基于物聯網的建筑物內空氣質量遠程監測系統

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的空氣質量狀況，設計了一款基于物聯網的空氣質量遠程監控系統，該設計是以STC89C52單片機為控制核心，結合了窄帶物聯網的超遠距離數據傳輸功能，通過傳感器對建筑物內PM2.5、PM10、TVOC等污染物含量以及溫濕度等值進行檢測，利用物聯網技術將多個節點采集到的數據進行傳輸匯總至總節點，最后利用NB-IOT上傳至云平臺，用戶可以隨時利用終端設備對建筑物內環境的各項參數進行監測。

關鍵詞：窄帶物聯網;單片機;環境監測;LoRa

引言

隨著社會的進步，人們生活水平的提高，空氣質量也大幅下降，人們長時間生活辦公的室內環境更不容樂觀，室內的空氣質量直接關乎到人體的健康，目前，市面上在售室內空氣質量檢測儀，要么不能實現超遠距離傳輸，要么大多依賴WIFI進行數據傳輸，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絡的情況下對建筑物沒空氣質量進行檢測并且把數據傳輸到移動終端上的設備，所以本文設計的建筑物內空氣質量遠程檢測系統就意義重大。

1 總體設計思想

系統采用單片機進行集中控制，結合各傳感器信號采集裝置和輸出控制裝置，并通過物聯網對各個采集節點組網實行無線收集數據傳輸，在數據的終端可以對數據儲存查詢，也可以利用手機客戶端小程序實行實時數據查詢，系統功能圖如圖1所示。

文設計了以STC89C52單片機為子節點控制核心的系統，該系統結合NB-IOT組網技術，由各個節點組建成內部局域網格，每個節點采用二氧化碳、激光粉塵、溫濕度、TVOC 及甲醛于一體的綜合型空氣質量傳感器，再通過LoRa模塊發送給樓宇總結點進行數據儲存。并利用NB-IoT模塊傳輸至終端。

2 系統功能設計

該設計將檢測環境中的二氧化碳、PM2.5、PM10、溫度、濕度、甲醇可揮發有機物等常見的影響室內空氣品質的各種參數，測量數據的無線傳輸，顯示信息等功能進行融合，實現預期的功能。傳感器采集需檢測的影響室內空氣品質的參數，經過LoRa與NB—IoT的無線傳輸將數據傳到顯示屏，用戶可通過觀看顯示屏上記錄的數據，了解室內實時空氣質量情況，從而實現在沒有WIFI網絡情況下的遠距離空氣質量檢測。

3 系統的硬件的選擇與設計

3.1 系統構成

本設計包括了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窄帶物聯網技術等。傳感器對子節點所處環境進行實質檢測，通過STC89C52單片機處理和LoRa技術進行無線傳輸，將數據送到樓宇總節點。通過NB-IoT技術無線傳輸至服務器。

3.2 單片機主控制模塊的設計

STC89C52是一種帶8K字節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據采集模塊

本設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據檢測。具有良好的可靠性和穩定性，適合用于建筑物內空氣質量智能檢測。

3.5 LORA數據傳輸模塊

LoRa作為低功耗廣域網絡（LPWAN）主流技術之一，正在賦能智慧城市中的物聯網轉型。在城市發展升級的進一步需求中，物聯網迎來了萬億級應用市場規模。據中國物聯網研究發展中心預計，2025年我國物聯網產業規模將達2萬億元。行業人士稱，LoRa正成物聯網場景應用首選技術。“LoRa是低功耗廣域網無線標準，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，實現了低功耗和遠距離的統一。”除了可控距離外，LoRa技術可大幅度降低建設成本。LoRa不需要建設基站，一個網關便可控制較多設備，并且布網方式較為靈活。同時，對比2.4G和藍牙、WIFI等技術，LoRa穩定性較高，也較為安全。LoRa模塊如圖5所示。

3.5 NB-IoT數據傳輸技術

窄帶物聯網（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）成為萬物互聯網絡的一個重要分支。NB-IoT構建于蜂窩網絡，只消耗大約180kHz的帶寬，可直接部署于GSM網絡、UMTS網絡或LTE網絡，以降低部署成本、實現平滑升級。NB-IoT是IoT領域一個新興的技術，支持低功耗設備在廣域網的蜂窩數據連接，也被叫作低功耗廣域網（LPWAN）。NB-IoT支持待機時間長、對網絡連接要求較高設備的高效連接。隨著智能城市、大數據時代的來臨，無線通信將實現萬物連接。很多企業預計未來全球物聯網連接數將是千億級的時代。已經出現了大量物與物的聯接，然而這些聯接大多通過藍牙、Wi-Fi等短距通信技術承載，但非運營商移動網絡。為了滿足不同物聯網業務需求，根據物聯網業務特征和移動通信網絡特點，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，萬物互聯是必然趨勢。蜂窩物聯網正在開啟一個前所未有的廣闊市場。

4 實際測量與數據分析

根據以上的方案論證及硬件的選擇，通過調試，認真檢查電路的焊接情況，采用分塊調試的方法對主控芯片，六合一傳感器，LoRa等模塊一一調試，整個系統設計的實物如圖7所示。采集數據如表2所示。

根據表格中十組測量數據可以看出室內有輕度的污染有機物和甲醛含量偏高，應及時通風，保證室內空氣的流通，以免對人體造成不良影響。

5 頂層系統構建及軟件流程圖

構建由樓宇總結點與服務器的數據傳輸系統，首先服務器先與NB-IOT網絡連接，判斷是否成功，連接成功后，由樓宇總結點將收集到的數據發送到服務器，最后再由服務器選擇存儲還是發布。系統軟件總體流程如圖7所示。

6結語

由于近年來空氣質量的不斷變差，空氣質量的檢測與控制產品也慢慢的走進人們的生活，本文設計的空氣質量檢測系統對市面上大多依賴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化，又采用了NBIOT窄帶物聯網技術，可以隨時隨地的進行數據的上傳，用戶也可隨時利用客戶端進行查看，本設計也有更多的發展空間，在檢測空氣質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，長春工業大學，學生，2019年吉林省大學生創新創業訓練計劃項目（項目編號：201910190086）負責人。

朱宏殷，黑龍江省大慶市人，長春工業大學，講師，研究方向為測控技術與智能系統，FPGA應用技術等。