基于物聯網的空氣質量檢測系統

建一飛 張朋

摘要：近些年，空氣污染越來越嚴重，也引發了許多呼吸疾病。所以人們也已經開始重視空氣污染問題，家庭環境是人們一天中所處時間最長的地方，故該文設計了一種新型智能空氣質量檢測系統。該系統采用了物聯網監測技術，用戶可以隨時隨地的通過手機或者電腦端了解室內空氣的質量。也可以通過系統控制空氣凈化器、加濕器等等設備的運行。雖然各地都有完整的空氣質量監測系統，但是室內空氣質量的檢測房間相對薄弱，沒有完整成套的系統，該文所述系統在手機及PC端上的顯示界面可以實時顯示精確的當前環境空氣狀況，方便了環境數據的收集與分析。該系統可用于多種小范圍室內環境的檢測。

關鍵詞：空氣質量檢測;智能;物聯網

中圖分類號：TP311? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）23-0189-02

我國物聯網技術發展較晚，近些年才開始突飛猛進，但是物聯網技術應用在空氣質量監測上的并不多。因為家庭空氣質量的監測一直以來都是第三方機構去采樣監測，并不能實時反饋當前空氣指數。室內環境是人們生活、工作的主要場所。人的一生中至少有一半的時間在室內度過，如果長時間暴露在有污染的室內空氣環境中，污染物對人體的累積危害就更為嚴重。故需要一款能實時反饋當前空氣指數的空氣質量監測系統，在相對的精度范圍以內，能夠對當前所處的環境進行實時監測并且反饋到用戶的手機或者PC端，方便用戶控制。而且，本系統也有檢測有毒有害氣體的功能，能夠感應到有毒有害氣體，及時警報。本系統通過WIFI模塊將數據傳輸到云服務器方便用戶查詢和監測。

1 硬件系統組成及其功能分析

1.1 設計思路

本設計通過SDS011傳感器、DHT11溫濕度檢測模塊、對附近空氣中PM2.5濃度值進行采集檢測，然后利用ADC0832模數轉換芯片將傳感器采集輸出的模擬電壓信號轉換成便于處理的數字信號量，隨之把信號輸入到STM32單片機中。經過STM32單片機對信號的分析運算處理，得到了最終的PM2.5濃度檢測結果，最后將PM2.5濃度數值直觀地顯示在12864液晶屏上。當系統檢測濃度值大于設定的濃度閾值時，由發光二極管以及蜂鳴器組成的報警模塊就會進行報警。最后，通過反復的調試及硬件的集成，實現了本次設計即基于單片機的PM2.5空氣質量檢測系統的功能要求及設計目標。

1.2 功能分析

檢測系統的總體設計如圖1和圖2所示。智能空氣監測系統使用WIFI模塊進行聯網，并且將多個傳感器得到的實時數據以一定的時間頻率上傳至云服務器，其工作模式如下：用戶可以通過手機或者電腦端登陸云服務器平臺查看實時數據，云服務器也會針對數據繪制數據表圖，數據會在云服務器上永久保存，并且可以通過該系統控制空氣質量監測系統或者加濕器等智能家居，當用戶下發指令后，云服務器將指令發送給硬件監測設備。在設備監測到有毒有害氣體后會觸發緊急模式。此時，硬件設備將會調用其SIM卡模塊發送信息給用戶，提醒用戶存在緊急情況。

1.3 硬件設計和組成

針對前面的設計方案，此系統包含四個模塊：檢測模塊、電源模塊、控制模塊和通信模塊。監測模塊使用了甲醛傳感器（MS1100）、溫/濕度傳感器（DHT11）、氣體傳感器（夏普 GP2Y1010AU）以及外圍電路，主要完成對環境空氣質量的檢測（溫濕度、PM2.5、CO、甲醛及其他有毒氣體等）并將相關數據上傳至云服務器。控制模塊是以STM32為載體。主要有 STM32芯片、12864顯示屏、通信接口組成。其中STM32芯片與其他外圍電路主要完成數據收集、處理、轉發和指令發送等，用于控制其他模塊。例如在監測到一系列數據以后，單片機會根據預先編譯的程序判斷當前空氣質量是否合格，并且采取措施。 顯示屏用于與顯示收集到的信息。電源模塊由 AC-DC電源、DC-DC電源和繼電器控制電路構成。其中，AC-DC電源將220交流電轉化為 12 V直流電，DC-DC電源使用降壓電路將12V直流電壓降低為5V，繼電器控制電路完成繼電器開/關和電機驅動，用于接收控制信號后進行相關功能的調節。通信模塊主要使用了esp8633模塊與無線路由相連。其主要功能為：（1） 接收通過無線路由傳遞來的控制信號（手機或 PC端發送）并傳遞給控制模塊的通信接口;（2） 將傳感器得到的數據上傳至服務器端;（3）緊急模式時調用信息發送模塊向用戶發送緊急信息。

1.4 硬件分析

終端檢測節點控制器采用最新的STM32F29IGT6芯片，屬于增強CPU，主頻72M，512K FLASH，6K SRAM，容量大，工作電壓5 V。系統采用了SDS011型號的 PM2.5粉塵傳感器，ZE08-CH20 型號的甲醛傳感器及DHT11型號的溫濕度傳感器。電源模塊提供5v、3.3V電壓，保障系統供電穩定。傳感器采集的數據經控制器分析處理后，經過esp8633無線模塊發送出去，實現與匯聚節點的無線數據傳輸。2PM2.5粉塵傳感器SDS011粉塵傳感器采用激光散射原理，具有分辨率高、性能穩定等特性，最小分辨懸浮顆粒直徑為0.3μ.m，最大分辨懸浮顆粒直徑為10μm，并且響應速度快，傳感器輸出的數據為十六進制。工.作電壓為5 V，采用串口收發數據。DHTI1 溫濕度傳感器DHT11 數字溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，其內部包含1個NTC測溫元件和1個電阻式感濕元件，內部連接著1個8位高性能單片機，使用單總線方式完成數據通信。該產品具有品質卓越、響應快、抗干擾能力強、性價比高等特點。每個 DHT1I 傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進行校準。校準系數以程序的形式儲存在OTP內存中。

ZE08-CH2O 甲醛傳感器ZE08-CH2O甲醛傳感器利用電化學原理對空氣中存在的甲醛進行探測，具有高靈敏度、高分辨率的特點;內部置有溫度傳感器，可對溫度進行補償，與單片機進行交互。

2 軟件系統分析極其測試結果

2.1 軟件控制系統

智能控制系統的軟件控制系統主要分為主動控制和自主控制;主動控制是當接收到傳感器的數據后，根據預先設定的程序采取行動對空氣凈化器等進行控制。自主控制為用戶在軟件端對于設備進行自主控制。軟件端的具體作用如下：

1） 接收服務器指令后，系統進行初始化，相應模塊使用;

2） 判斷空氣凈化器的臭氧開關是否開啟。如果開啟，機器自動進入臭氧開啟狀態并做倒計時處理，時間結束后自動關機（時間可由用戶自己設定）;

3） 根據指令，進行模式識別（手動或自動）。模式識別后，進行相應的功能指令的處理（檢測當前環境、選擇凈化模式）;

4） 處理后，將實時的監測數據發送到服務器或觸摸屏進行顯示。為了方便檢測系統的手工操作，設計了專門的觸摸屏界面.整個界面分為顯示區域、控制鍵區域和指示區域三部分。顯示當前環境中PM2.5、甲醛、溫度與濕度的實時數據。

2.2 測試結果

智能空氣質量檢測系統將設備、手機與電腦通過無線路由與服務器相連接。通過 PC端和手機功能軟件與服務器通信，并獲取服務器發送來的數據。PC端功能軟件與服務器顯示了 PC端軟件設定的定時時間以及由服務器發送來的空氣檢測系統發送的溫度、濕度、甲醛濃度與 PM2.5數值。

3 結束語

本文設計了一種智能室內空氣監測系統基于物聯平臺快速搭建開發環境采用精度較高的傳感器進行數據采集用戶可以通過軟件隨時了解家庭室內空氣狀況從而更好地關注身體健康提高生活質量。系統開發成本低用戶使用方便測量影響空氣質量的參數范圍較多可擴展性強適合廣泛推廣經測試該系統穩定性高與市面流行的空氣監測系統相比數據誤差在可允許范圍內，并且該系統也可運用在健身房、養生館等一系列小型室內場所。下一步的研究方向是在該平臺下加入其他空氣質量傳感器提高室內空氣監測的氣體種類，提高精度和速度。

參考文獻：

[1] 邱惠昌，龔政，尚林.基于物聯網的智能家居遠程監控子系統軟件設計[J].通訊世界，2017（3）：27-28.

[2] 廉小親，李康飛，龔永罡，等.基于物聯網云平臺及STM32F100的壁掛爐遠程控制系統研究[J].計算機測量與控制，2015，23（8）：2719-2722.

[3] 王亞娟，郭丹，董春梅，等.基于IAPI5FP2K61S2的智能溫度控制系統設計[J].吉林建筑大學學報，2015，32（1）：80-82.

【通聯編輯：代影】