基于物联网的室内环境监测系统设计 张仁蜜
  摘要：当前，人们对室内环境的关注度越来越高，加强了监测工作。对于室内环境的监测，政府也出台相关的政策来确保我们生活环境能达到比较好的水平。在这个新兴的材料时代，室内装修的材料各种各样，这样使得在室内的环境中污染物变得越来越多，其中以甲醛为代表的有毒有害气体也变得更加严重。大多数的城市居民在室内长期生活，都不同程度出现了头晕眼花、咳嗽、身体易疲劳等各种各样的症状。因此，使用高科技对室内环境尤其是室内甲醛的监测变得非常重要，这不但有利于提高居民的生活水平与健康水平，同时也积极响应了我国政府关于确保室内生活环境的政策。
        关键词：物联网；室内环境；监测系统设计
        引言
        物联网是一种新型通信网络，其可以利用各类型的信息传感设备，实时采集各类型物体的信息，与互联网集成起来构建一个巨大的网络，目标是实现物与物、人与物之间的通信连接，方便识别、控制和管理。物联网关键技术很多，包括传感器技术、RFID技术和嵌入式系统技术。传感器是一种信息感知芯片，能够将模拟信号转换为数字信号。RFID本质也是传感器，融合了嵌入式技术和无线射频技术，能够无接触式识别信号。嵌入式系统集成了计算机
硬件设备、集成电路、传感器等电子技术，可以固化到硬件设备中，实现物联网信息采集和操作。基于物联网的环境监测系统已经在很多场所得到应用，比如智能家居、体育馆、大型商超、写字楼等。可以利用传感器严密监视环境中存在的有害物质，比如甲醛、苯等，也可以监控室内环境是否存在火灾烟雾，监控各类型水暖电气设备的运行状态，将这些数据利用物联网发送到监控中心，以便提高人们生活的健康水平，具有重要的作用和意义。
        1系统的硬件设计
        本设计包括了主控制器STM32芯片、ESP8266WIFI模块、SHT20温湿度模块、GY-30光照模块、MS5611压强模块、OLED显示模块、SYN6288语音模块手以及电源模块等。
        1.1 SHT20温湿度传感器
        本设计中选用的SHT20数字温湿度传感器，它是STH20温湿度传感器系列中性价比比较高的一款产品，用户的使用率高，而且应用领域也比较广泛。STH20温湿度传感器在尺寸设计和智能应用方面建立了新的标准，而且可以在高湿度环境下进行检测，保证了性能更加稳定。传感器和单片机连接电路如图1所示。
 
        图1  SHT20温湿度传感器原件的电路原理图
        1.2 WIFI模块
        本设计使用的WIFI模块ESP8266模块，模块集成了完整的TCP/IP协议栈和MCU以及增加了一些外围电路、串口等。这是一款超低功耗的UART-WiFi透传模块，而且成本低，使用方便。在业内具有丰富的竞争力，是专门为物联网和移动设备应用而设计的。用户使用时，可以将自己的设备连接到到Wi-Fi无线网络上，进行局域网内的通信或者互联网通信，实现联网功能。WIFI模块可以实现让硬件联网这一问题，通过使用ESP8266WiFi模块就可以将硬件联网，使用串口来配置，将串口的波特率和WIFI模块的波特率配置一样后，通过串口发送AT指令配置WIFI模块即可。WIFI模块是连接软件和硬件的桥梁，通过WIFI模块可以将所学的单片机知识和Wed知识连接起来。
        1.2 BH1750光强模块
        本设计的光强模块采用BH1750光强传感器，采用了标准IIC总线接口测试光强范围在1lx到65535lx之间。该模块优点在于不但光强度采集精度高，而且是一个接近视觉灵敏度的光谱传感器，实时性强，电路设计简单，容易集成，测试的光强范围广。本设计中采用它来检测环境光照强度，使用模拟IIC接口SCL接单片机PB1，SDA接单片机PB0口。
        1.3 GP2Y1051AUOF空气质量传感器
        本设计中对于PM2.5数据的采集采用的是夏普GP2Y1051AUOF空气质量传感器。GP2Y1051AUOF传感器与单片机的连接如图2所示，1口（V-LED）接一个150Ω的上拉电阻，在1和2之间串一个220μF的电容，其中5口（VO）接单片机PA1作为接收模拟信号，3口（LED）接单片机PB12发送脉冲信号。
        1.5 MS5611-01B气压传感器
        本次设计用到的气压传感器是MEAS（瑞士）推出的一款MS5611-01B气压传感器，它采用的是SPI和IIC总线接口形式，分辨率可以达到10cm。该传感器包含了一个高线性度的压力传感器和一个模数转换器。该传感器的优点在于具有高分辨率，它的通信协议简单，尺寸小巧。MS5611与单片机的连接如图3所示，这里也采用的是IIC总线驱动，程序采用模拟IIC，SCL接单片机PB6，SDA接单片机PB7口。
        图3  MS5611电路原理图
        1.6 SYN6288语音模块90设计网
        SYN6288语音模块是北京宇音天下科技有限公司在2010年初推出的一款高性价比芯片，SYN6288采用的是异步串口（UART）的通讯方式，实现与处理器间的数据传输。接
收待合成的文本数据，实现文本到语音（或TTS语音）的转换该芯片的优点是贴片封装，硬件接口简单，功耗低，音圆润，性价比高而且在识别文本方面更加智能准确，语音合成度更高。模块与单片的连接使用串行通信其中RD接单片机PA9，TXD接单片机的PA10口。
        2系统软件的设计
        系统主要是由STM32F103芯片通过IIC总线与传感器的通信来采集SHT20温湿度数值，BH1750光照强度数值、MS5611大气压强数值，并通过ADC接口来连接PM2.5模块，采集到传感器的模拟量后，通过算法得到PM值。然后将采集的数值通过OLED显示，并且通过串口通信来与WIFI模块进行通信。最后，本作品还可以通过服务器或者手机端下传预警值，单片机读取到预警值后进行对比，当数值超过这个界限时候，语言模块将会发送语音信息来警告此时的数值已经超过了所设定的界限。具体的工作流程为：
        （1）初始化系统设置，包括初始化系统的时钟，设设置中断的优先级，初始化各模块，初始化串口1（设置通信的波特率位9600）和串口2（设置通信的波特率位115200），初始化定时器3的频率为100Hz；OLED模块初始化，几个传感器的初始化以及WIFI模块的初始化等。
        （2）STM32发送相关的AT指令，控制WIFI模块连接到局域网；
        （3）通过串口和WIFI模块向服务器发送GET包请求，获取预警值；
        （4）到获取到预警值以后，就将STM32平台采集到的环境数据每3秒通过WIFI发送给服务器，同时对比采集到的环境数据与预警值，当达到预警值时进行报警。
        结语
        本文设计了一款基于物联网室内环境监测装置，把传感器采集的数据通过控制电路很好的发送到云平台，用户可以通过移动终端访问云平台实时查看室内的各项环境参数，可以根据具体情况设置报警值并且通过智能设备做出及时的调节。通过软硬件测试，该系统实用性和可靠性比较理想，并且利用物联网技术打破了局域性和区域性具有移动性强、简单、可靠、经济等优点。
        参考文献：
        [1]刘向举，刘丽娜.基于物联网的室内环境监测系统的研究[J].传感器与微系统，2013，3（3）：37-42.
        [2]谢东坡.室内环境监测与舒适度评价系统研究[D].重庆：重庆理工大学，2009.
        [3]刘世栋，叶桦，程存学等.基于云计算和物联网的智慧营区规划设计[J].物联网技术，
2017，1（1）：115-118.
        基金项目：云南省教育厅科学研究基金项目 2018JS839 基于物联网技术的水产养殖管理系统的关键技术研究。

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