基于物联网的室内环境感知系统设计

王宇晴 霍佳楹 张恩萌 王成林

摘要：室内环境质量与人体健康息息相关，因此，室内环境温湿度、气体质量检测至关重要。现有的室内温湿度检测传感器以有线信号传输、外部供电为主，在工业现场中应用较多，但是，灵活性较差。在具体产品设计中必须考虑传输距离、传输速率、功耗、成本等因素。本项目基于物联网传感平台，设计出一套室内环境实时检测系统，自动感知环境参数。利用CO2传感器、甲醛传感器、温湿度传感器等实时检测室内环境气体质量，将检测数据通过LoRa无线模块传送至数据管理系统，及时给出室内环境污染对人体健康危害的报警基点，进而确保人们健康的生活环境。

关键词： 室内环境监测; STM32FL053低功耗单片机; LoRa无线模块; 温湿度传感器; 物联网

中图分类号：TP274        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）22-0097-02

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

本文立足于解决室内污染超标而不被人所知，继而危害人体健康的问题，实现对室内环境气体质量的实时动态检测，根据传感器反馈的数据，结合最高危害上限指标要求，及时给出室内环境污染对人体健康危害的报警基点，通过无线通讯技术汇总楼内各房间的数据，采用数据库方式集中存储，并允许远程网络访问。环境感知模块采用电池供电方案，通过低功耗设计使得单个模块可连续工作两年以上，便于现场安装，并且降低后期维护成本。多个环境感知模块通过无线传感器网络，再通过网关节点完成数据汇总并上传至远程服务器。

1 系统整体设计

通过对于整体结构的综合考虑，物联网的室内环境感知系统的具体实现的结构图如图 1 所示，整理电路图如图 2 所示，室内环境感知系统主要由环境感知模块、LoRa无线模块、无线传感网络网关等构成。多个环境感知模块通过LoRa无线模块传输到无线传感网络网关，网关设计中需要实现环境感知模块上传数据的接收、保存和处理，在汇总所有模块数据的基础上，通过4G通信模块把各个房间的数据统一传送到远程云服务器中，人们就可以通过手中的手机、ipad等移动通讯设备实时监测室内的环境。

1.1 环境感知模块设计

將温度传感器、气体传感器等监测得到的数据传送到单片机中，然后将数据传送到无线模块中，外部电池供电，如图 3 所示。模块工作采用间歇式工作模式，电池供电，低功耗设计及优化的数据通信方式，保证模块可连续工作两年以上，工作期间采集各种传感器数据，并通过无线传感网络上传数据，之后模块进入休眠模式，且切断外部传感器工作电源，最大程度降低电流消耗，确保电池供电条件下尽可能地延长使用时间。

1.1.1 SHT21温湿度传感器

SHT21是新标准的Sensirion传感器，在大小以及功能的各个角度创建了新型标准，它拥有一个新型创造技术芯片、一个经历多次修改的电容式湿度传感器元件和一个精准的温度传感元件，每一个传感器件都经过严格的校准和测试，传感器能检测到电池使用百分比，而且能对输出校验，有助于提高通信的可行性和稳定。行使于环境监测的传感器网络，拥有安装简单、成本低、长期避免更换电池、节省现场人工维护成本的优点。经过辘集的节点布置，可以观察到细微的环境变化。

1.1.2 STM32FL053 单片机模块

STM32L053低功耗单片机，拥有高性能内核的32位MCU，工作频率为32M赫兹，集成了存储器保护单元具有高速的储存系统，，以及各种增强I/O和外设，满足各种需求，同时低功耗的单片机能确保该系统工作电流小，能耗低。

1.2 无线传感网络网关设计

无线传感技术采用LoRa方案，主要优势在于很大程度提高了接收的灵敏程度，降低了功耗;基于该技术的网关/集中器兼容多信号通道多数据速率的并存处理，系统存储量大。网关设计中需要实现环境感知模块上传数据的接收和保存，在汇总所有模块数据的基础上，通过4G通信模块把各个房间的数据统一传送到远程云服务器中。

1.3 无线传感网络网关设计

基于物联网技术，利用现有云平台提供的基础服务功能，设计远程数据管理系统，完成数据存储、远程访问支持等功能。软件所在平台首要达成数据汇总、存储和数据推送通知服务，如图4所示。基于物联网技术，支持移动网络访问，在线查看环境信息，可预设安全提示阈值参数，系统自动提示报警信息。远程客户端可实现信息的同步查看、趋势跟踪，便于及时了解情况。

2 结论

本文对本系统的优缺点进行总结，将物联网与无限传感技术相结合，设计了一款移动程序，将所需各个房间数据进行集中化管理，对室内环境气体质量智能化管理，节约人力资源成本起到一定作用，可以在各个地区各种系统中广泛应用，具有实用性以及应用性。

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