基于阿里云IOT的簡易遠程室內環境監測系統

◆呂琪

安全模型、算法與編程

基于阿里云IOT的簡易遠程室內環境監測系統

◆呂琪

（江蘇科技大學（鎮江）深藍學院 江蘇 212003）

本文針對室內環境監測系統復雜度高和互動性低等問題，設計一種基于阿里云物聯網平臺的簡易遠程室內監測系統。該系統以含有WiFi模塊的Arduino（ESP-32）單片機為核心，通過信息采集和顯示模塊，現場監測室內環境參數變化，并依托阿里云物聯網平臺（IOT），設計一個環境監測交互界面，遠程、實時動態監測室內環境。實驗表明，所設計的系統可以有效監測室內環境，并遠程監測、反饋環境信息，達到功能設計要求。該系統成本低，簡單實用，具有一定的實用價值。

Arduino；阿里云（IOT）；遠程監測

濕度是影響人體感官的重要環境因素之一。長期暴露于低相對濕度的環境會導致人體淚膜穩定性下降，進而致使眼睛干燥，出現高滲和炎癥反應；較高濕度的環境則可以改善用戶睡眠，減少聲帶負擔[1]。此外，相對高的濕度條件能在一定程度上抑制新型冠狀病毒（COVID-19）的有效繁殖，從而降低其傳播率[2]。但是，過高的相對濕度會導致室內出現霉菌污染物，從而影響用戶的健康。因此，世界衛生組織建議將室內相對濕度保持在75%以下[3]。采用室內環境監測系統實時監測環境參數，及時反饋給用戶，可以有效預知因相對濕度問題而出現人體不適的情形。

傳統的室內環境監測通常需要復雜電路和諸多設備器件，并輔以精密的操作，監測結果往往并不能給予用戶及時的反饋，從成本和效用角度來看極為浪費且煩瑣。隨著智能技術的發展，逐漸出現了以集成傳感器和計算機技術為主的溫濕度監測方式，此種方式大幅簡化電路，提高了測量精度[4]。

物聯網（IOT）可實現用戶、物理對象之間不受時空限制互聯互通。通過互聯網進行信息交換和通信，可以實現物與物、物與人的泛在連接，從而能夠智能化感知、識別和管理物體和過程。目前，IOT在智能家居、智能交通、公共安全、智能停車場等領域得到廣泛應用[5]。

因此，本系統依托于阿里云物聯網平臺，以Arduino單片機和集成傳感器為基礎，構建一種簡單實用，遠程交互的室內環境監測系統。當用戶可以通過阿里云IOT交互界面設定環境參數值后，該監測系統殘疾室內環境，比較環境參數，并進行現場指示，以及通過釘釘機器人遠程反饋給用戶，從而有效預知不適當的室內環境。

1 系統總體設計

智能監測系統由圖1所示構成，包含了信息監測模塊，信息反饋模塊和阿里云IOT平臺三部分，其中信息監測模塊負責傳感器監測和數據上傳，信息反饋模塊負責處理數據，從硬件上做出反饋。阿里云IOT平臺負責接收記錄監測終端上傳的數據信息以及向用戶端發送監測結果信息。用戶可以使用手機或電腦等終端設備在任意地點通過網頁方式實現對室內溫濕度監測結果的查看。

圖1 系統設計框架

2 系統的硬件設計

系統硬件部分主要由ESP32主控模塊、紅色食人魚LED模塊和DHT11數字溫濕度傳感器模塊構成。如圖2所示。

DFRobotFireBeetle系列的FireBeetle Board-ESP32為智能監測系統的主板，其超低功耗的外圍硬件、小尺寸的兼容性設計以及豐富的外設，同時編程方式對于Arduino IDE編程的完全兼容，促使其成為IOT應用于低功耗項目的最優選擇。

圖2 系統硬件部分

紅色食人魚LED模塊使用食人魚LED，光衰小，視角大，散熱好，使用壽命長，且發光強度高，適合用于室內智能監測的要求，同時維修成本低，降低了使用復雜度。另外，當結合Arduino專用傳感器擴展板和環境光線傳感器使用時，可實現與光線相關的互動作品。

DHT11數字溫濕度傳感器模塊是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，其傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，且與一個高性能8位單片機相連接。其體積超小，功耗極低，加之數據傳輸距離超長和長期穩定性卓越，另外還有響應超快、抗干擾能力強，種種優勢均使其成為智能監測的最佳之選，其性價比極高，從而有效地減小了成本。

3 系統的軟件設計

系統軟件的設計主要分為監測終端的軟件設計和反饋中心的軟件設計。

3.1 監測終端軟件設計

監測終端軟件流程如圖3所示。

圖3 監測終端軟件流程圖

監測終端基于Arduino軟件環境開發平臺，該平臺支持C語言或C++進行編程。程序經過驗證無誤后即可上傳燒錄至硬件設備，繼而通過用戶的WiFi的通斷來控制硬件設備。先對模塊進行初始化，設定數據采集接口，配置相關內容，連接阿里云平臺，根據程序設定的上報信息和訂閱信息對接收到的信息進行處理。當接收到訂閱消息時，系統根據函數的設置來控制硬件設備，同時將控制結果信息上報至云端，方便用戶通過移動端查看監測結果。圖4程序中，系統通過對燈的開關進行編程實現LED燈亮暗的控制。

圖4 燈開關編程

3.2 反饋中心軟件設計

反饋中心基于阿里云IOT平臺，該平臺可以直接管理設備，并提供豐富的開發服務。在平臺的項目下創建產品，自定義產品的溫濕度監測功能和提示燈的指示功能用于系統的監測和反饋，在功能定義下具體設置溫濕度的取值范圍和數據類型來監測所需范圍內的環境因素及其精確度。另外，為產品配備設備以實現后續的節點操作。

在可視化Web應用開發中，對監測界面進行設計，配置實時曲線和卡片以便觀察實時溫濕度及其一段時間內的變化趨勢，同時按鈕標簽組將溫濕度監測結果合二為一，可以選擇觀測。另外，指示燈將硬件的反饋結果顯示在云端界面，實現了移動端的統一管理。

在業務邏輯服務中，通過編排設備觸發、路徑選擇、釘釘機器人和溫濕度監測等節點形成一條編排流來實現系統反饋。如圖5所示，設置監測選擇觸發條件為濕度，使用路徑選擇節點對輸入相對濕度變量進行路徑配置從而達成相對濕度的范圍與反饋相匹配的結果。

圖5 編排流

4 系統調試與結果分析

通過放置該系統于室內，驗證其功能。

4.1 系統現場監測

由圖6，當室內相對濕度不小于75%RH時，硬件設備中LED燈亮；反之，LED燈滅。

圖6 硬件圖（左：相對濕度75%RH，右：相對濕度75%RH）

4.2 云端遠程監測

（1）云端數據顯示

當相對濕度不小于75%RH時，如圖7所示，用戶界面中提示燈亮，提醒用戶濕度過大，及時通風透氣祛濕，以保證相對濕度合理。相反，當相對濕度小于75%時，由圖8可見，用戶界面中提示燈熄滅，表示相對濕度在適宜的范圍內，可滿足日常的作息。

圖7 相對濕度75%RH用戶界面（左：相對濕度，右：溫度）

圖8 相對濕度75%RH用戶界面（左：相對濕度，右：溫度）

（2）用戶設定參數與信息反饋

用戶可在節點配置下的路徑配置中更改環境對比參數，由圖9所示，本系統設置判斷為相對濕度是否小于75%RH。

圖9 節點配置

當相對濕度小于75%RH時，如圖10，釘釘機器人在群內發出提醒“濕度在合理范圍！”；反之，硬件及監測界面指示燈亮。

圖10 釘釘機器人提醒

由圖6至圖10可見，系統運行正常，并且可以實時記錄室內環境的溫度和相對濕度及其變化趨勢，進而對監測結果進行處理反饋。測試結果表明，系統的各項功能都達到了實用的要求。

5 結束語

從實驗結果可見，基于阿里云IOT的簡易遠程室內環境監測系統，能較好地實現室內環境監測數據的實時采集和上傳。系統以極少的硬件設備簡化了用戶的管理和使用；以移動端訪問形式精簡了用戶獲取室內環境監測結果的方式。同時免費開放的服務平臺使技術開發的難度和成本都大幅度降低。憑借IOT技術的發展和阿里云IOT平臺的開放共享，系統將適應未來自動化智能家居技術的發展趨勢。

[1]PederWolkoff.Indoor air humidity，airquality，and health-Anoverview[J].International Journal of Sustainable Built Environment.2018.volumn 221，p.376-390.

[2]JingyuanWang，KeTang，KaiFeng，XinLin，WeifengLv，KunChen，FeiWang.High Temperature and High Humidity Reduce the Transmission of COVID-19[J/OL].http://dx.doi.org/10.2139/ssrn.3551767.

[3]H.Wu，J.W.C.Wong.Current challenges for shaping thesustainable and mold-free hygienic indoor environment in humid regions[J].Letters in Applied Microbiology.2020.volumn 70，p.396-406

[4]袁易君.無線溫度、濕度監測儀研究[J].現代企業文化，2008（35）：101-102.

[5]劉陳，景興紅，董鋼.淺談物聯網的技術特點及其廣泛應用[J].科學咨詢，2011（9）：86.