并且布網(wǎng)方式較為靈活。同時，對比2.4G和藍牙、WIFI等技術(shù)，LoRa穩(wěn)定性較高，也較為安全。LoRa模塊如圖5所示。

3.5 NB-IoT數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）成為萬物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個重要分支。NB-IoT構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，只消耗大約180kHz的帶寬，可直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)，以降低部署成本、實現(xiàn)平滑升級。NB-IoT是IoT領(lǐng)域一個新興的技術(shù)，支持低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接，也被叫作低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）。NB-IoT支持待機時間長、對網(wǎng)絡(luò)連接要求較高設(shè)備的高效連接。隨著智能城市、大數(shù)據(jù)時代的來臨，無線通信將實現(xiàn)萬物連接。很多企業(yè)預(yù)計未來全球物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)將是千億級的時代。已經(jīng)出現(xiàn)了大量物與物的聯(lián)接，然而這些聯(lián)接大多通過藍牙、Wi-Fi等短距通信技術(shù)承載，但非運營商移動網(wǎng)絡(luò)。為了滿足不同物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需求，根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)特征和移動通信網(wǎng)絡(luò)特點，移動通信正在從人和人的連接，向人與物以及物與物的連接邁進，萬物互聯(lián)是必然趨勢。蜂窩物聯(lián)網(wǎng)正在開啟一個前所未有的廣闊市場。

4 實際測量與數(shù)據(jù)分析

根據(jù)以上的方案論證及硬件的選擇，通過調(diào)試，認(rèn)真檢查電路的焊接情況，采用分塊調(diào)試的方法對主控芯片，六合一傳感器，LoRa等模塊一一調(diào)試，整個系統(tǒng)設(shè)計的實物如圖7所示。采集數(shù)據(jù)如表2所示。

根據(jù)表格中十組測量數(shù)據(jù)可以看出室內(nèi)有輕度的污染有機物和甲醛含量偏高，應(yīng)及時通風(fēng)，保證室內(nèi)空氣的流通，以免對人體造成不良影響。

5 頂層系統(tǒng)構(gòu)建及軟件流程圖

構(gòu)建由樓宇總結(jié)點與服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，首先服務(wù)器先與NB-IOT網(wǎng)絡(luò)連接，判斷是否成功，連接成功后，由樓宇總結(jié)點將收集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器，最后再由服務(wù)器選擇存儲還是發(fā)布。系統(tǒng)軟件總體流程如圖7所示。

6結(jié)語

由于近年來空氣質(zhì)量的不斷變差，空氣質(zhì)量的檢測與控制產(chǎn)品也慢慢的走進人們的生活，本文設(shè)計的空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)對市面上大多依賴WIFI和不能進行超遠距離傳輸，功耗等方面進行了全方面的優(yōu)化，又采用了NBIOT窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以隨時隨地的進行數(shù)據(jù)的上傳，用戶也可隨時利用客戶端進行查看，本設(shè)計也有更多的發(fā)展空間，在檢測空氣質(zhì)量的同時也大大提高了智能家居的利用率。

參考文獻

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作者簡介：劉鑫，吉林省長春市人，長春工業(yè)大學(xué)，學(xué)生，2019年吉林省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（項目編號：201910190086）負(fù)責(zé)人。

朱宏殷，黑龍江省大慶市人，長春工業(yè)大學(xué)，講師，研究方向為測控技術(shù)與智能系統(tǒng)，F(xiàn)PGA應(yīng)用技術(shù)等。