室內環境智能控制系統設計

海口經濟學院 程思寧 史舜文

利用物聯網技術設計室內環境智能控制系統，能夠及時的監測室內的各項環境參數，當被檢測氣體濃度超過標準值時，能智能控制室內的各種電器設備，提高空氣質量，滿足人們對舒適度的要求。利用溫濕度傳感器、PM2.5傳感器、CO傳感器采集數據，通過ESP-8266 Wi-Fi MCU將數據輸出到顯示屏，并且上傳數據到云端，供手機APP查看控制。

近年來，由于我國經濟水平的提高，人民生活水平也得到了很大程度的改善，同時，隨著5G、人工智能、物聯網等新技術的飛速發展，以及中國國家消費結構的轉型升級，智能家居已展現出強大的生命力，進入了快速發展的道路。為其營造舒適的家居環境，環境控制類設備在智能家居場景中至關重要。因此，利用物聯網技術設計室內環境智能控制系統，對改善和控制室內環境有著明顯的推動作用和深遠影響。

1 系統架構

如圖1所示，室內環境智能控制系統由前端檢測傳感器、ESP-8266Wi-Fi MCU、末端控制裝置、受控電器組成。前端檢測傳感器包括：PM2.5傳感器、溫濕度傳感器、甲醛傳感器、CO傳感器；檢測到相應數據可以通過ESP-8266Wi-Fi MCU把數據在顯示屏上進行顯示，或者在手機APP上顯示，通過紅外遙控器手動或通過云端進行聯動，調節末端控制部分包括空調、加濕器等，實現室內環境的舒適與穩定。

圖1 系統框圖

2 系統硬件設計

2.1 主控芯片

ESP8266是一款高性能無線SOC，集成了業界領先的TensilicL106超低功耗32位微MCU，具有16位縮減模式，主頻支持80MHz和160MHz，支持RTOS，集成了Wi-FiMAC/BB/RF/PA/LNA，板載天線。

ESP8266采用多種固件編程，可快速實現設備M2M接入、數據統計分析、遠程控制、OTA升級、第三方接口等功能服務。該固件支持SoC解決方案和二次開發，大大降低了開發成本，縮短了開發周期。

2.2 前端傳感器設計

2.2.1 溫濕度檢測電路設計

溫濕度傳感器主要實現采集室內環境溫濕度，可以設定閾值，當低于范圍時可以控制空調工作。選擇的是DHT11數字溫濕度傳感器，已校準數字信號輸出。傳感器由NTC測溫元件和一個電阻式感濕元件組成，并連接一個高性能8位單片機相。因此該產品具有超快響應、抗干擾能力強、品質卓越、性價比高等優點。電路連接如圖2所示。

圖2 溫濕度檢測電路

2.2.2 PM2.5檢測電路設計

GP2Y1014AU粉塵傳感器是夏普開發的一款光學灰塵監測傳感器模塊，里面由紅外發光二極管、光電晶體管構成。工作過程是紅外發光二極管定向發送紅外線，當空氣有微粒存在阻礙紅外時，紅外線發生漫反射，這時光電晶體管即接收到紅外線，使得信號輸出端電壓發生變化。灰塵濃度每變化0.1mg/m3，輸出電壓變化0.5V。需要連接1個150Ω的電阻和1個220uF的電容，具體位置如圖3所示。

圖3 PM2.5檢測電路

2.2.3 氣體檢測電路設計

室內CO含量過高，很可能引起中毒，可選擇MQ-7傳感器。MQ-7氣體傳感器所使用的氣敏材料是二氧化錫(SnO2)，在清潔空氣中它的電導率較低。采用高低溫循環檢測的方式，低溫（1.5V加熱）檢測CO，當空氣中CO氣體濃度增加，傳感器的電導率隨而增大，高溫（5.0V加熱）清洗低溫時吸附的雜散氣體。可將電導率的變化，轉換為與該氣體濃度相對應的輸出信號。驅動電路簡單，成本低，對CO有良好的靈敏度。

室內裝修采用各種材料，造成室內環境甲醛濃度過高的情況，長期居住會影響身體健康。因此，需要測量甲醛濃度保持正常范圍。選用PMS5003S傳感器，UART接口，直接輸出甲醛濃度參數。

當檢測到CO、甲醛氣體超過范圍時，進行凈化器的啟動，凈化空氣，保障室內安全。

2.3 顯示電路

顯示屏選擇0.96in IIC四針OLED顯示屏，基于OLED屏幕自身特性，非常省電，適合用來做智能家居，降低功耗。VCC：3.3-5V；GND：接地；SCL：串行時鐘；SDA：串行數據。電路連接及數據顯示如圖4所示。

圖4 顯示電路圖5OLED屏幕顯示效果

2.4 末端控制設計

2.4.1 紅外遙控設計

使用TL1838采集遙控器各種信號并解調出遙控器發射出的原始編碼后，將遙控器各按鍵對應編碼寫入程序中。設備傳感器監測環境數值，當測量數據到達設定閾值后，程序根據傳感器數據選擇相應遙控編碼，由芯片I/O口發射二進制脈沖信號控制電器進行對應動作。電路連接如圖5所示。

圖5 紅外遙控電路

2.4.2 無線通信設計

選用WiFi通信，替代了傳統的藍牙、ZigBee等通信方式，實現遠程控制。設備擁有兩種遠程控制方式如圖6所示。當設備和手機在同一個局域網中，手機和設備選擇局域網進行通信當手機和設備不在同一局域網環境下，設備選擇使用MQTT協議遠程連接云端服務器，云端服務器連接手機進行通訊。在傳輸一些涉及安全設備指令和敏感數據時，可選擇使用SSL安全傳輸協議進行加密通信，保證用戶的居家安全。設備遠程通訊框圖如圖6所示。

圖6 設備遠程通訊框圖

3 系統軟件設計

前端檢測傳感器的軟件設計主要包括各類傳感器通過串口或者進行模數轉換進行數據的獲取，軟件流程如圖7所示。并可以通過手機顯示相應的測試數據。如圖8所示。

圖7 傳感器的軟件流程圖

圖8 手機顯示數據圖

本文設計了一種基于物聯網技術的室內環境控制系統，可以通過傳感器對房間內的各種環境參數進行采集并在OLED顯示屏上及時的顯示，同時，可以通過末端的控制裝置來對電器進行相應的控制工作，此外，用戶也可以通過自己的智能手機進行控制電器，有效的保證了室內環境的安全與舒適。