基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

ComputerScienceandApplication計(jì)算機(jī)科學(xué)與/10.12677/cDesignofSmartAirQualityDetectionSystemonInternetofThingsTechnologyHangzhouDianziUniversity,Hangzhou Received:Oct.27th,2014;revised:Nov.29th,2014;accepted:Dec.8th,2014Copyright?2014byauthorsandHansPublishersInc.ThisworkislicensedundertheCreativeCommonsAttributionInternationalLicense(CCBY)./licenses/by/4.0/AbstractAnewsmartairqualitydetectionsystemisdesignedinthispaper.ThephoneorPCprogramcanbeusedtocontrolthesmartsystemworkanywherewiththeInternetofThings(IOT)technology,anditindirectlysolvestheproblemthattheairpurifiersmaybespendalotoftimetocleanuptheairwhenitisturnedon.TraditionalairpurifiersonlyusefewdifferentcolorLEDstodisplayairqualityqualitatively.AdifferenttypeofdisplayinterfaceinthissystemisimplementedonthephoneandPCterminals,andthereal-timevaluesoftheenvironmentalqualityconditionaredis-playedandcollected.ItgreatlyenhancestheUserExperience(UE),andcanbeusedintheairpu-rifierindustry.AirQualityDetection,ThingsofInternet,Smart基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)杭州電子科技大學(xué)，杭州 收稿日期：2014年10月27日；修回日期：2014年11月29日；錄用日期：2014年12月8日本文設(shè)計(jì)了一種新型智能空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，使用戶可以隨時(shí)隨地的通過(guò)手機(jī)或PC端控制該智能系統(tǒng)的工作；同時(shí)，間接解決空氣凈化器開(kāi)機(jī)凈化時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題。傳統(tǒng)空氣凈化器一般采用幾個(gè)不同顏色指示燈來(lái)定性顯示當(dāng)前空氣質(zhì)量狀況，本文系統(tǒng)在手機(jī)及PC端上的顯示界面可以實(shí)時(shí)顯示精確的當(dāng)前環(huán)境空氣狀況，方便了環(huán)境數(shù)據(jù)的收集與分析。本文的設(shè)計(jì)將大大提升客戶體驗(yàn)，將可以大量用于空氣凈化器行業(yè)。空氣質(zhì)量檢測(cè)，物聯(lián)網(wǎng)，智能隨著人們?cè)趯?duì)室外空氣污染的重視以及環(huán)保認(rèn)識(shí)提高的同時(shí)，室內(nèi)空氣污染問(wèn)題受到了較高的關(guān)注[1]-[3]。傳統(tǒng)的空氣檢測(cè)和凈化設(shè)備存在兩個(gè)問(wèn)題[4]-[6]：1)凈化時(shí)間長(zhǎng)。一般的控制凈化器，將PM2.5指標(biāo)150(輕中度污染)的空氣凈化到50(優(yōu)良)大約需要在15至30分鐘，重度污染的空氣凈化所需要的時(shí)間更長(zhǎng)；甲醛濃度0.75ppm的空氣凈化到0.1ppm(基本達(dá)到正常標(biāo)準(zhǔn))更需要1個(gè)小時(shí)以上；2)傳統(tǒng)的空氣凈化器一般使用幾種不同顏色的指示燈來(lái)對(duì)當(dāng)前空氣質(zhì)量進(jìn)行定性顯示，不能直觀的顯示環(huán)境具體情況，不方便數(shù)據(jù)的收集與后續(xù)分析。近些年隨著物聯(lián)網(wǎng)、傳感器和數(shù)據(jù)處理技術(shù)的不斷成熟[7]-[9]，智能家居概念已開(kāi)始走入家庭生活[10]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為解決現(xiàn)有空氣檢測(cè)凈化設(shè)備存在的問(wèn)題提出了一些新思路?；诖?，本文提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)方案，并進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。按照現(xiàn)有空氣凈化技術(shù)的發(fā)展水平，短時(shí)間內(nèi)無(wú)法解決開(kāi)機(jī)空氣凈化時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和空氣凈化器結(jié)合，用戶可以異地使用手機(jī)或PC端遠(yuǎn)程控制空氣凈化器提前開(kāi)啟或定時(shí)開(kāi)啟，從而使用戶在到達(dá)空氣凈化器所處環(huán)境時(shí)，該空間環(huán)境已有一個(gè)較好凈化后的空氣質(zhì)量。該方案同時(shí)使用了新的顯示界面，通過(guò)手機(jī)界面、PC界面或檢測(cè)系統(tǒng)自身界面可獲取環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并進(jìn)行直觀顯示，方便用戶實(shí)時(shí)了解相應(yīng)的環(huán)境信息。與傳統(tǒng)空氣凈化器電控系統(tǒng)相比，本文設(shè)計(jì)的智能空氣檢測(cè)系統(tǒng)在功能、用戶體驗(yàn)等方面的差異如表1所示。檢測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路如圖1所示。智能空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)使用Wifi模塊[11][12]通過(guò)無(wú)線路由器與服務(wù)器相連接，服務(wù)器與手機(jī)或PC端進(jìn)行通信。其工作模式如下：1)用戶通過(guò)手機(jī)或外部PC端發(fā)出控制指令，指令通過(guò)移動(dòng)通信設(shè)備或者路由器傳遞給服務(wù)器，再由服務(wù)器發(fā)送給智能空氣質(zhì)量檢測(cè)硬件。2)智能空氣質(zhì)量檢測(cè)硬件接收到指令后開(kāi)始工作，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境中的數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線路由器傳遞給服務(wù)器，由服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、保存。然后，根據(jù)用戶需求將數(shù)據(jù)傳遞給PC端或手機(jī)，并在相應(yīng)界面中進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示。針對(duì)前面的方案設(shè)定，智能空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)的硬件如圖2所示。該硬件主要有四個(gè)模塊，包括監(jiān)√√cr)··y云平臺(tái)無(wú)線路由器220VAC.風(fēng)量調(diào)節(jié)/空氣凈化模組檢測(cè)模塊甲醛傳感器氣體傳感器電源模塊多路繼電器控制電路12VDC/220VAC.風(fēng)量調(diào)節(jié)/空氣凈化模組檢測(cè)模塊甲醛傳感器氣體傳感器電源模塊多路繼電器控制電路12VDC/220VAC/wifi模塊5VDC/RS232調(diào)試串口FigureFigure1.Thedesigningmethodoftheairdetect控制模塊控制觸摸屏通信模塊Figure2.Figure2.Hardwaredesigningmethodofsmartairqualitydetectionsyst測(cè)模塊、電源模塊、控制模塊和通信模塊。監(jiān)測(cè)模塊使用了甲醛傳感器(MS1100)、溫/濕度傳感器(DHT11)、氣體傳感器(夏普GP2Y1010AU)以及外圍電路，主要完成對(duì)環(huán)境空氣質(zhì)量的檢測(cè)(溫濕度、PM2.5、甲醛及其他有毒氣體等)并將相關(guān)數(shù)據(jù)傳送至控制模塊。電源模塊由AC-DC電源、DC-DC電源和繼電器控制電路構(gòu)成。其中，AC-DC電源將220交流電轉(zhuǎn)化為12V直流電，DC-DC電源使用降壓電路(圍繞AOZ1036PI芯片)將12V電壓轉(zhuǎn)化為5V和3.3V，繼電器控制電路完成繼電器開(kāi)/關(guān)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)，用于接收控制信號(hào)后進(jìn)行相關(guān)功能的調(diào)節(jié)?？刂颇K主要有STM32芯片、觸摸屏(TFT液晶)、通信接口組成。其中STM32芯片與其他外圍電路主要完成數(shù)據(jù)收集、處理、轉(zhuǎn)發(fā)和指令發(fā)送等，用于控制其他模塊；觸摸屏用于與用戶交互、顯示收集到的信息；通信接口電路主要完成指令、數(shù)據(jù)等信息的傳遞。其工作方式為：1)觸摸屏或通信接口電路接收控制指令信號(hào)，傳遞給STM32，并由STM32通過(guò)通信接口使能相應(yīng)的工作模塊；2)通過(guò)通信接口模塊收集檢測(cè)模塊傳送的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，結(jié)果傳送給觸摸屏進(jìn)行顯示，同時(shí)傳送給通信模塊，由其發(fā)送至服務(wù)器。通信模塊主要使用了Wifi(TI公司CC3000)模塊[11]與無(wú)線路由相連。其主要作功能為：1)接收通過(guò)無(wú)線路由傳遞來(lái)的控制信號(hào)(手機(jī)或PC端發(fā)送)并傳遞給控制模塊的通信接口；2)接收控制模塊傳遞來(lái)的數(shù)據(jù)包，將數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器，由服務(wù)器保存數(shù)據(jù)，并根據(jù)客戶需求選擇是否發(fā)送至手機(jī)或PC端。智能空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)軟件主要從三個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括智能空氣質(zhì)量檢測(cè)控制軟件(基于2.1章節(jié)的硬件)、PC功能軟件以及手機(jī)功能軟件。2.2.1.智能空氣質(zhì)量檢測(cè)控制軟件智能空氣質(zhì)量檢測(cè)控制軟件主要作用是完成對(duì)各個(gè)模塊的使能、控制；指令傳輸、數(shù)據(jù)的收集；與服務(wù)器的通信，其軟件流程圖如圖3所示。工作流程主要為：1)接收服務(wù)器或觸摸屏指令后，系統(tǒng)進(jìn)行初始化，相應(yīng)模塊使能；2)判斷空氣凈化器的臭氧開(kāi)關(guān)是否開(kāi)啟。如果開(kāi)啟，機(jī)器自動(dòng)進(jìn)入臭氧開(kāi)啟狀態(tài)并做倒計(jì)時(shí)處理，時(shí)間結(jié)束后自動(dòng)關(guān)機(jī)(時(shí)間可由用戶自己設(shè)定)；3)根據(jù)指令，進(jìn)行模式識(shí)別(手動(dòng)或自動(dòng))。模式識(shí)別后，進(jìn)行相應(yīng)的功能指令的處理(檢測(cè)當(dāng)前環(huán)境、選擇凈化模式)；4)處理后，將實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器或觸摸屏進(jìn)行顯示。為了方便檢測(cè)系統(tǒng)的手工操作，設(shè)計(jì)了專門的觸摸屏界面，如圖4所示。整個(gè)界面分為顯示區(qū)域、控制鍵區(qū)域和指示區(qū)域三部分。顯示界區(qū)域如圖4中綠色部分所示，顯示當(dāng)前環(huán)境中PM2.5、甲醛、溫度與濕度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)?？刂奇I區(qū)域如圖4中白色部分所示，共有六個(gè)控制鍵。最下面的四個(gè)鍵依次是：模式選擇、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、臭氧開(kāi)關(guān)、系統(tǒng)開(kāi)關(guān)。剩余兩個(gè)控制鍵為手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)化、時(shí)間設(shè)定。指示區(qū)如圖4中最上側(cè)所示，可以顯示W(wǎng)ifi信號(hào)情況、風(fēng)量等級(jí)以及工作模式(手動(dòng)/自動(dòng))。2.2.2.PC控制與手機(jī)功能軟件PC控制軟件與手機(jī)功能軟件的作用選擇凈化器的工作模式與顯示服務(wù)器傳送來(lái)的數(shù)據(jù)。PC控制軟件與手機(jī)功能軟件的流程控制基本一致，如圖5所示。主要工作流程為：1)根據(jù)自身wifi信息與服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)信息對(duì)軟件進(jìn)行配置；2)與服務(wù)器進(jìn)行連接，并判斷是否成功。不成功是詢問(wèn)是否再次連接；3)發(fā)送指令到服務(wù)器，接收來(lái)自服務(wù)器的數(shù)據(jù)。并判斷是否超時(shí)，是否重連；4)當(dāng)收到服務(wù)器斷開(kāi)指令時(shí)，自動(dòng)退出。智能空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)總體的測(cè)試平臺(tái)的搭建如圖6所示，將設(shè)備、手機(jī)與PC端通過(guò)無(wú)線路由與服務(wù)器相連接。通過(guò)PC端和手機(jī)功能軟件與服務(wù)器通信，并獲取服務(wù)器發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)。PC端功能軟件與服務(wù)器連接后的界面如圖7所示，顯示了PC端軟件設(shè)定的定時(shí)時(shí)間以及由服務(wù)器發(fā)送來(lái)的空氣檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)送的溫度、濕度、甲醛濃度與PM2.5數(shù)值。手機(jī)客戶端功能軟件與服務(wù)器連接后的界面如圖8所示。所顯示的內(nèi)容形式與PC端相同。開(kāi)機(jī)啟動(dòng)系統(tǒng)配置是是臭氧開(kāi)關(guān)是否開(kāi)啟?否·開(kāi)啟定時(shí)器進(jìn)自動(dòng)自動(dòng)/手動(dòng)判斷手動(dòng)入系統(tǒng)定時(shí) 否定時(shí)時(shí)間是否到?讀器自動(dòng)-關(guān)機(jī)——wifi發(fā)送數(shù)據(jù)Figure3.ControlsoftwarefloFigure4.Controlinterfaceviewfor連接服務(wù)器否連接服務(wù)器是<><>是否是是<><>是否是選擇功能<>選擇功能<>接收數(shù)據(jù)是是是否 否Figure5.Figure5.SoftwareflowchartofPCandpFigure6.Figure6.Circuitcon++--+監(jiān)測(cè)Figure7.+監(jiān)測(cè)Figure7.InterfaceofPCsoftware風(fēng)速FigureFigure8.Interfaceofphonesoftware通過(guò)測(cè)試可以檢驗(yàn)，完全實(shí)現(xiàn)了使用手機(jī)功能軟件和PC端功能軟件，通過(guò)服務(wù)器控制智能空氣質(zhì)量檢測(cè)硬件，并精確顯示監(jiān)測(cè)空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的功能。本文針對(duì)傳統(tǒng)空氣凈化器存在的凈化時(shí)間長(zhǎng)、空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)法精確顯示的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)