室內(nèi)環(huán)境智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

海口經(jīng)濟(jì)學(xué)院 程思寧 史舜文

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)室內(nèi)環(huán)境智能控制系統(tǒng)，能夠及時(shí)的監(jiān)測(cè)室內(nèi)的各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)，當(dāng)被檢測(cè)氣體濃度超過標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，能智能控制室內(nèi)的各種電器設(shè)備，提高空氣質(zhì)量，滿足人們對(duì)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(shù)據(jù)，通過ESP-8266 Wi-Fi MCU將數(shù)據(jù)輸出到顯示屏，并且上傳數(shù)據(jù)到云端，供手機(jī)APP查看控制。

近年來，由于我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的提高，人民生活水平也得到了很大程度的改善，同時(shí)，隨著5G、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)的飛速發(fā)展，以及中國(guó)國(guó)家消費(fèi)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，智能家居已展現(xiàn)出強(qiáng)大的生命力，進(jìn)入了快速發(fā)展的道路。為其營(yíng)造舒適的家居環(huán)境，環(huán)境控制類設(shè)備在智能家居場(chǎng)景中至關(guān)重要。因此，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)室內(nèi)環(huán)境智能控制系統(tǒng)，對(duì)改善和控制室內(nèi)環(huán)境有著明顯的推動(dòng)作用和深遠(yuǎn)影響。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

如圖1所示，室內(nèi)環(huán)境智能控制系統(tǒng)由前端檢測(cè)傳感器、ESP-8266Wi-Fi MCU、末端控制裝置、受控電器組成。前端檢測(cè)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(cè)到相應(yīng)數(shù)據(jù)可以通過ESP-8266Wi-Fi MCU把數(shù)據(jù)在顯示屏上進(jìn)行顯示，或者在手機(jī)APP上顯示，通過紅外遙控器手動(dòng)或通過云端進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，調(diào)節(jié)末端控制部分包括空調(diào)、加濕器等，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境的舒適與穩(wěn)定。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控芯片

ESP8266是一款高性能無線SOC，集成了業(yè)界領(lǐng)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(shí)現(xiàn)設(shè)備M2M接入、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、遠(yuǎn)程控制、OTA升級(jí)、第三方接口等功能服務(wù)。該固件支持SoC解決方案和二次開發(fā)，大大降低了開發(fā)成本，縮短了開發(fā)周期。

2.2 前端傳感器設(shè)計(jì)

2.2.1 溫濕度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

溫濕度傳感器主要實(shí)現(xiàn)采集室內(nèi)環(huán)境溫濕度，可以設(shè)定閾值，當(dāng)?shù)陀诜秶鷷r(shí)可以控制空調(diào)工作。選擇的是DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出。傳感器由NTC測(cè)溫元件和一個(gè)電阻式感濕元件組成，并連接一個(gè)高性能8位單片機(jī)相。因此該產(chǎn)品具有超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、品質(zhì)卓越、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。電路連接如圖2所示。

圖2 溫濕度檢測(cè)電路

2.2.2 PM2.5檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

GP2Y1014AU粉塵傳感器是夏普開發(fā)的一款光學(xué)灰塵監(jiān)測(cè)傳感器模塊，里面由紅外發(fā)光二極管、光電晶體管構(gòu)成。工作過程是紅外發(fā)光二極管定向發(fā)送紅外線，當(dāng)空氣有微粒存在阻礙紅外時(shí)，紅外線發(fā)生漫反射，這時(shí)光電晶體管即接收到紅外線，使得信號(hào)輸出端電壓發(fā)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(gè)150Ω的電阻和1個(gè)220uF的電容，具體位置如圖3所示。

圖3 PM2.5檢測(cè)電路

2.2.3 氣體檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

室內(nèi)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(dǎo)率較低。采用高低溫循環(huán)檢測(cè)的方式，低溫（1.5V加熱）檢測(cè)CO，當(dāng)空氣中CO氣體濃度增加，傳感器的電導(dǎo)率隨而增大，高溫（5.0V加熱）清洗低溫時(shí)吸附的雜散氣體。可將電導(dǎo)率的變化，轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，成本低，對(duì)CO有良好的靈敏度。

室內(nèi)裝修采用各種材料，造成室內(nèi)環(huán)境甲醛濃度過高的情況，長(zhǎng)期居住會(huì)影響身體健康。因此，需要測(cè)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(shù)。

當(dāng)檢測(cè)到CO、甲醛氣體超過范圍時(shí)，進(jìn)行凈化器的啟動(dòng)，凈化空氣，保障室內(nèi)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(shí)鐘；SDA：串行數(shù)據(jù)。電路連接及數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)

2.4.1 紅外遙控設(shè)計(jì)

使用TL1838采集遙控器各種信號(hào)并解調(diào)出遙控器發(fā)射出的原始編碼后，將遙控器各按鍵對(duì)應(yīng)編碼寫入程序中。設(shè)備傳感器監(jiān)測(cè)環(huán)境數(shù)值，當(dāng)測(cè)量數(shù)據(jù)到達(dá)設(shè)定閾值后，程序根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)選擇相應(yīng)遙控編碼，由芯片I/O口發(fā)射二進(jìn)制脈沖信號(hào)控制電器進(jìn)行對(duì)應(yīng)動(dòng)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(shè)計(jì)

選用WiFi通信，替代了傳統(tǒng)的藍(lán)牙、ZigBee等通信方式，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。設(shè)備擁有兩種遠(yuǎn)程控制方式如圖6所示。當(dāng)設(shè)備和手機(jī)在同一個(gè)局域網(wǎng)中，手機(jī)和設(shè)備選擇局域網(wǎng)進(jìn)行通信當(dāng)手機(jī)和設(shè)備不在同一局域網(wǎng)環(huán)境下，設(shè)備選擇使用MQTT協(xié)議遠(yuǎn)程連接云端服務(wù)器，云端服務(wù)器連接手機(jī)進(jìn)行通訊。在傳輸一些涉及安全設(shè)備指令和敏感數(shù)據(jù)時(shí)，可選擇使用SSL安全傳輸協(xié)議進(jìn)行加密通信，保證用戶的居家安全。設(shè)備遠(yuǎn)程通訊框圖如圖6所示。

圖6 設(shè)備遠(yuǎn)程通訊框圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

前端檢測(cè)傳感器的軟件設(shè)計(jì)主要包括各類傳感器通過串口或者進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換進(jìn)行數(shù)據(jù)的獲取，軟件流程如圖7所示。并可以通過手機(jī)顯示相應(yīng)的測(cè)試數(shù)據(jù)。如圖8所示。

圖7 傳感器的軟件流程圖

圖8 手機(jī)顯示數(shù)據(jù)圖

本文設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的室內(nèi)環(huán)境控制系統(tǒng)，可以通過傳感器對(duì)房間內(nèi)的各種環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集并在OLED顯示屏上及時(shí)的顯示，同時(shí)，可以通過末端的控制裝置來對(duì)電器進(jìn)行相應(yīng)的控制工作，此外，用戶也可以通過自己的智能手機(jī)進(jìn)行控制電器，有效的保證了室內(nèi)環(huán)境的安全與舒適。