ComputerScienceandApplication計算機科學與/10.12677/cDesignofSmartAirQualityDetectionSystemonInternetofThingsTechnologyHangzhouDianziUniversity,Hangzhou Received:Oct.27th,2014;revised:Nov.29th,2014;accepted:Dec.8th,2014Copyright?2014byauthorsandHansPublishersInc.ThisworkislicensedundertheCreativeCommonsAttributionInternationalLicense(CCBY)./licenses/by/4.0/AbstractAnewsmartairqualitydetectionsystemisdesignedinthispaper.ThephoneorPCprogramcanbeusedtocontrolthesmartsystemworkanywherewiththeInternetofThings(IOT)technology,anditindirectlysolvestheproblemthattheairpurifiersmaybespendalotoftimetocleanuptheairwhenitisturnedon.TraditionalairpurifiersonlyusefewdifferentcolorLEDstodisplayairqualityqualitatively.AdifferenttypeofdisplayinterfaceinthissystemisimplementedonthephoneandPCterminals,andthereal-timevaluesoftheenvironmentalqualityconditionaredis-playedandcollected.ItgreatlyenhancestheUserExperience(UE),andcanbeusedintheairpu-rifierindustry.AirQualityDetection,ThingsofInternet,Smart基于物聯網技術的智能空氣質量檢測系統設計杭州電子科技大學，杭州 收稿日期：2014年10月27日；修回日期：2014年11月29日；錄用日期：2014年12月8日本文設計了一種新型智能空氣質量檢測系統。該系統采用物聯網技術，使用戶可以隨時隨地的通過手機或PC端控制該智能系統的工作；同時，間接解決空氣凈化器開機凈化時間長的問題。傳統空氣凈化器一般采用幾個不同顏色指示燈來定性顯示當前空氣質量狀況，本文系統在手機及PC端上的顯示界面可以實時顯示精確的當前環境空氣狀況，方便了環境數據的收集與分析。本文的設計將大大提升客戶體驗，將可以大量用于空氣凈化器行業。空氣質量檢測，物聯網，智能隨著人們在對室外空氣污染的重視以及環保認識提高的同時，室內空氣污染問題受到了較高的關注[1]-[3]。傳統的空氣檢測和凈化設備存在兩個問題[4]-[6]：1)凈化時間長。一般的控制凈化器，將PM2.5指標150(輕中度污染)的空氣凈化到50(優良)大約需要在15至30分鐘，重度污染的空氣凈化所需要的時間更長；甲醛濃度0.75ppm的空氣凈化到0.1ppm(基本達到正常標準)更需要1個小時以上；2)傳統的空氣凈化器一般使用幾種不同顏色的指示燈來對當前空氣質量進行定性顯示，不能直觀的顯示環境具體情況，不方便數據的收集與后續分析。近些年隨著物聯網、傳感器和數據處理技術的不斷成熟[7]-[9]，智能家居概念已開始走入家庭生活[10]。物聯網技術為解決現有空氣檢測凈化設備存在的問題提出了一些新思路。基于此，本文提出了基于物聯網技術的智能空氣質量檢測系統方案，并進行設計實現。按照現有空氣凈化技術的發展水平，短時間內無法解決開機空氣凈化時間長的問題。將物聯網技術和空氣凈化器結合，用戶可以異地使用手機或PC端遠程控制空氣凈化器提前開啟或定時開啟，從而使用戶在到達空氣凈化器所處環境時，該空間環境已有一個較好凈化后的空氣質量。該方案同時使用了新的顯示界面，通過手機界面、PC界面或檢測系統自身界面可獲取環境的實時監測數據并進行直觀顯示，方便用戶實時了解相應的環境信息。與傳統空氣凈化器電控系統相比，本文設計的智能空氣檢測系統在功能、用戶體驗等方面的差異如表1所示。檢測系統的總體設計思路如圖1所示。智能空氣質量檢測系統使用Wifi模塊[11][12]通過無線路由器與服務器相連接，服務器與手機或PC端進行通信。其工作模式如下：1)用戶通過手機或外部PC端發出控制指令，指令通過移動通信設備或者路由器傳遞給服務器，再由服務器發送給智能空氣質量檢測硬件。2)智能空氣質量檢測硬件接收到指令后開始工作，實時監測環境中的數據，并把數據通過無線路由器傳遞給服務器，由服務器對數據進行處理、保存。然后，根據用戶需求將數據傳遞給PC端或手機，并在相應界面中進行數據的顯示。針對前面的方案設定，智能空氣質量檢測系統的硬件如圖2所示。該硬件主要有四個模塊，包括監√√cr)··y云平臺無線路由器220VAC.風量調節/空氣凈化模組檢測模塊甲醛傳感器氣體傳感器電源模塊多路繼電器控制電路12VDC/220VAC.風量調節/空氣凈化模組檢測模塊甲醛傳感器氣體傳感器電源模塊多路繼電器控制電路12VDC/220VAC/wifi模塊5VDC/RS232調試串口FigureFigure1.Thedesigningmethodoftheairdetect控制模塊控制觸摸屏通信模塊Figure2.Figure2.Hardwaredesigningmethodofsmartairqualitydetectionsyst測模塊、電源模塊、控制模塊和通信模塊。監測模塊使用了甲醛傳感器(MS1100)、溫/濕度傳感器(DHT11)、氣體傳感器(夏普GP2Y1010AU)以及外圍電路，主要完成對環境空氣質量的檢測(溫濕度、PM2.5、甲醛及其他有毒氣體等)并將相關數據傳送至控制模塊。電源模塊由AC-DC電源、DC-DC電源和繼電器控制電路構成。其中，AC-DC電源將220交流電轉化為12V直流電，DC-DC電源使用降壓電路(圍繞AOZ1036PI芯片)將12V電壓轉化為5V和3.3V，繼電器控制電路完成繼電器開/關和電機驅動，用于接收控制信號后進行相關功能的調節。控制模塊主要有STM32芯片、觸摸屏(TFT液晶)、通信接口組成。其中STM32芯片與其他外圍電路主要完成數據收集、處理、轉發和指令發送等，用于控制其他模塊；觸摸屏用于與用戶交互、顯示收集到的信息；通信接口電路主要完成指令、數據等信息的傳遞。其工作方式為：1)觸摸屏或通信接口電路接收控制指令信號，傳遞給STM32，并由STM32通過通信接口使能相應的工作模塊；2)通過通信接口模塊收集檢測模塊傳送的數據，對數據進行分析處理，結果傳送給觸摸屏進行顯示，同時傳送給通信模塊，由其發送至服務器。通信模塊主要使用了Wifi(TI公司CC3000)模塊[11]與無線路由相連。其主要作功能為：1)接收通過無線路由傳遞來的控制信號(手機或PC端發送)并傳遞給控制模塊的通信接口；2)接收控制模塊傳遞來的數據包，將數據發送至服務器，由服務器保存數據，并根據客戶需求選擇是否發送至手機或PC端。智能空氣質量檢測系統軟件主要從三個方面進行設計，包括智能空氣質量檢測控制軟件(基于2.1章節的硬件)、PC功能軟件以及手機功能軟件。2.2.1.智能空氣質量檢測控制軟件智能空氣質量檢測控制軟件主要作用是完成對各個模塊的使能、控制；指令傳輸、數據的收集；與服務器的通信，其軟件流程圖如圖3所示。工作流程主要為：1)接收服務器或觸摸屏指令后，系統進行初始化，相應模塊使能；2)判斷空氣凈化器的臭氧開關是否開啟。如果開啟，機器自動進入臭氧開啟狀態并做倒計時處理，時間結束后自動關機(時間可由用戶自己設定)；3)根據指令，進行模式識別(手動或自動)。模式識別后，進行相應的功能指令的處理(檢測當前環境、選擇凈化模式)；4)處理后，將實時的監測數據發送到服務器或觸摸屏進行顯示。為了方便檢測系統的手工操作，設計了專門的觸摸屏界面，如圖4所示。整個界面分為顯示區域、控制鍵區域和指示區域三部分。顯示界區域如圖4中綠色部分所示，顯示當前環境中PM2.5、甲醛、溫度與濕度的實時數據。控制鍵區域如圖4中白色部分所示，共有六個控制鍵。最下面的四個鍵依次是：模式選擇、風扇轉速、臭氧開關、系統開關。剩余兩個控制鍵為手動/自動轉化、時間設定。指示區如圖4中最上側所示，可以顯示Wifi信號情況、風量等級以及工作模式(手動/自動)。2.2.2.PC控制與手機功能軟件PC控制軟件與手機功能軟件的作用選擇凈化器的工作模式與顯示服務器傳送來的數據。PC控制軟件與手機功能軟件的流程控制基本一致，如圖5所示。主要工作流程為：1)根據自身wifi信息與服務器網絡信息對軟件進行配置；2)與服務器進行連接，并判斷是否成功。不成功是詢問是否再次連接；3)發送指令到服務器，接收來自服務器的數據。并判斷是否超時，是否重連；4)當收到服務器斷開指令時，自動退出。智能空氣質量檢測系統總體的測試平臺的搭建如圖6所示，將設備、手機與PC端通過無線路由與服務器相連接。通過PC端和手機功能軟件與服務器通信，并獲取服務器發送來的數據。PC端功能軟件與服務器連接后的界面如圖7所示，顯示了PC端軟件設定的定時時間以及由服務器發送來的空氣檢測系統發送的溫度、濕度、甲醛濃度與PM2.5數值。手機客戶端功能軟件與服務器連接后的界面如圖8所示。所顯示的內容形式與PC端相同。開機啟動系統配置是是臭氧開關是否開啟?否·開啟定時器進自動自動/手動判斷手動入系統定時 否定時時間是否到?讀器自動-關機——wifi發送數據Figure3.ControlsoftwarefloFigure4.Controlinterfaceviewfor連接服務器否連接服務器是<><>是否是是<><>是否是選擇功能<>選擇功能<>接收數據是是是否 否Figure5.Figure5.SoftwareflowchartofPCandpFigure6.Figure6.Circuitcon++--+監測Figure7.+監測Figure7.InterfaceofPCsoftware風速FigureFigure8.Interfaceofphonesoftware通過測試可以檢驗，完全實現了使用手機功能軟件和PC端功能軟件，通過服務器控制智能空氣質量檢測硬件，并精確顯示監測空氣質量數據的功能。本文針對傳統空氣凈化器存在的凈化時間長、空氣質量監測數據無法精確顯示的問題，設計了一種基于物聯網技術的智能空氣質量檢測系統。通過