【《基于物联网的家庭空气质量监测系统设计》9200字（论文）】

基于物联网的家庭空气质量监测系统设计摘要随着人们的生活条件的提高，家庭的环境状态也越来越受人们所重视，各类智能家居在家庭中的地位也逐步提升。本设计运用ESP8266模组和Blinker物联网平台，基于ArduinoIED软件开发平台，设计了一款家庭空气质量监测系统，本系统主要由ESP8266模组、温湿度传感器、空气质量传感器、天然气传感器及一氧化碳传感器组成。能够实时监测家中的可燃气体、空气质量、温湿度等环境信息，监测数据能够实时上传至物联网云平台，其他智能家居设备可根据本系统所检测的数据进行动作，实现智能控制，使家中环境保持最舒适的状态。本系统支持连接Wi-Fi网络，能够将数据上传至Blinker平台，用户可通过Blinker平台查看家庭中的环境情况。系统具有制造成本低、使用简单、系统运行可靠、具有远程控制功能等优点。关键词：ESP8266；Blinker；环境监测；智能家居=目录1. 绪论 [16]。电路中LED发光二极管的电源需要串联150电阻限流，并且需要并联22的电容来维持电压稳定。模拟输出引脚输出电压范围为0-5，而控制器ADC输入引脚的允许电压为0-1，所以需要使用串联电路进行分压，使传感器的输出电压在0-1的范围内，才能够正常读取。LED引脚为补光控制引脚，高电平有效，高电平电压为电源电压，而控制器引脚的高电平电压为3.3，所以需要电平转换电路将3.3的电压转换至5进行控制。而传感器的电源引脚同样采用5进行供电，且在电源引脚处并联一颗4.7和100的电容对电源进行滤波处理。可燃气体传感器电路设计家中通常使用的可燃性气体为天然气和煤气，其主要成分分别为甲烷和一氧化碳。可根据被检测气体成分选择不同型号的气体传感器，即可对可燃气体浓度精确检测。本设计中选用MQ-4甲烷气体传感器，其电路原理图如下图3-4所示：图3-4甲烷气体传感器原理图气体传感器的内部是一种对特定气体敏感的气敏电阻，当该气体浓度发生变化时，气敏电阻会随着特定气体浓度的变化而变化，其关系呈函数关系。当气体浓度上升时，气敏电阻阻值变小，信号输出点的电压升高，此时可通过电压的变化表示气体浓度的变化。而信号输出点的输出电压范围为0-5，而控制器模数转换引脚的输入电压范围为0-1，所以需要串联分压电阻将电压降至允许范围内。温湿度传感器电路设计温湿度检测是通过DHT11温湿度传感器进行检测。DHT11温湿度传感器的电路较为简单，仅需要电源和一条信号线即可完成。其电路原理图如下图3-5所示：图3-5温湿度传感器电路原理图温湿度传感器供电支持3.3-5的直流电压，为保证信号电平电压与控制器电平电压一致，传感器采用3.3进行供电，此时传感器的数据引脚可直接与控制器引脚相连。在电源引脚处并联一颗100的陶瓷电容，对电源进行滤波处理，可降低电源纹波对传感器采样精度的影响。基础硬件电路的设计系统降压稳压电路设计系统的供电方式采用外接5直流电源进行供电，而系统中同时需要5和3.3直流电源才能正常工作，所以需要将5直流电源通过降压稳压电路将电压降至3.3，为3.3的负载进行供电。降压稳压电路原理如下图3-6所示：图3-6电源降压稳压电路原理图电压电路采用线性稳压的原理，将5直流电压降至3.3并保持稳定。通过ME6211C33M5G低压差线性稳压芯片可满足本设计需求。该芯片采用SOT23-5封装设计，体积小巧，且最大能够输出1的电流，电流输出能力满足3.3的负载需求。而且其电路设计简单，外围仅需要两颗滤波电容即可正常工作。且供电质量高，输出纹波小，能够为传感器和控制器提供高质量电源。ADC切换电路设计由于控制器仅有一个ADC转换引脚，而系统中共有两个传感器输出信号为模拟量，所以需要扩展ADC通道，实现一个转换引脚能够转化两路模拟信号的功能，该功能可通过RS2255XN模拟开关芯片完成，其电路原理图如图3-7所示：图3-7ADC切换电路原理图RS2255XN模拟开关芯片为4通道输入芯片，能够将1路ADC通道扩展至4路，通过6号、7号引脚的电平状态可控制当前所要转换的通道。4号引脚为使能引脚，低电平有效，可直接接地。9号引脚为信号输出引脚，接控制器的ADC输入引脚。X0和X1分别接PM2.5粉尘传感器和甲烷气体传感器的输出端。显示模块电路设计显示模块主要用于显示当前系统检测的空气质量的各个指数以及显示系统的相关信息，方便用户进行查看。显示模块采用0.96寸、基于IIC通信协议的显示屏，其电路原理如图3-8所示：图3-8显示模块电路原理图显示模块的屏幕分辨率有128*64，并且其拥有控制简单、功耗低、价格便宜等优点。显示模块采用3.3直流电源供电，且工作电流较小，无需单独设计降压电路进行供电。显示模块的3号和4号引脚为IIC总线引脚，直接与IIC总线相连，外部需要使用4.7电阻进行上拉，以保证高电平的有效性。通过IIC通信，将每个像素点的亮灭信息发送至显示模块，并刷新显示，即可显示有效信息。

软件程序设计与实现软件程序主程序流程硬件电路主要用于系统的基本功能和环境信息的转换，将物理信号转换为电信号，但逻辑功能以及数据上传等功能需要通过程序进行实现，本设计的软件程序部分主要完成以下功能：PM2.5粉尘传感器、温湿度传感器及燃气传感器的数据读取与转换；OLED显示模块的驱动及显示内容设计；环境参数的逻辑判断以及数据上传；Wi-Fi网络连接控制。其中，PM2.5粉尘传感器和燃气传感器输出的均为模拟信号，仅需要使用模拟信号采集的函数即可将模拟值转换为数字值，而温湿度传感器输出为数字信号，需要通过传感器支持的通信协议进行读取，所以需要控制引脚的电平状态以及电平的输入输出模式，对单总线的电平信号进行读取，以此获取传感器发出的温湿度信息。而OLED显示模块则是通过IIC通信协议将需要显示的数据发送至显示模块，并通过发送指令控制显示器进行更新，即可显示出所需要显示的内容。程序运行流程图如图4-1所示。图4-1程序运行逻辑流程图PM2.5粉尘传感器程序设计根据PM2.5粉尘传感器的数据手册可知，传感器的检测方式需要一定逻辑控制，即LED发光二极管需要使用特定的脉冲信号进行控制，该信号的要求为高电平持续0.32ms，周期时长为10ms，其中输出信号稳定时间约为上升沿后的0.28ms。时序波形图如图4-2所示。图4-2输出信号与LED控制脉冲关系在读取PM2.5粉尘传感器的输出电压时，首先需要将ADC切换电路的控制电平都设置为低电平，此时PM2.5粉尘传感器的输出与ADC转换引脚相连。通过程序控制LED引脚的电平切换时间，在LED引脚电平拉低时，设置延时280us，在延时完成后，启动模拟转换器，将ADC输入引脚的电压值转换为数字值，并保存在响应变量中。其控制程序如图4-3所示。图4-3PM2.5粉尘传感器输出电压读取 在将模拟电压值转换为数字值后，需要通过电压与粉尘浓度关系式计算出当前粉尘的实际浓度值。输出电压与粉尘浓度关系式如公式4-1所示。 (4-1)式中，为粉尘浓度，单位：;为读取的电压值，单位：。通电压值可以通过分压比及ADC转换的数值计算得出，在将电压值代入式4-1即可计算出当前粉尘的浓度，并将浓度数值上传至云端。可燃气体传感器程序设计可燃气体传感器采用MQ-4甲烷气体传感器进行设计。该传感器在甲烷气体浓度升高时，其等效电阻减小，此时输出电压会随着甲烷气体浓度的升高而升高。当读取甲烷气体浓度时，需要将ADC切换电路的控制电平中的B引脚电平设置为高电平，A引脚电平设置为低电平，此时控制器ADC引脚与甲烷传感器输出引脚相连。甲烷气体传感器数据读取流程图如图4-4所示。图4-4甲烷传感器读取流程图在ADC采样通道切换完成后，不能够立即启动ADC转换，因为此时ADC引脚的电压并没有完全稳定，需要等待约1ms后，才能启动ADC转换，此时ADC引脚的电压与甲烷传感器的输出电压一致。在电压转换完成后，通过将转换的12位数字量计算出当前的实际电压值，并根据甲烷传感器的数据手册得到输出电压与甲烷浓度的关系式，即可计算出当前甲烷浓度值。当甲烷浓度值超过所设定的阈值时，系统将通过网络向用户发送报警信息，提示家中有燃气泄漏。温湿度传感器程序设计DHT11温湿度传感器是一种内置数字处理电路的传感器，其输出信号为数字信号，通过单总线通信协议将温度湿度信息发送给控制器，即可读取当前环境中的温度和湿度信息。该传感器的通信协议和通信方式可在DHT11温湿度传感器的数据手册中查阅。温湿度读取流程图如图4-5所示：图4-5温湿度传感器读取流程图在程序设计中，通过调用DHT11温湿度传感器的库文件，即可直接初始化DHT11温湿度传感器，并通过封装好的函数读取温湿度信息，无需自行设计程序进行读取。能够大大降低开发难度和缩短开发时间。当检测到室内湿度过高或过低时，系统会发送指令控制相应的设备进行除湿或加湿动作，以维持室内的湿度保持在舒适的范围内。DHT11温湿度传感器的读取程序如图4-6所示：图4-6温湿度传感器读取程序

总结与展望总结本设计是针对当前家庭中存在各类智能家居设备，能够改善室内空气质量和舒适度，但设备仍需用户自行打开，而没有一个具有检测和控制一体的智能设备去控制它们自动启动的现象，设计了一种家庭空气质量监测系统，该系统能够实时监测室内空气质量、温湿度信息、可燃气体信息等，根据所检测的数据来控制各类智能家居设备使室内空气质量能够维持在较为舒适的状态，并且能够将检测的数据实时上传至云端进行查看。根据以上需求确定了本设计的设计目标，完成了家庭空气质量监测系统的电路原理设计以及程序设计，并总结如下：本文设计了一种能够监测室内空气质量、温湿度以及可燃气体浓度的系统，并且该系统可以通过Wi-Fi网络将采集的数据上传至Blinker云端服务器，用户可以通过手机APP直接查看当前家中各传感器的数据。能够检测空气中PM2.5粉尘浓度，并且在浓度过高时能够向空气净化器发出开机指令，以降低空气中粉尘颗粒的含量，提高空气质量指数；同样能够检测室内温度和湿度，在超出设定范围时向设备发出控制指令，维持室内空气在舒适范围内。本系统的使用操作简单，仅需要连接网络即可正常工作，无需进行其他设置，并且体积小巧，可摆放在有电源的桌面，床头柜等地方，即可检测附近区域的各种空气指数。本设计的电路设计简单，所使用的元器件数量少，能够有效较低生产成本及制作难度，使本设计更容易进行批量生产。展望本设计中家庭空气质量监测系统的功能虽然已经满足设计目标，但仍有一些可以改进及完善的地方，总结如下：由于系统中的可燃气体传感器仅能检测甲烷或者一氧化碳，而不能同时检测多种可燃气体，所以系统只能分为检测甲烷和检测一氧化碳两种，若被检测的气体与传感器所能检测的气体不一致，会导致传感器检测失灵。家庭空气质量监测系统的部分关键功能需要连接Wi-Fi网络才能实现，当Wi-Fi网络发生意外断开连接后，本系统只能完成检测与显示功能，数据将无法上传至云端，并且无法控制其他智能家居的工作状态。系统在家中出现停电故障后，因为系统本身并无内置电源，所以停电后系统会停止工作，此时将无法获取所有信息。后期可通过增加内置电源电路，当停电时系统仍然能够检测家中的可燃气体等信息，并通过屏幕向用户提供基础信息。由于当前系统连接网络是通过Wi-Fi无线通信的方式，该方式存在功耗较大，且设置省电模式后，Wi-Fi会自动断开连接，使数据无法及时更新，后期可更换无线网络的连接方式，可使用功耗更低的蓝牙通信进行数据的传输。后期将根据本设计所存在的不足之处，对家庭空气质量监测系统的功能和电路进行进一步完善。

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附录1：系统总原