基于多傳感器的室內環境監控系統設計

摘 要：為滿足室內環境監控的新需求，設計并實現了一種基于多傳感器的室內環境遠程監控系統。系統采用物聯網三層架構體系包括感知層、網絡層和應用層，感知層主要實現室內環境信息監控、室內舒適性判斷及有害氣體預警功能；網絡層負責傳遞數據信息；應用層負責數據發布，供用戶遠程實時獲取室內環境信息。實驗結果表明，該系統能遠程實時監控室內環境，具有低功耗、操作簡單、成本較低等優點。

關鍵詞：室內環境；傳感器；物聯網；監控系統；遠程監控；STM32單片機

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）05-00-04

0 引 言

隨著科技進步和人民生活水平的不斷提高，大眾對室內環境的要求越來越高，溫濕度計、空氣質量檢測儀、燃氣報警器、煙霧報警器等環境監測產品逐漸走進千家萬戶，但大部分產品只能實時監測某一項指標，不能改善室內環境，更不能從舒適安全的角度對室內環境進行評價[1-4]。本設計旨在開發一套基于多傳感器融合技術的室內環境遠程監測系統，可以實現全天候實時監測和評價室內環境，檢測參數多、測量精度高。

1 室內環境的影響因素及評價指標

影響室內環境的因素主要分兩個方面：一方面是影響人體舒適度的，包括溫度、濕度、空氣流速、新風量、光照度、噪聲等；另一方面是室內環境污染物，其超過一定標準會危害人體健康，包括一氧化碳、甲醛、粉塵、二氧化硫等。室內環境會影響人的身心健康和工作效率，同時不良的室內環境會誘發各類疾病、加速病毒傳播，對人體危害極大。

1.1 室內熱環境舒適性評價

對于評價所在環境的熱舒適性，目前應用最為廣泛的是丹麥范格爾教授提出的預計平均熱感覺指數（PMV）。它是基于人體熱平衡方程，在對大量實驗數據統計分析的基礎上，提出的表征人體熱舒適度的一個較為客觀的指標。范格爾將PMV指標設定7級分度，見表1所列。計算該指標時綜合考慮的各個要素包括：室內溫度、室內空氣相對濕度、平均輻射溫度、氣流速度、服裝熱阻、不同活動代謝率，這些已被編入標準GB/T 18049-2017/ISO7730：2005。

1.2 室內空氣質量評價

室內環境污染物種類已高達900多種，主要來源包括室外空氣中的污染物、室內家具及裝修材料、室內各類家用電器及人類自身活動產生的污染物。室內環境污染問題越來越受到大眾的關注，為保障室內人員的身心健康，很多工作場所及家庭會實時或定期對室內環境進行監測。目前企業和科研院所已開發出各種檢測空氣中污染物的傳感器，許多商家推出了各類專用的室內空氣檢測儀[5]。為保護人體健康，預防和控制室內空氣污染，各個國家均已出臺相關標準，我國已出臺室內空氣質量標準（GB/T 18883—2002），其中從物理學、化學、生物學角度對空氣的19個參數指標做了明確規定，形成室內空氣質量評價標準。部分參數見表2所列。

2 系統設計及實現

室內環境舒適度及污染問題受到廣泛關注，研發一款功能全面、成本低、功耗低、使用方便的室內環境監控系統，可以提升大眾生活品質和工作效率。依據國家出臺的相關標準，室內環境指標涉及多種參數，本文選取溫度、濕度、光照度、一氧化碳濃度、粉塵濃度這5個最受關注的參數，作為監控系統的主要監測指標。室內環境監控系統設計采用物聯網三層架構體系[6]，包括感知層、應用層和網絡層。感知層是系統的核心，由數據采集系統、執行設備、主控芯片等構成；網絡層由無線通信網絡構成，負責傳遞傳感器采集的數據信息；應用層負責數據發布，供用戶在手機上實時獲取室內環境信息。系統架構如圖1所示。

系統以STM32單片機作為核心控制器，數據采集選用DHT11溫濕度傳感器、MQ-7一氧化碳濃度傳感器、GP2Y1014AUOF粉塵濃度傳感器、光照度傳感器，控制設備由空氣凈化器、電燈、加濕器構成。使用液晶屏實時顯示室內環境數據，利用按鍵可自主修改數據報警上下限，同時系統配備有ESP8266串口WiFi模塊，能夠將數據上傳至阿里云平臺，通過手機APP可以遠程實時了解室內環境的各項指標。

2.1 核心控制器模塊

室內環境遠程監控系統核心控制器模塊選用STM32F103C8T6單片機，該單片機是一款基于ARM Cortex-M內核STM32系列的32位微控制器，電路圖如圖2所示。編寫控制程序，使控制器能夠精確讀取、顯示來自傳感器的數據信號，依據采集的環境數據進行聲光報警，智能聯動執行設備，對室內環境進行實時監控[7]。

2.2 數據采集模塊

數據采集部分采用模塊化架構，由多種傳感器組成，添加或者去除傳感器不影響其他部分使用，方便系統調試及二次開發。

2.2.1 溫濕度傳感器

溫濕度傳感器選用DHT11模塊，傳感器內含有感濕和感溫模塊，可以實現室內溫濕度參數的精準測量，溫度精度為±2 ℃，相對濕度精度為±5%。DHT11模塊與單片機的連接方式如圖3所示，其中2個引腳連接電源和地為傳感器供電，DATA引腳與單片機輸入端口連接，利用單總線進行數據通信，驅動DATA線的同時再連接一片5 kΩ的電阻，保持低電平有效，起到增強電路的抗干擾性和限制電流的作用。

2.2.2 一氧化碳濃度傳感器

一氧化碳濃度檢測采用MQ-7一氧化碳傳感器模塊，該傳感器敏感元件選用二氧化錫，其在清潔空氣中電導率較低。隨著空氣中一氧化碳雜散氣體濃度增加，電導率增大，所以可通過檢測電導率變化來檢測空氣中的CO濃度。該傳感器響應速度快、價格低，檢測濃度范圍：10～1 000 ppm。MQ-7一氧化碳傳感器內部原理如圖4所示，1號和4號引腳分別接電源和地為傳感器供電，2號輸出引腳DOUT是依據電平的變化輸出信號，3號引腳AOUT是通過模擬量輸出信號。將3號引腳連接至單片機的輸入端口，利用內部AD讀取一氧化碳濃度。

2.2.3 光照度傳感器

光照度檢測選用光敏電阻傳感器，敏感元件由硫化鎘或硒化鎘等半導體材料制成，其對光線十分敏感，無光照時呈高阻狀態，其阻值隨光照強度的增強而減小，可以精確檢測光照強度。光敏電阻傳感器的原理如圖5所示，該傳感器共有4個引腳：1號和2號引腳連接到電源和地；3號引腳為數字量輸出引腳，當光照度大于設定閾值時引腳輸出低電平；4號引腳為模擬量輸出，可以精確輸出光照度的AD值。將4號引腳連接至單片機的輸入端口，利用內部AD讀取光照度信號。

2.2.4 粉塵濃度傳感器

GP2Y1014AUOF灰塵傳感器的中間有一個孔，工作時空氣會從孔里經過，傳感器包含紅外LED和光電晶體管，工作時定向發光，通過檢測空氣顆粒物所折射的光線來分析計算顆粒物的濃度，靈敏度為0.1 mg/m3。傳感器原理如圖6所示，該傳感器共有6個引腳，1號引腳經過150 Ω限流電阻連接到+5 V，6號引腳直接接到+5 V，2號和4號引腳接地，3號引腳連接發光二極管，5號引腳為傳感器模擬信號輸出端。利用STM32的模擬量通道可將采集的粉塵濃度信號精確至0.1 mg/m3。

2.3 設備驅動模塊

通過繼電器模塊控制，執行設備的啟停，繼電器驅動電路如圖7所示。設備連接至繼電器常開觸點，單片機輸出端口連接至繼電器驅動電路輸入端。當傳感器采集到的數據超過系統設定值時，單片機對應輸出端置低電平，繼電器電磁線圈通電，常開觸點閉合，接通相應執行設備，改善室內環境。

2.4 WiFi模塊

遠程數據傳輸采用串口WiFi模塊，工作原理如圖8所示。WiFi模塊選用ESP8266，芯片采用3.3 V的直流電源供電，體積小，功耗低，內置TCP/IP協議棧，能夠實現串口與WiFi之間的轉換。單片機TXD端口向WiFi模塊發送串口數據，當RXD端接收到單片機的數據后，自行通過路由器以網關的方式將數據上傳至云平臺，云平臺下發數據至手機APP端[8]。

2.5 系統軟件設計

軟件設計主要實現數據的獲取、運算、發送、顯示、控制等功能，為保證程序的通用性和便于二次開發，程序采用C語言編寫[9]。單片機采集各個傳感器的數據并進行運算和處理；利用顯示子程序，在顯示器上顯示室內環境檢測數據，同時將數據上傳至云平臺供用戶查看[10]。系統依據采集得到的室內環境參數，判斷室內舒適性并進行有害氣體預警，如超過設定范圍時啟動聲光報警，提醒用戶及時處理，執行設備自動開啟，系統主程序流程如圖9所示。

3 系統測試

在完成硬件焊接和軟件設計后，進行系統性能測試，檢驗監控系統是否滿足使用需求。系統測試分為各模塊單獨測試和系統整體性能測試。

3.1 模塊測試

根據電路圖印制PCB板，焊接各元器件，對各個模塊進行調試，檢驗各模塊能否正常運行。

（1）顯示電路測試：安全通電后，觀察OLED能否實時顯示采集結果。

（2）按鍵輸入電路測試：檢查各個按鍵是否能正常使用。

（3）傳感器電路測試：檢查各個傳感器能否正常工作，對比標準傳感器，檢測采集數據是否在允許誤差范圍之內。

3.2 系統整體調試

本系統的實物圖如圖10所示。對系統整體性能進行測試，系統自動設定室內環境最佳參數，當某個參數不在設定范圍時，會觸發聲光報警，啟動執行設備，顯示屏和APP可以正常顯示測試結果。系統預留了一定的接口，便于用戶添加其他模塊進行系統拓展研究。

手機端下載APP，用戶可利用智能手機實時了解室內環境情況，手機顯示界面如圖11所示。

4 結 語

針對室內環境問題，研究和設計一種低功耗、低成本、使用方便、易擴展的系統，實現室內環境常用參數的實時監測與遠程顯示、室內環境舒適性評價、有害氣體預警、執行設備自動啟停等功能，實驗結果驗證了系統的有效性。系統具有良好的擴展性，后續將進一步完善室內環境監控參數，設計更直觀、更人性化的監控系統，提升用戶使用體驗。

參考文獻

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作者簡介：白彩波（1987—），女，內蒙古烏蘭察布人，碩士研究生，副教授，主要從事自動檢測、精密測量方面的研究。

收稿日期：2023-04-13 修回日期：2023-05-11

基金項目：安徽省高校自然科學研究項目（2023AH052388）；安徽省中青年教師培養行動項目優秀青年教師培育項目；2021年度蕪湖職業技術學院校級教學質量與教學改革工程項目校級精品在線開放課程（工控組態技術）