基于物聯(lián)網(wǎng)傳感的室內(nèi)環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、基于STC12C5A60S2單片機(jī)互聯(lián)感知的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)賤人 摘要：如今人們?cè)谑覂?nèi)花費(fèi)了大量的時(shí)間，而室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量與人體健康息息相關(guān)，因此室內(nèi)環(huán)境氣體質(zhì)量檢測(cè)至關(guān)重要。針對(duì)目前市場(chǎng)上室內(nèi)氣體檢測(cè)儀成本高、精度低、檢測(cè)種類單一等缺點(diǎn)，本文基于物聯(lián)網(wǎng)傳感平臺(tái)，以單片機(jī)為控制核心，設(shè)計(jì)出一種室內(nèi)環(huán)境氣體實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)。本系統(tǒng)立足于解決室內(nèi)污染超標(biāo)而不被人所知繼而危害人體健康的問題，實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)環(huán)境氣體質(zhì)量的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)檢測(cè)，根據(jù)傳感器反饋的數(shù)據(jù)，結(jié)合最高危害上限指標(biāo)要求，及時(shí)給出室內(nèi)環(huán)境污染對(duì)人體健康危害的報(bào)警基點(diǎn)。利用CO傳感器、CO2傳感器、甲醛傳感器、溫濕度傳感器等實(shí)時(shí)檢測(cè)室內(nèi)環(huán)境氣體質(zhì)量，將檢測(cè)數(shù)據(jù)

2、交給單片機(jī)分析處理，單片機(jī)可根據(jù)檢測(cè)值自動(dòng)做出是否報(bào)警的決定。 關(guān)鍵詞：室內(nèi)環(huán)境檢測(cè)；物聯(lián)網(wǎng)；單片機(jī)；聲光報(bào)警； 傳感器The indoor environment testing system based on IOT sensor designLi Cheng(North University of China branch in Shuo Zhou Shang Xi，036000)Abstract: Nowadays people spend much of their time indoors, and indoor environmental quality is closely r

3、elated to human health, so the indoor environment gas detection is very important. Aiming at the defects of the market at present high cost of indoor gas detector, low precision, detection of single species, this paper based on the Internet of things, with single chip microcomputer as the control co

4、re design an indoor environment gas real-time detection system. This system is based on the solution to indoor pollution exceeds bid without being known and endanger human body health problems, realize real-time dynamic detection of the indoor environmental air quality, according to the feedback sen

5、sor data, Combined with the highest hazard limit index requirements, timely give alarm points of indoor environment pollution on human health hazards. The CO sensor, CO2 sensor, formaldehyde sensor, temperature and humidity sensor real-time detection of indoor air quality and the detection data to t

6、he microcontroller processing, the MCU can according to the detected values to make decision whether to give an alarm automatically. Key words: Indoor environment testing；The Internet of things；Single chip microcomputer；Sound and light alarm0 引言CO和CO2是造成室內(nèi)空氣質(zhì)量下降的主要成分，長時(shí)間接觸低濃度的CO會(huì)造成慢性中毒；CO2雖然是無毒氣體，但是

7、CO2濃度過高會(huì)導(dǎo)致頭昏，耳鳴等癥狀；甲醛對(duì)眼、喉、上呼吸道和皮膚均可產(chǎn)生刺激作用，過量的甲醛氣體將導(dǎo)致各種疾病甚至癌癥；室內(nèi)的溫濕度變化同樣使人們的心情隨之改變，當(dāng)室內(nèi)的濕度較低溫度較高時(shí)，也就是室內(nèi)較干燥時(shí)，容易使人感到煩躁，而室內(nèi)的濕度較高時(shí)，容易使人患一些皮膚病，如濕疹等。室內(nèi)空氣質(zhì)量和我們的生活質(zhì)量息息相關(guān)。鑒于目前室內(nèi)環(huán)境檢測(cè)儀價(jià)格昂貴，大部分人群不能充分利用此設(shè)備，從而沒能起到保障人體健康的作用。因此，本文特開展此研究，旨在設(shè)計(jì)出一個(gè)高精度多種類檢測(cè)室內(nèi)環(huán)境氣體質(zhì)量的低成本系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要功能如下：1）參數(shù)設(shè)置：可設(shè)置氣體濃度超標(biāo)報(bào)警的限值；2）數(shù)據(jù)采集：高精度實(shí)時(shí)檢測(cè)周圍環(huán)境中

8、CO、CO2、溫濕度、甲醛和苯的同系物的含量并存儲(chǔ)；3）顯示數(shù)據(jù)：LCD顯示當(dāng)前溫濕度數(shù)據(jù)；4）超限報(bào)警：通過聲光對(duì)CO、CO2、甲醛和甲苯含量超限報(bào)警。1 系統(tǒng)總方案設(shè)計(jì)室內(nèi)環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)的方法，它由電源模塊、濕度檢測(cè)模塊、溫度檢測(cè)模塊、氣體檢測(cè)模塊、系統(tǒng)信息顯示部分以及主控制器構(gòu)成。濕度測(cè)量使用的是DHT11傳感器；溫度測(cè)量使用DS18B20傳感器；氣體檢測(cè)又分為3個(gè)部分組成，分別是對(duì)CO的檢測(cè)，對(duì)CO2的檢測(cè)以及對(duì)甲醛和苯的同系物的檢測(cè)。采集得到的室內(nèi)環(huán)境信息通過LCD1602液晶模塊進(jìn)行顯示。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖如圖1所示。甲醛傳感器放大運(yùn)算CO傳感器CO2傳感器A/D轉(zhuǎn)換模塊S

9、TC12C5A60S2單片機(jī)為核心的微處理器LCD1602數(shù)據(jù)存儲(chǔ)按鍵報(bào)警溫濕度傳感器 圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.1 電源電路模塊設(shè)計(jì)電源部分主要是為系統(tǒng)的各個(gè)模塊供電，以便使得系統(tǒng)能夠正常工作。電源電壓的穩(wěn)定性相對(duì)較為重要，當(dāng)電源不穩(wěn)定時(shí)，單片機(jī)測(cè)得各部分的數(shù)據(jù)就會(huì)錯(cuò)亂，導(dǎo)致系統(tǒng)異常，顯示數(shù)據(jù)出錯(cuò)。而且要考慮到電源發(fā)熱的問題，當(dāng)電源長時(shí)間工作時(shí)，大多數(shù)芯片容易發(fā)熱，尤其是在功率過大時(shí)，更是容易使芯片燒毀。AMS1117是AMS公司生產(chǎn)的一款LDO電壓調(diào)節(jié)器，此系統(tǒng)工作電壓為5V，故選用可調(diào)穩(wěn)壓芯片，為其提供5V穩(wěn)定電壓。AMS1117應(yīng)用方便，只需外接兩個(gè)采樣電阻即可輸出穩(wěn)定電

10、壓。2.2主控制器系統(tǒng)主控制器采用STC公司生產(chǎn)的STC12C5A60S2單片機(jī)為控制核心。新一代 STC12C5A60S2 與傳統(tǒng)的 MCS 51 系列單片機(jī)指令完全兼容，具有高速、低功耗及抗干擾性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn) 該單片機(jī)擁有 60K 的程序存儲(chǔ)器和 1280 字節(jié) RAM，完全能滿足單片機(jī)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)要求; 且該單片機(jī)是新一代單時(shí)鐘/機(jī)器周期( 1T) ，其處理速度是傳統(tǒng) 51 單片機(jī)的 8 到 12倍，便于以后進(jìn)行功能擴(kuò)展。其自帶高速8路10位AD轉(zhuǎn)換器，使系統(tǒng)不需外加 A/D 轉(zhuǎn)換芯片。由于不需將單片機(jī)應(yīng)用于多機(jī)方式，所以單片機(jī)工作于最小模式下即可。 圖2 STC12C5A60S2最小系

11、統(tǒng)1.1甲醛、甲苯模塊設(shè)計(jì)電化學(xué)的甲醛、甲苯傳感器能滿足一般檢測(cè)，而且具有體積小、檢測(cè)快、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)采用電化學(xué)傳感器MS1110模塊。該傳感器對(duì)甲醛、甲苯在濃度低時(shí)有更好的采集的信號(hào)，經(jīng)放大后送給單片機(jī)ADC轉(zhuǎn)換部件，將采集的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后STC12C5A60S2將轉(zhuǎn)換結(jié)果取出，計(jì)算得到環(huán)境中甲醛和甲苯的濃度值。圖3為MS1110隨著甲醛甲苯濃度的增加靈敏度的變化，從圖中可以看出，此模塊在甲醛甲苯濃度低時(shí)，具有更好的靈敏度，精確度更高。 圖3 ms1110對(duì)甲醛甲苯的靈敏度變化1.2 CO2模塊設(shè)計(jì)CO2模塊采用FIGARO公司生產(chǎn)的TGS4160，該傳感器的工作原理

12、是：根據(jù)NERNST方程：式中： 為CO2的分壓；Ec為常數(shù)；R是氣體常數(shù)；T為溫度值（K）；F是法拉第常數(shù)，通過檢測(cè)S(+)、S(-)兩個(gè)電極之間所產(chǎn)生的電勢(shì)值EMF，就可以測(cè)量CO2的濃度值。 TGS4160除了具有體積小、壽命長、選擇性和穩(wěn)定性好等特性外，同時(shí)還具有低成本、耐高濕和耐低溫等特點(diǎn)。既能滿足在各種環(huán)境條件下正常工作，有高精度的測(cè)量結(jié)果的要求，同時(shí)還具有較低的成本，能滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初衷。1.3 CO模塊設(shè)計(jì)CO測(cè)量模塊采用MQ-7氣體傳感器，它對(duì)CO的靈敏度高，且是一款低成本的傳感器。MQ-7的氣敏材料是用在清潔空氣中電導(dǎo)率低的SnO2。工作原理是采用高低溫循環(huán)檢測(cè)方式，低溫（

13、1.5V加熱）檢測(cè)一氧化碳，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中一氧化碳?xì)怏w濃度增加而增大，高溫（5.0V加熱）清洗低溫時(shí)吸附的雜散氣體，通過使用簡(jiǎn)單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。1.4 溫濕度模塊設(shè)計(jì)DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器,具有極高的穩(wěn)定性和可靠性。每個(gè) DHT11 傳感器都在極為精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲(chǔ)存在 OTP 內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測(cè)信號(hào)的處理過程中需要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)，以便得到準(zhǔn)確的室內(nèi)環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)。超小的體積、極低的功耗，信號(hào)傳輸距離可達(dá) 20 米以上，而且使用單總線的數(shù)據(jù)傳輸模式，可

14、以同時(shí)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)檢測(cè)，使系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)易快捷，而且有效節(jié)約系統(tǒng)的IO口，可以將其放置在室內(nèi)的任何位置。 二 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)在硬件電路的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上開發(fā)相應(yīng)的軟件來共同實(shí)現(xiàn)檢測(cè)功能。對(duì)于室內(nèi)環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)來說，軟件程序編寫的好與壞直接決定了整個(gè)程序的成敗。在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中同樣采用模塊化設(shè)計(jì)思想，分別實(shí)現(xiàn)溫濕度模塊的檢測(cè)、各種氣體濃度的采集和輸出、LCD1602的顯示和聲光報(bào)警，采用可移植性高的C語言編寫，在RealView MDK編譯環(huán)境中運(yùn)行，使用STCISP軟件與單片機(jī)交互，這給程序的修改和調(diào)試帶來很大的方便。圖 4為系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。各個(gè)模塊測(cè)量的結(jié)果都通過串口打印和顯示屏顯示，如此可以實(shí)時(shí)獲

15、取當(dāng)前室內(nèi)環(huán)境的氣體空氣狀況，用戶可根據(jù)情況做出相應(yīng)的措施以此起到保障生活質(zhì)量的目的。系統(tǒng)初始化開始限值數(shù)據(jù)采集與處理數(shù)據(jù)顯示Y報(bào)警鍵動(dòng)作鍵處理圖4 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖系統(tǒng)上電后，進(jìn)行初始化工作，然后循環(huán)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理并顯示，在濃度超限時(shí)給予聲光報(bào)警，有按鍵動(dòng)作時(shí)可設(shè)置報(bào)警參數(shù)，并取消報(bào)警。通過檢測(cè)學(xué)校宿舍、辦公室的溫度和濕度值，初步判斷系統(tǒng)可行性還是非常高的，下面是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：濕度 (RH)37353430溫度（）18202225顯示結(jié)果OkOkOk！其中25時(shí)顯示“！”并響應(yīng)報(bào)警模塊。三 檢測(cè)方案鑒于不同的人群工作條件、方式的不同，可以將空氣層劃分為2部分。調(diào)查顯示，辦公族平時(shí)80%的時(shí)間都

16、處于靜坐狀態(tài)，呼吸帶主要集中于110130cm處，此層空氣帶對(duì)這部分群體的健康影響最大；而車間工人，生產(chǎn)線工人多處于站立狀態(tài)，呼吸帶主要集中于160180cm處。據(jù)此，可以將檢測(cè)位置根據(jù)情況安放在這兩層呼吸帶上，每100平方米安置4個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，將檢測(cè)到的信息通過無線通訊模組發(fā)送到上位機(jī)上(例如可以使用安卓上位機(jī)，只需點(diǎn)開APP即可獲得當(dāng)前環(huán)境狀況的信息)，用戶可以根據(jù)反饋得到的數(shù)據(jù)作出具體的有效措施，提高室內(nèi)空氣質(zhì)量。由此，可以提高人們生活和工作環(huán)境的空氣質(zhì)量，進(jìn)一步保障居民的生活健康。四 結(jié)束語本文實(shí)現(xiàn)了基于STC12C5A60S2單片機(jī)的室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要專注于室內(nèi)氣體成分。此系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)采集室內(nèi)多種環(huán)境參數(shù)，包括溫度、甲醛、甲苯、一氧化碳和二氧化碳濃度等參數(shù)，并對(duì)于超過最高上限指標(biāo)的報(bào)警，提醒人們做出改善室內(nèi)空氣質(zhì)量的行為。此系統(tǒng)采用的都是低成本、高精度傳感器，從而解決了目前市場(chǎng)上室內(nèi)環(huán)境檢測(cè)儀昂貴的問題，保證每個(gè)人都能使用到。它可以適用于居民樓、辦公樓、車間、生產(chǎn)線等任何一棟建筑。參考文獻(xiàn)：1 莫冬智，馮玲. 民用建筑室內(nèi)環(huán)境檢測(cè)應(yīng)注意的幾點(diǎn)問題A .2009.2 王云景，趙紅旗等.二氧化碳傳感器T