刘鑫　许振宇　吴晗哗　吴云飞　蔡家林　刘昀　朱宏殷

摘  要：为了随时检测建筑物内的空气质量状况，设计了一款基于物联网的空气质量远程监控系统，该设计是以STC89C52单片机为控制核心，结合了窄带物联网的超远距离数据传输功能，通过传感器对建筑物内PM2.5、PM10、TVOC等污染物含量以及温湿度等值进行检测，利用物联网技术将多个节点采集到的数据进行传输汇总至总节点，最后利用NB-IOT上传至云平台，用户可以随时利用终端设备对建筑物内环境的各项参数进行监测。

关键词：窄带物联网;单片机;环境监测;LoRa

引言

随着社会的进步，人们生活水平的提高，空气质量也大幅下降，人们长时间生活办公的室内环境更不容乐观，室内的空气质量直接关乎到人体的健康，目前，市面上在售室内空气质量检测仪，要么不能实现超远距离传输，要么大多依赖WIFI进行数据传输，这就大大限制了其使用空间，市面上缺少一种可以在没有网络的情况下对建筑物没空气质量进行检测并且把数据传输到移动终端上的设备，所以本文设计的建筑物内空气质量远程检测系统就意义重大。

1 总体设计思想

系统采用单片机进行集中控制，结合各传感器信号采集装置和输出控制装置，并通过物联网对各个采集节点组网实行无线收集数据传输，在数据的终端可以对数据储存查询，也可以利用手机客户端小程序实行实时数据查询，系统功能图如图1所示。

文设计了以STC89C52单片机为子节点控制核心的系统，该系统结合NB-IOT组网技术，由各个节点组建成内部局域网格，每个节点采用二氧化碳、激光粉尘、温湿度、TVOC 及甲醛于一体的综合型空气质量传感器，再通过LoRa模块发送给楼宇总结点进行数据储存。并利用NB-IoT模块传输至终端。

2 系统功能设计

该设计将检测环境中的二氧化碳、PM2.5、PM10、温度、湿度、甲醇可挥发有机物等常见的影响室内空气品质的各种参数，测量数据的无线传输，显示信息等功能进行融合，实现预期的功能。传感器采集需检测的影响室内空气品质的参数，经过LoRa与NB—IoT的无线传输将数据传到显示屏，用户可通过观看显示屏上记录的数据，了解室内实时空气质量情况，从而实现在没有WIFI网络情况下的远距离空气质量检测。

3 系统的硬件的选择与设计

3.1 系统构成

本设计包括了STC89C52单片机、六合一传感器模块_RS485、电源模块、显示模块、LoRa模块、NB-IoT窄带物联网技术等。传感器对子节点所处环境进行实质检测，通过STC89C52单片机处理和LoRa技术进行无线传输，将数据送到楼宇总节点。通过NB-IoT技术无线传输至服务器。

3.2 单片机主控制模块的设计

STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM-Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電压，高性能COMOS8的微处理器，STC89C52最小系统原理图如图2。

3.3 LCD12864液晶显示模块电路

带中文字库的LCD12864是一种具有4位/ 8位并行、2线或3 线串行多种接口方式，其显示分辨率为128×64。内置8192个16*16 点汉字，和128 个16*8 点ASCII 字符 集。液晶LCD12864显示模块电路图如图3所示。

3.4六合一传感器数据采集模块

本设计选用六合一传感器模块，如图4所示。该传感器相比于其他传感器，性价比更高，应用范围更广，集多种功能于一身。可同时对多种污染物进行实时数据检测。具有良好的可靠性和稳定性，适合用于建筑物内空气质量智能检测。

3.5 LORA数据传输模块

LoRa作为低功耗广域网络（LPWAN）主流技术之一，正在赋能智慧城市中的物联网转型。在城市发展升级的进一步需求中，物联网迎来了万亿级应用市场规模。据中国物联网研究发展中心预计，2025年我国物联网产业规模将达2万亿元。行业人士称，LoRa正成物联网场景应用首选技术。“LoRa是低功耗广域网无线标准，最大特点就是在同样的功耗条件下比其他无线方式传播的距离扩大3-5倍，实现了低功耗和远距离的统一。”除了可控距离外，LoRa技术可大幅度降低建设成本。LoRa不需要建设基站，一个网关便可控制较多设备，并且布网方式较为灵活。同时，对比2.4G和蓝牙、WIFI等技术，LoRa稳定性较高，也较为安全。LoRa模块如图5所示。

3.5 NB-IoT数据传输技术

窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）成为万物互联网络的一个重要分支。NB-IoT构建于蜂窝网络，只消耗大约180kHz的带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本、实现平滑升级。NB-IoT是IoT领域一个新兴的技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被叫作低功耗广域网（LPWAN）。NB-IoT支持待机时间长、对网络连接要求较高设备的高效连接。随着智能城市、大数据时代的来临，无线通信将实现万物连接。很多企业预计未来全球物联网连接数将是千亿级的时代。已经出现了大量物与物的联接，然而这些联接大多通过蓝牙、Wi-Fi等短距通信技术承载，但非运营商移动网络。为了满足不同物联网业务需求，根据物联网业务特征和移动通信网络特点，移动通信正在从人和人的连接，向人与物以及物与物的连接迈进，万物互联是必然趋势。蜂窝物联网正在开启一个前所未有的广阔市场。

4 实际测量与数据分析

根据以上的方案论证及硬件的选择，通过调试，认真检查电路的焊接情况，采用分块调试的方法对主控芯片，六合一传感器，LoRa等模块一一调试，整个系统设计的实物如图7所示。采集数据如表2所示。

根据表格中十组测量数据可以看出室内有轻度的污染有机物和甲醛含量偏高，应及时通风，保证室内空气的流通，以免对人体造成不良影响。

5 顶层系统构建及软件流程图

构建由楼宇总结点与服务器的数据传输系统，首先服务器先与NB-IOT网络连接，判断是否成功，连接成功后，由楼宇总结点将收集到的数据发送到服务器，最后再由服务器选择存储还是发布。系统软件总体流程如图7所示。

6结语

由于近年来空气质量的不断变差，空气质量的检测与控制产品也慢慢的走进人们的生活，本文设计的空气质量检测系统对市面上大多依赖WIFI和不能进行超远距离传输，功耗等方面进行了全方面的优化，又采用了NBIOT窄带物联网技术，可以随时随地的进行数据的上传，用户也可随时利用客户端进行查看，本设计也有更多的发展空间，在检测空气质量的同时也大大提高了智能家居的利用率。

参考文献

[1]  秦瀚.基于物联网的智能空气质量检测系统设计与实现[D]. 兰州大学.2016

[2]  严益强.NB-IOT技术简介及其在智慧城市中应用研究[J].广东通讯术.2016.36（11）：6-8.

[3]  李易岐.基于stm32单片机的智能家居系统设计[D].吉林：吉林大学，2017

[4]  黎冠，马捷，卜祥丽 .STM32 单片机在室内环境监测系统中的应用 [J]. 自动化仪表，2014，35（07）：29-31.

作者简介：刘鑫，吉林省长春市人，长春工业大学，学生，2019年吉林省大学生创新创业训练计划项目（项目编号：201910190086）负责人。

朱宏殷，黑龙江省大庆市人，长春工业大学，讲师，研究方向为测控技术与智能系统，FPGA应用技术等。