物聯網智能生態康養環境監控系統

崔志強，劉 濤，樊森霖，王 興，董增壽

(1.太原科技大學 計算機科學與技術學院；2.太原科技大學 電子信息工程學院，山西 太原 030024)

伴隨著物聯網通信技術的成熟與市場需求的擴大，諸多帶有“智能”屬性的家居產品已走進千家萬戶，包括空調、空氣凈化器、電暖控制器等。智能家居正在改變著我們的生活，用戶可以通過手機應用程序實現與家居連接及控制，但是目前智能家居傳統環境檢測設備集成化低，聯動性低，各智能家居無法相互配合，更好地調控室內環境。環境溫濕度與我們的健康密切相關，驟然變化時,可能會讓人口舌干燥、感冒發燒、過敏不適，日常生活中甲醛無處不在，對于抵抗力較弱的人群，更易發生不良反應，甚至危害健康；人體死亡率和發病率的增長與顆粒物(Particulate Matter，PM)暴露也有顯著性關系。人有大約90%的時間在室內度過，室內空氣品質越來越受到關注，智能康養系統為人感知溫濕度甲醛的細微變化，為了更好地改善人們居住環境的宜居性，基于物聯網建立智能生態康養環境監控系統對我們的居住環境進行調節，它通過建立在STM32硬件平臺集成傳感器對負氧離子、溫度、濕度、甲醛、PM2.5等數據進行監控，獲取數據上傳云端，對數據進行處理超過或低于最初閾值的數據通過無線Wi-Fi節點和紅外線節點，對室內負氧離子發生器、水暖、電暖、加濕器、空氣凈化器等設備進行綜合調控，來提高室內綜合空氣質量讓生活更健康舒適，更加宜居。

1 系統總體設計

1.1 系統組成

物聯網智能生態康養環境監控系統有3個基本架構，分別由感知層、傳輸層和應用層組成。

感知層處于系統最基層，由高精度激光顆粒物傳感器、溫濕度傳感器、紅外二氧化碳傳感器、甲醛傳感器等多種傳感器組成，可以對室內的溫度、濕度、甲醛、PM2.5、負氧離子等進行采集。

傳輸層基于紅外和GSM網絡的其工作原理為：用戶通過自身的手機根據數據波動自動發出命令短消息在家值守的GSM模塊接收到命令后發送給主機(單片機)，主機通過對命令的處理，把命令通過紅外傳輸到相應的分機(單片機)上，分機對命令處理后，啟動相應設備，完成用戶給出的命令并向主機回復應答，主機收到應答后，通過GSM模塊發出回復短消息，報告用戶完成命令。若在規定的時間內(這里定時60 s)主機沒有接收到分機的回復信息，即把該操作認為無效，回復操作無效短消息給用戶手機，要求用戶重新發出命令。若收到的短信息有誤，主機便立刻回復用戶該操作無效，請求重新發出命令。

應用層由多個節點構成，是系統的核心。在工作的過程中對感知層傳遞的信息進行分析處理，并返回具體的操作指令。且主要作為人機交互的界面，用戶可以在手機對最初的閾值進行更改，可以查看各個模塊的工作狀態，也可以查看家里每天的空氣綜合質量，家里若遇突發情況也會做出預警。系統結構原理，如圖1所示。

圖1 系統結構原理

1.2 系統工作原理

手機向控制主板發送指令協議，判斷各傳感器的連接有無異常，若有問題進行反饋。無問題由手機傳輸指令開始對室內的空氣質量進行數據采集，將采集到的數據定時更新到手機數據庫中。將手機數據庫收集到的信息和最初始設置的閾值經行對比，當某項數據超過或低于數據閾值時，通過Wi-Fi節點或紅外線節點控制最初設定的家電進行開啟，當數據歸為數據閾值內控制關閉。

以PM2.5檢測為例，系統通過高精度激光顆粒物傳感器對家里PM2.5、PM10等問題進行檢測，現行標準《室內空氣質量標準》(GB/T 18883-2002)中規定的室內可吸入顆粒物(PM10)日平均最高容許濃度0.15 mg/m3，《環境空氣質量標準》(GB 3095-2012)中規定的PM2.5日均濃度限值0.075 mg/m3。當室內的PM2.5、PM10濃度超過0.075 mg/m3、0.15 mg/m3時系統自動調用空氣凈化器進行處理當檢測值歸于正常后關閉空氣凈化器，并對本次數據在后臺數據庫進行記錄，如圖2所示。

圖2 流程圖

2 系統硬件設計

2.1 系統硬件總體設計

本設計采用微型電腦芯片為主控，由溫度傳感器，濕度傳感器，甲醛傳感器，PM2.5傳感器，負氧離子傳感器，WiFi傳感模塊，紅外發射模塊構成和電源模塊組成。各傳感器模塊負責收集信息，利用模數轉換器將模擬信號轉換為數字信號傳送給微型電腦芯片處理。微型電腦芯通過Wi-Fi傳感模塊與用戶手機端相連接進行通信，便捷地看到各種室內環境的監測數據，并可以定義環境參數閾值，添加室內電器進入系統。微型電腦芯片通過紅外發射模塊和Wi-Fi實現對室內電器的遠程控制，控制空調、電暖氣、空氣凈化器、換氣風扇、加濕器等設備。

2.2 系統傳感器設計

溫濕度傳感器主要是對室內溫濕度信息收集，溫濕度是室內環境舒適度的重要衡量。高靈敏度溫濕度傳感器由敏感元件對室內溫濕度采集，然后通過轉換元件將溫濕度數值轉換為電量，之后再通過A/D轉換成為數字量并發送至主控芯片，主控芯片通過對信息的處理，通過控制室內空調加濕器來調控室內溫濕度，營造一個舒適的體感環境，同時用戶可在手機上看到溫濕度數據。

RS485溫濕度變送器具有響應快速、通信距離遠、性價比高的優點，其測溫范圍為：40 ℃～123.8 ℃，測濕范圍為：0%RH～100%RH。

美國AD公司生產的AD590是典型的電流輸出型集成溫度傳感器，國內同類產品有SG590，該器件的工作電壓為4 V～30 V，測溫范圍是-50 ℃～150 ℃,AD590在溫度為25 ℃(298.15 K)時，理想輸出為298.15 μA。

HM1500/HM1520傳感器內部包含一個由HS1101濕敏電容構成的橋式振蕩器、低通濾波器和放大器，能過輸出與相對濕度稱線性關系的直流電壓信號，輸出抗阻為70 Ω，適配帶ADC的單片機。能采用+5 V電源供電，工作電流典型值為0.4 mA，漏電流≤300 μA,工作溫度范圍是-30 ℃～60 ℃。

甲醛傳感器主要對室內甲醛濃度信息收集，監測探頭將收集到的信號轉換為數字信號發動至主控芯片，主控芯片處理信息后，顯示在用戶手機軟件界面，同時通過控制室內空氣凈化器來改善室內空氣質量。RS485型甲醛傳感器，采用進口探頭檢測靈敏度，精度在0.5 ppm以內，響應時間<35 s，功耗低，性價比高。

煙霧傳感器不僅可以對室內顆粒物PM2.5和PM10進行檢測，同時可以監測火災煙霧，傳感器及時地將數據傳送至主控芯片，芯片發數據至用戶軟件界面，同時可以發出火災預警。RS485型顆粒物傳感器空氣質量檢測儀，采用進口芯片具有較高靈敏度，以及高密度外殼，可檢測0～999 μg/m3的PM2.5,以及0～1 500 μg/m3的PM10。

紅外發射模組負責發送紅外信號控制傳統家用電器，解決了用戶家居是非智能家居的無法智能化問題，整個模塊設計成本低，依靠電源模塊供電，功耗低。在App界面通過編輯傳統家電遙控器編碼，同進行紅外學習可控制各種遙控器控制的舊家電。

3 系統軟件設計

圖3 操作界面

該系統既要做到對環境精準的監測，又要做到便于用戶操作使用，良好的人機交互界面可以便于用戶操作，該系統的上位機來說，充分的考慮用戶的易操作，可直觀地看到室內綜合空氣質量，設置了監控界面、控制模塊、系統檢測、參數設置、用戶管理、系統監測、用戶管理等多個界面。用戶可以通過提示對各個界面進行操作，從而實現相應的功能。監控模塊由時間、環境綜合質量曲線、當前各設備狀態組成。在本模塊用戶可以通過曲線圖對近一個月室內綜合控制量進行查看，也可以查看負氧離子、溫度、 濕度、甲醛、PM2.5的某一項。控制模塊中，用戶可以根據自己的要求自己更改濃度值可以選擇手動模式還是自動模式，實現對室內環境的智能檢測。系統監測界面可以收到各個傳感器的問題反饋，便于用戶及時對壞掉的傳感器進行維修更換。參數設置模塊可以檢查設備的網絡連接，設備名稱，IP地址網絡服務器進行設置。用戶管理模塊可以對各個傳感器進行添加、刪除、操作限制等操作界面圖，如圖3所示。

4 系統節點設計

本系統的基本工作原理是，根據傳感器采集到的信息通過處理器處理后傳出指令協議控制設備的開關，為了更好地智能化，必須要遵循統一的網絡協議。本系統采用的是繼電器開關控制模塊，不同的節點模塊串聯在一條總線上為了提高節點的控制效率和時效性，本系統采用了一種節點控制方法。首先對每一個待支配節點設置時間和閾值，向當前的支配節點發送支配指令(控制當前待支配節點開啟或待機)，其次要根據傳感器傳回的數據判斷大概的工作時間，工作時間是指根據當前設備把環境參數降為閾值內所用的時間。當工作時間結束后，開始判斷是否回歸正常閾值。

5 通信設計

5.1 通信標準制定原則

5.1.1 兼容性。①硬件設備之間的兼容，本系統包含由溫度傳感器，濕度傳感器，甲醛傳感器，PM2.5傳感器，負氧離子傳感器，Wi-Fi傳感模塊，紅外發射模塊以及外部鏈接各種不同廠家的家居，通信協議要保證通信內容可控，控制方面靈活度高，保證增加模塊或減少模塊不會對系統整體產生影響。②軟件方面的兼容由于家居生產商的不同導致各個設備的驅動程序和通信程序所用的技術平臺也有所不同解決系統對不同品牌的家電合理調用也是一大難點。③軟件和硬件之間的兼容，傳感器模塊和軟件之間的正常通信和調用是設備正常工作的根本基礎。

5.1.2 可擴展性。隨著經濟實力和技術發展用戶可能會添加新的檢測設備或不同的家居標準要支持設備在種類和數量上進行增加，不會對原有的準框架進行更改。

5.1.3 開放性。基于ISO/OSI開放式系統互聯模型具有更好地開放性，有利于標準與其他標準的融合與鏈接。

5.1.4 安全性。要具有基本的登錄驗證機制以及陌生IP地址登錄提醒機制只有在以確定安全的IP并在終端正確登錄后，才可以獲得通信路由以及對數據查看權限。

5.2 通信協議分層模型

數據通信協議分層模型參照ISO/OSI開放式系統互聯七層參考模型的方式表示，物聯網智能康養系統數據通信應用最多的四層做了規定，分別是物理層、數據鏈路層、傳輸層和應用層。第一層是物理層，定義智能系統數據通信的傳輸媒體及互聯設備，例如GPRS、CDMA、Wi-Fi、3G等無線傳輸網絡的物理層(采用已有的標準)，對應于ISO/0SI七層參考模型的物理層。第二層是數據鏈路層，定義智能系統數據包傳輸方法，采用通用的標準，例如PPP協議標準、802.11協議標準，對應于 ISO/OSI七層參考模型的數據鏈路層。第三層是傳輸層，定義智能系統數據包拆分、數據包重新組裝和路由，使用TCP/IP標準，以TCP/IP作為傳輸層的通信承載，對應于ISO/OSI七層參考模型的傳輸層和網絡層。第四層是應用層，定義智能系統數據包結構和會話管理，對應于ISO/OSI七層參考模型的應用層、表示層和會話層。

6 結束語

隨著5G的發展和人們生活質量的提高，智能家居越來越多地出現在大眾視野，為了滿足人們對生活質量的需求，實現對家庭室內環境的監測與調控。本系統基于物聯網傳感器技術，將監測傳感器集成于一個STM32硬件平臺系統，通過集成傳感器檢測室內空氣質量并對數據進行比較與處理，Wi-Fi模組和紅外模組發送信號，從而實現對室內復雜環境的監測，改善室內環境宜居性。該系統為智能家居環境監測系統提出了一種解決方案。由于時間和個人能力有限，系統還存在一些不足之處，如紅外模塊對于室內智能家居的調控步驟還需優化。系統硬件可擴展性強，后續可以添加傳感器以實現其他功能。