室内环境智能控制系统设计

2021-09-26海口经济学院程思宁史舜文

电子世界 2021年16期

海口经济学院程思宁史舜文

利用物联网技术设计室内环境智能控制系统，能够及时的监测室内的各项环境参数，当被检测气体浓度超过标准值时，能智能控制室内的各种电器设备，提高空气质量，满足人们对舒适度的要求。利用温湿度传感器、PM2.5传感器、CO传感器采集数据，通过ESP-8266 Wi-Fi MCU将数据输出到显示屏，并且上传数据到云端，供手机APP查看控制。

近年来，由于我国经济水平的提高，人民生活水平也得到了很大程度的改善，同时，随着5G、人工智能、物联网等新技术的飞速发展，以及中国国家消费结构的转型升级，智能家居已展现出强大的生命力，进入了快速发展的道路。为其营造舒适的家居环境，环境控制类设备在智能家居场景中至关重要。因此，利用物联网技术设计室内环境智能控制系统，对改善和控制室内环境有着明显的推动作用和深远影响。

1 系统架构

如图1所示，室内环境智能控制系统由前端检测传感器、ESP-8266Wi-Fi MCU、末端控制装置、受控电器组成。前端检测传感器包括：PM2.5传感器、温湿度传感器、甲醛传感器、CO传感器；检测到相应数据可以通过ESP-8266Wi-Fi MCU把数据在显示屏上进行显示，或者在手机APP上显示，通过红外遥控器手动或通过云端进行联动，调节末端控制部分包括空调、加湿器等，实现室内环境的舒适与稳定。

图1 系统框图

2 系统硬件设计

2.1 主控芯片

ESP8266是一款高性能无线SOC，集成了业界领先的TensilicL106超低功耗32位微MCU，具有16位缩减模式，主频支持80MHz和160MHz，支持RTOS，集成了Wi-FiMAC/BB/RF/PA/LNA，板载天线。

ESP8266采用多种固件编程，可快速实现设备M2M接入、数据统计分析、远程控制、OTA升级、第三方接口等功能服务。该固件支持SoC解决方案和二次开发，大大降低了开发成本，缩短了开发周期。

2.2 前端传感器设计

2.2.1 温湿度检测电路设计

温湿度传感器主要实现采集室内环境温湿度，可以设定阈值，当低于范围时可以控制空调工作。选择的是DHT11数字温湿度传感器，已校准数字信号输出。传感器由NTC测温元件和一个电阻式感湿元件组成，并连接一个高性能8位单片机相。因此该产品具有超快响应、抗干扰能力强、品质卓越、性价比高等优点。电路连接如图2所示。

图2 温湿度检测电路

2.2.2 PM2.5检测电路设计

GP2Y1014AU粉尘传感器是夏普开发的一款光学灰尘监测传感器模块，里面由红外发光二极管、光电晶体管构成。工作过程是红外发光二极管定向发送红外线，当空气有微粒存在阻碍红外时，红外线发生漫反射，这时光电晶体管即接收到红外线，使得信号输出端电压发生变化。灰尘浓度每变化0.1mg/m3，输出电压变化0.5V。需要连接1个150Ω的电阻和1个220uF的电容，具体位置如图3所示。

图3 PM2.5检测电路

2.2.3 气体检测电路设计

室内CO含量过高，很可能引起中毒，可选择MQ-7传感器。MQ-7气体传感器所使用的气敏材料是二氧化锡(SnO2)，在清洁空气中它的电导率较低。采用高低温循环检测的方式，低温（1.5V加热）检测CO，当空气中CO气体浓度增加，传感器的电导率随而增大，高温（5.0V加热）清洗低温时吸附的杂散气体。可将电导率的变化，转换为与该气体浓度相对应的输出信号。驱动电路简单，成本低，对CO有良好的灵敏度。

室内装修采用各种材料，造成室内环境甲醛浓度过高的情况，长期居住会影响身体健康。因此，需要测量甲醛浓度保持正常范围。选用PMS5003S传感器，UART接口，直接输出甲醛浓度参数。

当检测到CO、甲醛气体超过范围时，进行净化器的启动，净化空气，保障室内安全。

2.3 显示电路

显示屏选择0.96in IIC四针OLED显示屏，基于OLED屏幕自身特性，非常省电，适合用来做智能家居，降低功耗。VCC：3.3-5V；GND：接地；SCL：串行时钟；SDA：串行数据。电路连接及数据显示如图4所示。

图4 显示电路图5OLED屏幕显示效果

2.4 末端控制设计

2.4.1 红外遥控设计

使用TL1838采集遥控器各种信号并解调出遥控器发射出的原始编码后，将遥控器各按键对应编码写入程序中。设备传感器监测环境数值，当测量数据到达设定阈值后，程序根据传感器数据选择相应遥控编码，由芯片I/O口发射二进制脉冲信号控制电器进行对应动作。电路连接如图5所示。

图5 红外遥控电路

2.4.2 无线通信设计

选用WiFi通信，替代了传统的蓝牙、ZigBee等通信方式，实现远程控制。设备拥有两种远程控制方式如图6所示。当设备和手机在同一个局域网中，手机和设备选择局域网进行通信当手机和设备不在同一局域网环境下，设备选择使用MQTT协议远程连接云端服务器，云端服务器连接手机进行通讯。在传输一些涉及安全设备指令和敏感数据时，可选择使用SSL安全传输协议进行加密通信，保证用户的居家安全。设备远程通讯框图如图6所示。