基于物聯(lián)網(wǎng)的建筑物內(nèi)空氣質(zhì)量遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

劉鑫　許振宇　吳晗嘩　吳云飛　蔡家林　劉昀　朱宏殷

摘 ?要：為了隨時(shí)檢測(cè)建筑物內(nèi)的空氣質(zhì)量狀況，設(shè)計(jì)了一款基于物聯(lián)網(wǎng)的空氣質(zhì)量遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，該設(shè)計(jì)是以STC89C52單片機(jī)為控制核心，結(jié)合了窄帶物聯(lián)網(wǎng)的超遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸功能，通過(guò)傳感器對(duì)建筑物內(nèi)PM2.5、PM10、TVOC等污染物含量以及溫濕度等值進(jìn)行檢測(cè)，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將多個(gè)節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸匯總至總節(jié)點(diǎn)，最后利用NB-IOT上傳至云平臺(tái)，用戶(hù)可以隨時(shí)利用終端設(shè)備對(duì)建筑物內(nèi)環(huán)境的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞：窄帶物聯(lián)網(wǎng);單片機(jī);環(huán)境監(jiān)測(cè);LoRa

引言

隨著社會(huì)的進(jìn)步，人們生活水平的提高，空氣質(zhì)量也大幅下降，人們長(zhǎng)時(shí)間生活辦公的室內(nèi)環(huán)境更不容樂(lè)觀，室內(nèi)的空氣質(zhì)量直接關(guān)乎到人體的健康，目前，市面上在售室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測(cè)儀，要么不能實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離傳輸，要么大多依賴(lài)WIFI進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，這就大大限制了其使用空間，市面上缺少一種可以在沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)的情況下對(duì)建筑物沒(méi)空氣質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)并且把數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭苿?dòng)終端上的設(shè)備，所以本文設(shè)計(jì)的建筑物內(nèi)空氣質(zhì)量遠(yuǎn)程檢測(cè)系統(tǒng)就意義重大。

1 總體設(shè)計(jì)思想

系統(tǒng)采用單片機(jī)進(jìn)行集中控制，結(jié)合各傳感器信號(hào)采集裝置和輸出控制裝置，并通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)對(duì)各個(gè)采集節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)實(shí)行無(wú)線(xiàn)收集數(shù)據(jù)傳輸，在數(shù)據(jù)的終端可以對(duì)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存查詢(xún)，也可以利用手機(jī)客戶(hù)端小程序?qū)嵭袑?shí)時(shí)數(shù)據(jù)查詢(xún)，系統(tǒng)功能圖如圖1所示。

文設(shè)計(jì)了以STC89C52單片機(jī)為子節(jié)點(diǎn)控制核心的系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合NB-IOT組網(wǎng)技術(shù)，由各個(gè)節(jié)點(diǎn)組建成內(nèi)部局域網(wǎng)格，每個(gè)節(jié)點(diǎn)采用二氧化碳、激光粉塵、溫濕度、TVOC 及甲醛于一體的綜合型空氣質(zhì)量傳感器，再通過(guò)LoRa模塊發(fā)送給樓宇總結(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)儲(chǔ)存。并利用NB-IoT模塊傳輸至終端。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)將檢測(cè)環(huán)境中的二氧化碳、PM2.5、PM10、溫度、濕度、甲醇可揮發(fā)有機(jī)物等常見(jiàn)的影響室內(nèi)空氣品質(zhì)的各種參數(shù)，測(cè)量數(shù)據(jù)的無(wú)線(xiàn)傳輸，顯示信息等功能進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能。傳感器采集需檢測(cè)的影響室內(nèi)空氣品質(zhì)的參數(shù)，經(jīng)過(guò)LoRa與NB—IoT的無(wú)線(xiàn)傳輸將數(shù)據(jù)傳到顯示屏，用戶(hù)可通過(guò)觀看顯示屏上記錄的數(shù)據(jù)，了解室內(nèi)實(shí)時(shí)空氣質(zhì)量情況，從而實(shí)現(xiàn)在沒(méi)有WIFI網(wǎng)絡(luò)情況下的遠(yuǎn)距離空氣質(zhì)量檢測(cè)。

3 系統(tǒng)的硬件的選擇與設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)構(gòu)成

本設(shè)計(jì)包括了STC89C52單片機(jī)、六合一傳感器模塊_RS485、電源模塊、顯示模塊、LoRa模塊、NB-IoT窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等。傳感器對(duì)子節(jié)點(diǎn)所處環(huán)境進(jìn)行實(shí)質(zhì)檢測(cè)，通過(guò)STC89C52單片機(jī)處理和LoRa技術(shù)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)傳輸，將數(shù)據(jù)送到樓宇總節(jié)點(diǎn)。通過(guò)NB-IoT技術(shù)無(wú)線(xiàn)傳輸至服務(wù)器。

3.2 單片機(jī)主控制模塊的設(shè)計(jì)

STC89C52是一種帶8K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROM-Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能COMOS8的微處理器，STC89C52最小系統(tǒng)原理圖如圖2。

3.3 LCD12864液晶顯示模塊電路

帶中文字庫(kù)的LCD12864是一種具有4位/ 8位并行、2線(xiàn)或3 線(xiàn)串行多種接口方式，其顯示分辨率為128×64。內(nèi)置8192個(gè)16*16 點(diǎn)漢字，和128 個(gè)16*8 點(diǎn)ASCII 字符 集。液晶LCD12864顯示模塊電路圖如圖3所示。

3.4六合一傳感器數(shù)據(jù)采集模塊

本設(shè)計(jì)選用六合一傳感器模塊，如圖4所示。該傳感器相比于其他傳感器，性?xún)r(jià)比更高，應(yīng)用范圍更廣，集多種功能于一身。可同時(shí)對(duì)多種污染物進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)檢測(cè)。具有良好的可靠性和穩(wěn)定性，適合用于建筑物內(nèi)空氣質(zhì)量智能檢測(cè)。

3.5 LORA數(shù)據(jù)傳輸模塊

LoRa作為低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)（LPWAN）主流技術(shù)之一，正在賦能智慧城市中的物聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)型。在城市發(fā)展升級(jí)的進(jìn)一步需求中，物聯(lián)網(wǎng)迎來(lái)了萬(wàn)億級(jí)應(yīng)用市場(chǎng)規(guī)模。據(jù)中國(guó)物聯(lián)網(wǎng)研究發(fā)展中心預(yù)計(jì)，2025年我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)規(guī)模將達(dá)2萬(wàn)億元。行業(yè)人士稱(chēng)，LoRa正成物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景應(yīng)用首選技術(shù)。“LoRa是低功耗廣域網(wǎng)無(wú)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)，最大特點(diǎn)就是在同樣的功耗條件下比其他無(wú)線(xiàn)方式傳播的距離擴(kuò)大3-5倍，實(shí)現(xiàn)了低功耗和遠(yuǎn)距離的統(tǒng)一。”除了可控距離外，LoRa技術(shù)可大幅度降低建設(shè)成本。LoRa不需要建設(shè)基站，一個(gè)網(wǎng)關(guān)便可控制較多設(shè)備，并且布網(wǎng)方式較為靈活。同時(shí)，對(duì)比2.4G和藍(lán)牙、WIFI等技術(shù)，LoRa穩(wěn)定性較高，也較為安全。LoRa模塊如圖5所示。

3.5 NB-IoT數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）成為萬(wàn)物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要分支。NB-IoT構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，只消耗大約180kHz的帶寬，可直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)，以降低部署成本、實(shí)現(xiàn)平滑升級(jí)。NB-IoT是IoT領(lǐng)域一個(gè)新興的技術(shù)，支持低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接，也被叫作低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）。NB-IoT支持待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)、對(duì)網(wǎng)絡(luò)連接要求較高設(shè)備的高效連接。隨著智能城市、大數(shù)據(jù)時(shí)代的來(lái)臨，無(wú)線(xiàn)通信將實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物連接。很多企業(yè)預(yù)計(jì)未來(lái)全球物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)將是千億級(jí)的時(shí)代。已經(jīng)出現(xiàn)了大量物與物的聯(lián)接，然而這些聯(lián)接大多通過(guò)藍(lán)牙、Wi-Fi等短距通信技術(shù)承載，但非運(yùn)營(yíng)商移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。為了滿(mǎn)足不同物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需求，根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)特征和移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，移動(dòng)通信正在從人和人的連接，向人與物以及物與物的連接邁進(jìn)，萬(wàn)物互聯(lián)是必然趨勢(shì)。蜂窩物聯(lián)網(wǎng)正在開(kāi)啟一個(gè)前所未有的廣闊市場(chǎng)。

4 實(shí)際測(cè)量與數(shù)據(jù)分析

根據(jù)以上的方案論證及硬件的選擇，通過(guò)調(diào)試，認(rèn)真檢查電路的焊接情況，采用分塊調(diào)試的方法對(duì)主控芯片，六合一傳感器，LoRa等模塊一一調(diào)試，整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)物如圖7所示。采集數(shù)據(jù)如表2所示。

根據(jù)表格中十組測(cè)量數(shù)據(jù)可以看出室內(nèi)有輕度的污染有機(jī)物和甲醛含量偏高，應(yīng)及時(shí)通風(fēng)，保證室內(nèi)空氣的流通，以免對(duì)人體造成不良影響。

5 頂層系統(tǒng)構(gòu)建及軟件流程圖

構(gòu)建由樓宇總結(jié)點(diǎn)與服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，首先服務(wù)器先與NB-IOT網(wǎng)絡(luò)連接，判斷是否成功，連接成功后，由樓宇總結(jié)點(diǎn)將收集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器，最后再由服務(wù)器選擇存儲(chǔ)還是發(fā)布。系統(tǒng)軟件總體流程如圖7所示。

6結(jié)語(yǔ)

由于近年來(lái)空氣質(zhì)量的不斷變差，空氣質(zhì)量的檢測(cè)與控制產(chǎn)品也慢慢的走進(jìn)人們的生活，本文設(shè)計(jì)的空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)市面上大多依賴(lài)WIFI和不能進(jìn)行超遠(yuǎn)距離傳輸，功耗等方面進(jìn)行了全方面的優(yōu)化，又采用了NBIOT窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以隨時(shí)隨地的進(jìn)行數(shù)據(jù)的上傳，用戶(hù)也可隨時(shí)利用客戶(hù)端進(jìn)行查看，本設(shè)計(jì)也有更多的發(fā)展空間，在檢測(cè)空氣質(zhì)量的同時(shí)也大大提高了智能家居的利用率。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：劉鑫，吉林省長(zhǎng)春市人，長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)，學(xué)生，2019年吉林省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：201910190086）負(fù)責(zé)人。

朱宏殷，黑龍江省大慶市人，長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)，講師，研究方向?yàn)闇y(cè)控技術(shù)與智能系統(tǒng)，F(xiàn)PGA應(yīng)用技術(shù)等。