基于物聯網的室內環境感知系統設計

王宇晴 霍佳楹 張恩萌 王成林

摘要：室內環境質量與人體健康息息相關，因此，室內環境溫濕度、氣體質量檢測至關重要。現有的室內溫濕度檢測傳感器以有線信號傳輸、外部供電為主，在工業現場中應用較多，但是，靈活性較差。在具體產品設計中必須考慮傳輸距離、傳輸速率、功耗、成本等因素。本項目基于物聯網傳感平臺，設計出一套室內環境實時檢測系統，自動感知環境參數。利用CO2傳感器、甲醛傳感器、溫濕度傳感器等實時檢測室內環境氣體質量，將檢測數據通過LoRa無線模塊傳送至數據管理系統，及時給出室內環境污染對人體健康危害的報警基點，進而確保人們健康的生活環境。

關鍵詞： 室內環境監測; STM32FL053低功耗單片機; LoRa無線模塊; 溫濕度傳感器; 物聯網

中圖分類號：TP274? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）22-0097-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

本文立足于解決室內污染超標而不被人所知，繼而危害人體健康的問題，實現對室內環境氣體質量的實時動態檢測，根據傳感器反饋的數據，結合最高危害上限指標要求，及時給出室內環境污染對人體健康危害的報警基點，通過無線通訊技術匯總樓內各房間的數據，采用數據庫方式集中存儲，并允許遠程網絡訪問。環境感知模塊采用電池供電方案，通過低功耗設計使得單個模塊可連續工作兩年以上，便于現場安裝，并且降低后期維護成本。多個環境感知模塊通過無線傳感器網絡，再通過網關節點完成數據匯總并上傳至遠程服務器。

1 系統整體設計

通過對于整體結構的綜合考慮，物聯網的室內環境感知系統的具體實現的結構圖如圖 1 所示，整理電路圖如圖 2 所示，室內環境感知系統主要由環境感知模塊、LoRa無線模塊、無線傳感網絡網關等構成。多個環境感知模塊通過LoRa無線模塊傳輸到無線傳感網絡網關，網關設計中需要實現環境感知模塊上傳數據的接收、保存和處理，在匯總所有模塊數據的基礎上，通過4G通信模塊把各個房間的數據統一傳送到遠程云服務器中，人們就可以通過手中的手機、ipad等移動通訊設備實時監測室內的環境。

1.1 環境感知模塊設計

將溫度傳感器、氣體傳感器等監測得到的數據傳送到單片機中，然后將數據傳送到無線模塊中，外部電池供電，如圖 3 所示。模塊工作采用間歇式工作模式，電池供電，低功耗設計及優化的數據通信方式，保證模塊可連續工作兩年以上，工作期間采集各種傳感器數據，并通過無線傳感網絡上傳數據，之后模塊進入休眠模式，且切斷外部傳感器工作電源，最大程度降低電流消耗，確保電池供電條件下盡可能地延長使用時間。

1.1.1 SHT21溫濕度傳感器

SHT21是新標準的Sensirion傳感器，在大小以及功能的各個角度創建了新型標準，它擁有一個新型創造技術芯片、一個經歷多次修改的電容式濕度傳感器元件和一個精準的溫度傳感元件，每一個傳感器件都經過嚴格的校準和測試，傳感器能檢測到電池使用百分比，而且能對輸出校驗，有助于提高通信的可行性和穩定。行使于環境監測的傳感器網絡，擁有安裝簡單、成本低、長期避免更換電池、節省現場人工維護成本的優點。經過轆集的節點布置，可以觀察到細微的環境變化。

1.1.2 STM32FL053 單片機模塊

STM32L053低功耗單片機，擁有高性能內核的32位MCU，工作頻率為32M赫茲，集成了存儲器保護單元具有高速的儲存系統，，以及各種增強I/O和外設，滿足各種需求，同時低功耗的單片機能確保該系統工作電流小，能耗低。

1.2 無線傳感網絡網關設計

無線傳感技術采用LoRa方案，主要優勢在于很大程度提高了接收的靈敏程度，降低了功耗;基于該技術的網關/集中器兼容多信號通道多數據速率的并存處理，系統存儲量大。網關設計中需要實現環境感知模塊上傳數據的接收和保存，在匯總所有模塊數據的基礎上，通過4G通信模塊把各個房間的數據統一傳送到遠程云服務器中。

1.3 無線傳感網絡網關設計

基于物聯網技術，利用現有云平臺提供的基礎服務功能，設計遠程數據管理系統，完成數據存儲、遠程訪問支持等功能。軟件所在平臺首要達成數據匯總、存儲和數據推送通知服務，如圖4所示。基于物聯網技術，支持移動網絡訪問，在線查看環境信息，可預設安全提示閾值參數，系統自動提示報警信息。遠程客戶端可實現信息的同步查看、趨勢跟蹤，便于及時了解情況。

2 結論

本文對本系統的優缺點進行總結，將物聯網與無限傳感技術相結合，設計了一款移動程序，將所需各個房間數據進行集中化管理，對室內環境氣體質量智能化管理，節約人力資源成本起到一定作用，可以在各個地區各種系統中廣泛應用，具有實用性以及應用性。

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【通聯編輯：唐一東】