室内有害气体智能控制系统设计研究

冯波

（陕西国防工业职业技术学院电子工程学院，陕西西安 710300）

人们的日常生活和工作通常在室内空间（包括办公室、家庭居室、教室、酒店、商场等场所的内部空间）进行，在日常生活工作过程中，人们的身心健康受到室内的光、热、空气品质等因素的直接影响，现代城市的快节奏特征逐渐延长了人们在室内的活动时间。随着人们对室内环境质量要求的不断提高，尤其是在空气质量问题日益突出的背景下，人们对室内空气环境污染问题的重视程度不断提高，对室内空气质量监测及控制系统提出了新的挑战，良好的空气质量有利于提高日常生活品质及工作效率，有效的室内有害气体检测系统成为提高舒适健康的工作和生活环境的重要手段。

1 需求分析

不断提高的科技水平及物质生活水平促使人们对精神世界的追求不断提高，更加追求生活的高品质和高舒适度，在发展过程中，出现的各种环境污染问题以及内部楼体的装修为室内生活环境质量带来了不同程度的影响，人们对智能家居建设与实现的重视程度不断提高，室内环境监测成为领域内的一项研究重点。作为智能家居系统中的重要构成，环境监测系统能够将实时检测到的室内环境监测数据提供给用户，并辅助用户对室内环境进行科学合理的控制，传统针对室内有害气体的检测系统普遍存在对室内环境质量的持续实时监测评估能力不高、操作过程较为复杂等方面的问题，大多采用不联网的单点设备作为分布于室内的环境质量监测装置，不利于远程在线实时监测功能的有效实现，部分能够联网监测室内环境的设备大多因需自行部署服务器而增加了系统的开发和使用成本[1]。文中主要通过充分利用OneNET 开放平台的丰富功能设计并实现了一种室内有害气体智能监测与评价系统，以室内温湿度、粉尘浓度等参数作为主要监测对象，在实现检测功能实时准确的同时降低了开发和使用成本，该系统具有较高的稳定性和实际应用价值。

2 基于OneNET 平台的室内有害气体智能控制系统设计

随着互联网同物联网业务间相互融合与渗透的不断深入，运营商管道为物联网业务向客户端和应用端的延伸提供了支撑，端（指感知网络和终端）、管（指智能融合的网络）、云（指业务云化的平台）的网络架构正在不断完善并为日常生产生活带来了巨大的便利。呈现出层次化与多样性特点的物联网应用由包括智能设备和智能网关在内的设备域（由传感器、执行器等集成）、平台域（即物联网开放平台）、由开放平台集中孵化的应用域、各类应用和管理服务（由丰富的服务终端承载）等构成。以智能家居为例，现阶段包括对人和物的各种应用和传感器终端在内的家庭终端正逐步呈现出多样性，在家庭端网络中家庭网关在物联网体系架构下正在向业务网关发展。文中基于物联网应用典型的三层框架通过OneNET 平台和B/S 架构的使用完成了室内有害气体检测控制系统的设计，系统架构示意图如图1 所示，室内环境数据由分布于室内的各个终端设备完成采集后同OneNET 平台进行交互，由OneNET 平台将接收到的环境数据推送给监控系统服务器，最终在用户端的Web 页面动态呈现监测数据，帮助用户随时随地掌握室内的环境参数信息，并据此采取一系列的环境干预措施实现对室内环境质量的有效控制，构建起安全舒适的室内环境[2-3]。

图1 系统总体架构示意图

3 室内有害气体智能控制系统的实现

3.1 终端设计与标准化接入

系统设备端的主要功能在于实现室内环境数据的采集、数据到OneNET 平台的传送、接收指令及动作执行3 大功能，选用了麒麟座V2.4 开发板（STM32系列芯片），能够同各类传感器进行有效对接，从而实现对室内环境参数数据（包括温湿度、粉尘浓度等）进行实时准确的采集，数据上传功能则通过使用ESP8266 模块实现，通过驱动继电器实现对接入智能家居系统内的各种设备开关的有效控制，设备终端架构示意图如图2 所示。OneNET 平台的应用架构如图3 所示，基于TCP 的增强型设备协议(EDP)作为物联网平台接入协议的一种，具有完全开放的特点，可有效满足智能家居系统的通信需求，由于EDP 协议仅能确保数据包到目的地的传输，无法保证到达顺序同传输顺序相一致（如在客户端有两个请求同时发起的情况下难以保证服务器按照发起顺序返回消息），需在上层逻辑实现事务机制。基于EDP SDK（由设备层提供，负责向OneNET 报告业务数据点）实现EDP 协议，业务应用层能够对RESTful API（基于HT-TP 协议）提供的设备、数据点、命令控制和其他资源管理在内的资源进行操作，从而实现定制系统业务平台的功能。

图2 设备终端架构示意图

图3 OneNET 平台的应用架构

根据业务数据模型的分析结果，“设备-数据流-数据点”模型（由OneNET 平台提供）更适用于文中所构建系统的业务数据存储，系统的硬件设备（包括温湿度/PM2.5/粉尘传感器、ESP8266 模块、蜂鸣器、LED 灯等）同STM32 开发板连接，STM32 主程序流程图如图4 所示，其需完成系统初始化（包括系统时钟及外围硬件、GPIO 和中断结构的初始化）、时钟及中断配置，并对环境数据进行循环上传，在此基础上监听上层发布的指令并据此作出相应的响应动作。系统时钟配置为支持72 MHz 的STM32F103，可在显著提高系统终端环境数据采集和上传的实时性能的同时确保指令接收及执行操作的准确性[4-5]。

图4 STM32 主程序流程图

3.2 基于OneNET 的控制系统的使用流程

OneNET 自带的编排设计方法（模版式）为实现系统从设备端接入到应用端提供了开发思路及技术支撑，有效提升了设备的上云速度及应用的孵化速度，文中在设备端完成对访问代码的编写，主要实现了协议封装、数据采集于上传等功能，以标准接入流程和设计方法（由OneNET 平台提供）为依据完成设备到OneNET 平台的有效接入，该过程主要包括登录注册、新建项目、新增设备和数据流、上传并查看数据、新增应用几个主要步骤，需先在OneNET 平台官网(http:∥open.iot.10086.cn)上完成用户注册后再接入检测所需使用设备，并在设备下添加新数据流，用户可根据实际需要在帐户下添加新项目以及相应的新设备[6-7]。终端数据成功上传后即可在平台相应数据流中完成数据点的生成，用户能够定制个性化应用程序（在应用程序孵化器中发布）以便更直观地呈现数据的变化情况。在OneNET 平台官网开发者中心即可查看上传的数据流，成功接入平台后的数据显示结果如图5 所示（以湿度查看为例）。用户通过浏览器应用程序监控温湿度、粉尘及PM2.5 浓度等数据并查看设备端上传数据的动态展示结果。服务器从OneNET 平台中完成数据信息的拉取及控制信息的推送（通过API 接口完成），然后，在前端网页上实时展现，以供用户监测、控制室内环境使用。添加触发器完成报警规则及异常环境数据阈值的设置，在检测结果超过阈值时及时发出报警信息。综合运用HTML、CSS 和bootstrap 框架完成浏览器页面的设计，采用HTML 和CSS 设计实现的系统界面，以表盘+数据的形式直观反应数据的变化，应用端展示通过直接嵌入OneNET 平台中生成的应用来实现，便于用户监测室内环境，同时通过调用实时天气控件展示室外天气状况[8-9]。

图5 成功接入平台后的数据显示结果

4 系统功能测试

通过设计实验检测文中所设计的数据交换中心（基于OneNET 平台）、设备端（用于采集与上传环境数据）及应用端（用于实时呈现环境数据）几个主要模块功能的有效性，室内有害气体检测系统硬件设备搭建，分别为麒麟座V2.4 开发板整体（负责采集温湿度数据并向OneNET 平台上传）、Arduino 开发板整体、光学粉尘浓度检测传感器（型号为GPYY1010AU0F，接入Arduino 开发板，负责对粉尘及PM2.5 浓度数据进行采集）、面包板（用于接入电阻和电容）、ESP8266 通信模块，通过电脑显示应用端Web 界面[10-11]。设备端每隔5 s 向OneNET 平台上传一次采集到的环境数据，通过查询平台上开发者中心验证了该上传频率设置的有效性。在空气加湿器上放置硬件采集设备，停留1～2 s 后产生波动的湿度数据采集结果如图6 所示；在热水杯旁边放置硬件采集设备一段时间再挪开后的温度数据采集结果如图7 所示，温度数据折线逐渐下降；湿度会随着温度的降低而升高，相应变化情况如图8 所示，体现了异常情况下温、湿度的关系(温度与湿度通常成正相关)[12-13]。开发者可从温湿度及粉尘浓度的表现规律出发提高火灾险情判断的准确性。室内粉尘及PM2.5 浓度测试结果如图9 所示，当前可吸入颗粒物浓度维持在140 左右，室内空气质量为优。实验结果表明，该系统实现了对室内环境参数数据的实时检测和显示功能，实现了远程实时在线监测过程，根据触发器设置报警规则，可在检测结果超过预设阈值时（如室内湿度超过60% RH）发出消息警报，同时，向用户预留手机号码中发送消息，可实时推送和发布报警信息，为进一步优化智能家居的环境质量监测系统提供参考，具有较好的普适性和推广价值[14-15]。

图6 湿度数据折线图

图7 温度数据折线图

图8 伴随温度变化的湿度折线图

图9 粉尘及PM2.5浓度折线图

5 结束语

不断发展完善的物联网开放平台应用服务体系为智能化感知、识别和管理物品过程在内的智能家居的实现提供了有力的支撑，文中提出了一种室内有害气体智能检测系统的设计方案，采用OneNET平台作为系统的数据交换中枢，该系统能够实时高效地完成对室内相关环境参数数据的采集和检测，再将这些采集到的数据进行封装打包处理，然后，以标准EDP 数据包形式通过网络上传到OneNET 平台，通过OneNET 中的模板式组件实现对监测应用的快速开发，系统应用服务器通过使用RESTful API便捷高效地获取终端采集数据，并在应用端页面动态显示数据信息[16]。