室內有害氣體智能控制系統設計研究

馮波

（陜西國防工業職業技術學院電子工程學院，陜西西安 710300）

人們的日常生活和工作通常在室內空間（包括辦公室、家庭居室、教室、酒店、商場等場所的內部空間）進行，在日常生活工作過程中，人們的身心健康受到室內的光、熱、空氣品質等因素的直接影響，現代城市的快節奏特征逐漸延長了人們在室內的活動時間。隨著人們對室內環境質量要求的不斷提高，尤其是在空氣質量問題日益突出的背景下，人們對室內空氣環境污染問題的重視程度不斷提高，對室內空氣質量監測及控制系統提出了新的挑戰，良好的空氣質量有利于提高日常生活品質及工作效率，有效的室內有害氣體檢測系統成為提高舒適健康的工作和生活環境的重要手段。

1 需求分析

不斷提高的科技水平及物質生活水平促使人們對精神世界的追求不斷提高，更加追求生活的高品質和高舒適度，在發展過程中，出現的各種環境污染問題以及內部樓體的裝修為室內生活環境質量帶來了不同程度的影響，人們對智能家居建設與實現的重視程度不斷提高，室內環境監測成為領域內的一項研究重點。作為智能家居系統中的重要構成，環境監測系統能夠將實時檢測到的室內環境監測數據提供給用戶，并輔助用戶對室內環境進行科學合理的控制，傳統針對室內有害氣體的檢測系統普遍存在對室內環境質量的持續實時監測評估能力不高、操作過程較為復雜等方面的問題，大多采用不聯網的單點設備作為分布于室內的環境質量監測裝置，不利于遠程在線實時監測功能的有效實現，部分能夠聯網監測室內環境的設備大多因需自行部署服務器而增加了系統的開發和使用成本[1]。文中主要通過充分利用OneNET 開放平臺的豐富功能設計并實現了一種室內有害氣體智能監測與評價系統，以室內溫濕度、粉塵濃度等參數作為主要監測對象，在實現檢測功能實時準確的同時降低了開發和使用成本，該系統具有較高的穩定性和實際應用價值。

2 基于OneNET 平臺的室內有害氣體智能控制系統設計

隨著互聯網同物聯網業務間相互融合與滲透的不斷深入，運營商管道為物聯網業務向客戶端和應用端的延伸提供了支撐，端（指感知網絡和終端）、管（指智能融合的網絡）、云（指業務云化的平臺）的網絡架構正在不斷完善并為日常生產生活帶來了巨大的便利。呈現出層次化與多樣性特點的物聯網應用由包括智能設備和智能網關在內的設備域（由傳感器、執行器等集成）、平臺域（即物聯網開放平臺）、由開放平臺集中孵化的應用域、各類應用和管理服務（由豐富的服務終端承載）等構成。以智能家居為例，現階段包括對人和物的各種應用和傳感器終端在內的家庭終端正逐步呈現出多樣性，在家庭端網絡中家庭網關在物聯網體系架構下正在向業務網關發展。文中基于物聯網應用典型的三層框架通過OneNET 平臺和B/S 架構的使用完成了室內有害氣體檢測控制系統的設計，系統架構示意圖如圖1 所示，室內環境數據由分布于室內的各個終端設備完成采集后同OneNET 平臺進行交互，由OneNET 平臺將接收到的環境數據推送給監控系統服務器，最終在用戶端的Web 頁面動態呈現監測數據，幫助用戶隨時隨地掌握室內的環境參數信息，并據此采取一系列的環境干預措施實現對室內環境質量的有效控制，構建起安全舒適的室內環境[2-3]。

圖1 系統總體架構示意圖

3 室內有害氣體智能控制系統的實現

3.1 終端設計與標準化接入

系統設備端的主要功能在于實現室內環境數據的采集、數據到OneNET 平臺的傳送、接收指令及動作執行3 大功能，選用了麒麟座V2.4 開發板（STM32系列芯片），能夠同各類傳感器進行有效對接，從而實現對室內環境參數數據（包括溫濕度、粉塵濃度等）進行實時準確的采集，數據上傳功能則通過使用ESP8266 模塊實現，通過驅動繼電器實現對接入智能家居系統內的各種設備開關的有效控制，設備終端架構示意圖如圖2 所示。OneNET 平臺的應用架構如圖3 所示，基于TCP 的增強型設備協議(EDP)作為物聯網平臺接入協議的一種，具有完全開放的特點，可有效滿足智能家居系統的通信需求，由于EDP 協議僅能確保數據包到目的地的傳輸，無法保證到達順序同傳輸順序相一致（如在客戶端有兩個請求同時發起的情況下難以保證服務器按照發起順序返回消息），需在上層邏輯實現事務機制。基于EDP SDK（由設備層提供，負責向OneNET 報告業務數據點）實現EDP 協議，業務應用層能夠對RESTful API（基于HT-TP 協議）提供的設備、數據點、命令控制和其他資源管理在內的資源進行操作，從而實現定制系統業務平臺的功能。

圖2 設備終端架構示意圖

圖3 OneNET 平臺的應用架構

根據業務數據模型的分析結果，“設備-數據流-數據點”模型（由OneNET 平臺提供）更適用于文中所構建系統的業務數據存儲，系統的硬件設備（包括溫濕度/PM2.5/粉塵傳感器、ESP8266 模塊、蜂鳴器、LED 燈等）同STM32 開發板連接，STM32 主程序流程圖如圖4 所示，其需完成系統初始化（包括系統時鐘及外圍硬件、GPIO 和中斷結構的初始化）、時鐘及中斷配置，并對環境數據進行循環上傳，在此基礎上監聽上層發布的指令并據此作出相應的響應動作。系統時鐘配置為支持72 MHz 的STM32F103，可在顯著提高系統終端環境數據采集和上傳的實時性能的同時確保指令接收及執行操作的準確性[4-5]。

圖4 STM32 主程序流程圖

3.2 基于OneNET 的控制系統的使用流程

OneNET 自帶的編排設計方法（模版式）為實現系統從設備端接入到應用端提供了開發思路及技術支撐，有效提升了設備的上云速度及應用的孵化速度，文中在設備端完成對訪問代碼的編寫，主要實現了協議封裝、數據采集于上傳等功能，以標準接入流程和設計方法（由OneNET 平臺提供）為依據完成設備到OneNET 平臺的有效接入，該過程主要包括登錄注冊、新建項目、新增設備和數據流、上傳并查看數據、新增應用幾個主要步驟，需先在OneNET 平臺官網(http:∥open.iot.10086.cn)上完成用戶注冊后再接入檢測所需使用設備，并在設備下添加新數據流，用戶可根據實際需要在帳戶下添加新項目以及相應的新設備[6-7]。終端數據成功上傳后即可在平臺相應數據流中完成數據點的生成，用戶能夠定制個性化應用程序（在應用程序孵化器中發布）以便更直觀地呈現數據的變化情況。在OneNET 平臺官網開發者中心即可查看上傳的數據流，成功接入平臺后的數據顯示結果如圖5 所示（以濕度查看為例）。用戶通過瀏覽器應用程序監控溫濕度、粉塵及PM2.5 濃度等數據并查看設備端上傳數據的動態展示結果。服務器從OneNET 平臺中完成數據信息的拉取及控制信息的推送（通過API 接口完成），然后，在前端網頁上實時展現，以供用戶監測、控制室內環境使用。添加觸發器完成報警規則及異常環境數據閾值的設置，在檢測結果超過閾值時及時發出報警信息。綜合運用HTML、CSS 和bootstrap 框架完成瀏覽器頁面的設計，采用HTML 和CSS 設計實現的系統界面，以表盤+數據的形式直觀反應數據的變化，應用端展示通過直接嵌入OneNET 平臺中生成的應用來實現，便于用戶監測室內環境，同時通過調用實時天氣控件展示室外天氣狀況[8-9]。

圖5 成功接入平臺后的數據顯示結果

4 系統功能測試

通過設計實驗檢測文中所設計的數據交換中心（基于OneNET 平臺）、設備端（用于采集與上傳環境數據）及應用端（用于實時呈現環境數據）幾個主要模塊功能的有效性，室內有害氣體檢測系統硬件設備搭建，分別為麒麟座V2.4 開發板整體（負責采集溫濕度數據并向OneNET 平臺上傳）、Arduino 開發板整體、光學粉塵濃度檢測傳感器（型號為GPYY1010AU0F，接入Arduino 開發板，負責對粉塵及PM2.5 濃度數據進行采集）、面包板（用于接入電阻和電容）、ESP8266 通信模塊，通過電腦顯示應用端Web 界面[10-11]。設備端每隔5 s 向OneNET 平臺上傳一次采集到的環境數據，通過查詢平臺上開發者中心驗證了該上傳頻率設置的有效性。在空氣加濕器上放置硬件采集設備，停留1～2 s 后產生波動的濕度數據采集結果如圖6 所示；在熱水杯旁邊放置硬件采集設備一段時間再挪開后的溫度數據采集結果如圖7 所示，溫度數據折線逐漸下降；濕度會隨著溫度的降低而升高，相應變化情況如圖8 所示，體現了異常情況下溫、濕度的關系(溫度與濕度通常成正相關)[12-13]。開發者可從溫濕度及粉塵濃度的表現規律出發提高火災險情判斷的準確性。室內粉塵及PM2.5 濃度測試結果如圖9 所示，當前可吸入顆粒物濃度維持在140 左右，室內空氣質量為優。實驗結果表明，該系統實現了對室內環境參數數據的實時檢測和顯示功能，實現了遠程實時在線監測過程，根據觸發器設置報警規則，可在檢測結果超過預設閾值時（如室內濕度超過60% RH）發出消息警報，同時，向用戶預留手機號碼中發送消息，可實時推送和發布報警信息，為進一步優化智能家居的環境質量監測系統提供參考，具有較好的普適性和推廣價值[14-15]。

圖6 濕度數據折線圖

圖7 溫度數據折線圖

圖8 伴隨溫度變化的濕度折線圖

圖9 粉塵及PM2.5濃度折線圖

5 結束語

不斷發展完善的物聯網開放平臺應用服務體系為智能化感知、識別和管理物品過程在內的智能家居的實現提供了有力的支撐，文中提出了一種室內有害氣體智能檢測系統的設計方案，采用OneNET平臺作為系統的數據交換中樞，該系統能夠實時高效地完成對室內相關環境參數數據的采集和檢測，再將這些采集到的數據進行封裝打包處理，然后，以標準EDP 數據包形式通過網絡上傳到OneNET 平臺，通過OneNET 中的模板式組件實現對監測應用的快速開發，系統應用服務器通過使用RESTful API便捷高效地獲取終端采集數據，并在應用端頁面動態顯示數據信息[16]。