CN106352922A - 基于物联网的大型公共建筑室内环境多参数远程监测系统 - Google Patents

基于物联网的大型公共建筑室内环境多参数远程监测系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于物联网的大型公共建筑室内环境多参数远程监测系统，包括环境参数监测器和上位机，所述环境参数监测器通过无线与上位机连接，所述环境参数监测器包括微控制器、温湿度传感器、噪声传感器、照度传感器、PM2.5传感器、甲醛传感器、苯传感器、复位电路、显示屏和状态指示灯，所述温湿度传感器、噪声传感器、照度传感器、PM2.5传感器、甲醛传感器、苯传感器、复位电路、显示屏和状态指示灯分别与微控制器相连接。本发明的有益效果是该系统能够同时对大型公共建筑室内环境的多参数进行实时无线监测，该系统还可依据多参数对被测环境质量做出综合评价，便于人员及时查询并了解所处环境的健康状况。

Description

基于物联网的大型公共建筑室内环境多参数远程监测系统
技术领域
本发明属于环境检测技术领域，尤其是涉及一种基于物联网的大型公共建筑室内环境多参数远程监测系统。
背景技术
目前，全国大范围的雾霾天气增加了人们在室内活动的时间，然而室内的装饰装修、家具造成的环境污染又影响到了人类健康。特别是大型公共建筑人员密集、空间封闭、通风率较低，潜在具有室内环境质量低的可能性，危及人体健康。准确、有效的检测技术是改善室内环境的前提和基础。
目前室内环境检测设备主要通过有线或无线手持设备进行现场监测，在检测面积和便捷性上存在不足，很难满足大面积的空间检测需求，而且测量数据类型单一，没有针对影响人体舒适性和健康的主要因素进行综合测量。单一设备不能满足对室内环境的物理、化学等多参数进行同时监测的要求。
发明内容
本发明的主要目的是提供一套完整的基于物联网技术的室内环境监测系统。该系统能够同时对大型公共建筑室内环境的多参数进行实时无线监测，该系统还可依据多参数对被测环境质量做出综合评价，便于人员及时查询并了解所处环境的健康状况。
本发明的技术方案是：一种基于物联网的大型公共建筑室内环境多参数远程监测系统，包括环境参数监测器和上位机，所述环境参数监测器通过无线与上位机连接，所述环境参数监测器包括微控制器、温湿度传感器、噪声传感器、照度传感器、PM2.5传感器、甲醛传感器、苯传感器、复位电路、显示屏和状态指示灯，所述温湿度传感器、噪声传感器、照度传感器、PM2.5传感器、甲醛传感器、苯传感器、复位电路、显示屏和状态指示灯分别与微控制器相连接。
进一步，所述微控制器采用STM32F407ZGT6芯片。
进一步，所述照度传感器采用GY-30数字光模块，所述GY-30数字光模块的第1管脚连接电源VCC3.3，所述GY-30数字光模块的第2管脚和第3管脚分别连接在微控制器的PA13脚和PA14脚上，所述GY-30数字光模块的第5管脚接地，在GY-30数字光模块的第1管脚和第5管脚之间连接有电容C21。
进一步，所述甲醛传感器采用型号为Dart 2-FE5，所述甲醛传感器的第1管脚连接电源VCC3.3，甲醛传感器的第2管脚接地，所述甲醛传感器的第6和第7管脚分别连接微控制器的PA10脚和PA9脚上。
进一步，所述噪声传感器的第1管脚连接微控制器的PA5脚，所述噪声传感器的第2管脚连接电源VCC5，所述噪声传感器的第3管脚接地，所述噪声传感器的第2管脚和第3管脚之间连接电容C22。
进一步，所述PM2.5传感器采用型号为GP2Y1010AU0F，所述PM2.5传感器的第1管脚和第6管脚分别连接电源VCC5，所述PM2.5传感器的第2管脚和第4管脚分别接地，所述PM2.5传感器的第3管脚和第5管脚分别连接微控制器的PB6脚和PB5脚。
进一步，所述温湿度传感器采用DHT11单总线数字温湿度传感器，所述温湿度传感器的第1管脚分别连接电源VCC3.3、电容C23一端和电阻R10一端，所述电容C23另一端接地，所述电阻R10另一端连接微控制器的第124管脚，所述温湿度传感器的第2管脚连接微控制器的第124管脚，所述温湿度传感器的第3管脚和第4管脚接地。
进一步，所述苯传感器采用型号为MQ-138，所述苯传感器的第1管脚和第4管脚分别连接电源VCC3.3和接地，所述苯传感器的第2管脚悬空，所述苯传感器的第3管脚连接微控制器的PA4脚。
进一步，所述环境参数监测器还包括无线发送模块，所述无线发送模块芯片采用nRF24L01，所述无线发送模块的第5管脚、第6管脚和第7管脚是SPI接口接线，分别连接于微控制器芯片上的第133管脚、第135管脚和第134管脚，所述无线发送模块的第3管脚、第4管脚和第8管脚分别连接微控制器上的第91管脚、第92管脚和第93管脚。
进一步，还包括蜂鸣器，所述蜂鸣器的正极连接电源VCC3.3，所述蜂鸣器的负极连接三极管Q1的集电极，所述三极管Q1的基极分别通过电阻R8连接微控制器上的第20管脚和通过电阻R9接地，所述三极管Q1的发射极接地。
本发明具有的优点和积极效果是：由于采用上述技术方案，该系统能够同时对大型公共建筑室内环境的多参数进行实时无线监测，每个节点都具备现场数据采集、显示和报警功能。各节点通过无线通信的方式将数据发送到上位机。通过上位机软件平台完成对数据的处理、保存、显示、对比、查询、共享等功能。
附图说明
图1是本发明的硬件结构示意图；
图2是本发明的时钟电路结构示意图；
图3是本发明的复位电路结构示意图；
图4是本发明的照度传感器的电路结构示意图；
图5是本发明的甲醛传感器的电路结构示意图；
图6是本发明的噪声传感器的电路结构示意图；
图7是本发明的PM2.5传感器的电路结构示意图；
图8是本发明的温湿度传感器的电路结构示意图；
图9是本发明的苯传感器的电路结构示意图；
图10是本发明的无线发送模块的电路结构示意图；
图11是本发明的蜂鸣器的电路结构示意图；
图12是本发明的电源电路的电路结构示意图；
图13是本发明的显示屏的电路结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细说明。
本发明的主要目的是提供一套完整的基于物联网技术的室内环境监测系统。该系统能够同时对大型公共建筑室内环境的多参数进行实时无线监测，系统由分布于被测区域内的多个检测节点组成，每个节点都具备现场数据采集、显示和报警功能。本发明硬件主要由环境参数监测器和上位机组成，其中环境参数监测器包括前端传感器和微控制器。首先由微控制器加载主程序，传感器部分负责监测点实时数据的采集；其次微控制器对采集到的数据进行分析、处理、显示；最后，通过无线发送模块将数据发送到上位机，通过上位机平台完成对数据的处理、保存、显示、对比、查询、共享等功能。此外，该系统还可依据多参数对被测环境质量做出综合评价，便于人员及时查询并了解所处环境的健康状况。当环境参数不满足要求时红灯闪烁并且蜂鸣器报警。
如图1本发明的硬件结构示意图所示，包括环境参数监测器和上位机，所述环境参数监测器通过无线与上位机连接，所述环境参数监测器包括微控制器、温湿度传感器、噪声传感器、照度传感器、PM2.5传感器、甲醛传感器、苯传感器、复位电路、显示屏和状态指示灯，所述温湿度传感器、噪声传感器、照度传感器、PM2.5传感器、甲醛传感器、苯传感器、复位电路、显示屏和状态指示灯分别与微控制器相连接。
所述微控制器采用STM32F407ZGT6芯片。由于检测参数较多，普通处理器无法满足要求，因此该系统选择ARM系列的STM32F407ZGT6芯片为核心，该处理器具有资源丰富，功耗小，速度快等特点，能够满足要求。还包括与微控制器连接的时钟电路、复位电路、状态指示灯、按键电路等部分的硬件设计。
时钟信号可以有两种方案，一是内部时钟方式，二是外部时钟方式。本设计是采用高速外部时钟，电容C31和C32电容值为22pF，晶振的振荡频率设定为8MHz，时钟电路如图2所示。
由于STM32采用低电平复位，因此复位电路也采用低电平复位方式，复位电路如图3所示。其中R1和C8成了上电复位电路，RESET连接微控制器的第25管脚。设计中还将显示屏的TFT_LCD的复位引脚也接在RESET上，这样复位按钮可同时实现微控制器和显示屏的复位功能。
所述照度传感器采用GY-30数字光模块，该模块通过I2C总线方式读取光照数据，I2C总线是一个双向的两线连续总线，提供集成电路之间的通信线路。电路结构如图4所示，所述GY-30数字光模块的第1管脚连接电源VCC3.3，所述GY-30数字光模块的第2管脚和第3管脚分别连接在微控制器的PA13脚和PA14脚上，所述GY-30数字光模块的第5管脚接地，在GY-30数字光模块的第1管脚和第5管脚之间连接有电容C21，电容C21用于滤波。
所述甲醛传感器采用型号为Dart 2-FE5，甲醛传感器采用独特的电解质封装技术，内置高性能模拟电路和数据处理单元，直接输出数字浓度信息，无需再对电化学传感器复杂的模拟电路进行信号调理。其中模块的第6管脚是TXD，第7管脚是RXD，分别连接微控制器的PA10脚和PA9脚上。微控制器串口波特率设置为9600，发送查询监测数据指令给传感器，传感器通过串口将测量数据传回给微控制器。电路结构如图5所示，所述甲醛传感器的第1管脚连接电源VCC3.3，甲醛传感器的第2管脚接地，所述甲醛传感器的第6和第7管脚分别连接微控制器的PA10脚和PA9脚上。
噪声传感器用来检测周围环境的声音强度，根据程序设定可以显示相应的分贝值。如图6所示，模块上的数字量输出与微控制器的PA5脚直接相连，通过单片机检测高低电平，由此来检测环境声音。所述噪声传感器采用品牌为SONTEEN，所述噪声传感器的第1管脚连接微控制器的PA5脚，所述噪声传感器的第2管脚连接电源VCC5，所述噪声传感器的第3管脚接地，所述噪声传感器的第2管脚和第3管脚之间连接电容C22，电容C22用于滤波。
所述PM2.5传感器采用采用光学灰尘传感器，型号为GP2Y1010AU0F，该传感器具有极低的电流消耗，输出为正比于粉尘浓度的模拟电压量，灵敏度为0.5V/0.1mg/m3。模块的3管脚与微控制器的PB6连接，用于传感器工作状态指示，PM2.5传感器的第5管脚为信号输出，与微控制器的PB5连接进行数据采集。电路结构如图7所示。所述PM2.5传感器的第1管脚和第6管脚分别连接电源VCC5，所述PM2.5传感器的第2管脚和第4管脚分别接地，所述PM2.5传感器的第3管脚和第5管脚连接与微控制器的PB6脚和连接PB5脚。
所述温湿度传感器采用DHT11单总线数字温湿度传感器，该传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，电路结构如图8所示。所述温湿度传感器的第1管脚分别连接电源VCC3.3、电容C23一端和电阻R10一端，所述电容C23另一端接地，所述电阻R10另一端连接微控制器的第124管脚，所述温湿度传感器的第2管脚连接微控制器的第124管脚，所述温湿度传感器的第3管脚和第4管脚接地，DHT11数字湿温度传感器采用单总线数据格式，单个数据引脚端口完成输入输出双向传输。
所述苯传感器采用型号为MQ-138，电路连接如图9所示，所述苯传感器的第1管脚和第4管脚分别连接电源VCC3.3和接地，所述苯传感器的第2管脚悬空，所述苯传感器的第3管脚连接微控制器的PA4脚。微控制器通过读取苯传感器的第3管脚上的数据，经过非线性处理得到被测区域检测值。
该系统设计中预留了端口，可以根据实际需要增加传感器，用于多种类型参数的检测，具有良好的扩展性。
所述环境参数监测器还包括无线发送模块，无线发送模块采用nRF24L01实现数据的无线传输，nRF24L01是一款工作在2.4～2.5GHz世界通用ISM频段的单片无线收发器芯片，具有低的电流消耗，当工作在发射模式下发射功率为-6dBm时电流消耗为9mA，接收模式为12.3mA。电路连接如图10所示，所述无线发送模块的第5管脚、第6管脚和第7管脚是SPI接口接线，分别连接于微控制器芯片上的第133管脚、第135管脚和第134管脚，所述无线发送模块的第3管脚、第4管脚和第8管脚分别连接微控制器上的第91管脚、第92管脚和第93管脚。其中环境参数监测器通过USB串口模块可实现USB与串口的转换，nRF24L01与USB无线串口模块配合使用，可以实现PC上位机和环境参数监测器之间的通信，实现数据的无线传输。
还包括蜂鸣器，电路结构如图11所示，所述蜂鸣器的正极连接电源VCC3.3，所述蜂鸣器的负极连接三极管Q1的集电极，所述三极管Q1的基极分别通过电阻R8连接微控制器上的第20管脚和通过电阻R9接地，所述三极管Q1的发射极接地。图中Q1是用来扩流，BEEP信号直接连接在微控制器的20管脚。
图12所示的电源电路的电路结构示意图，此电路包括移动电源和固定电源，移动电源为一块容量为2600mAh，电压7.4V的可充电锂电池供电。首先将7.4V的锂电池正负极接到AMS1117-5芯片上并且串联一个IN4148隔离二极管，利用其的单向导通性起到隔离的作用。其次，5V供电电源通过AMS1117-3.3电路降压至3.3V，该电路中芯片两端分别并联一个极性电容和非极性电容起整流滤波的作用。
固定电源将5V电源插头插上直接供电5V电源，然后接到AMS1117-3.3芯片电路上，供电3.3V电源，该电路中芯片两端分别并联一个极性电容和非极性电容起整流滤波的作用。设计中使用了LED指示灯来观察主电路是否通电，当打开开关正常供电时LED点亮，当关闭电源或电路中有短路情况发生时LED熄灭。
图13所示的显示屏的电路结构示意图，图中TFT_LCD是通用液晶模块接口，支持TFTLCD模块。LCD接口与微控制器的FSMC总线连接，可显著提高显示屏的刷屏速度。图中T_MISO/T_MOSI/T_PEN/T_CS/T_CS用来实现对液晶触摸屏的控制。LCD_BL控制显示屏的背光，液晶屏复位信号RESET直接连接在电路板的复位按钮上，和微控制器共用一个复位电路。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.一种基于物联网的大型公共建筑室内环境多参数远程监测系统，其特征在于：包括环境参数监测器和上位机，所述环境参数监测器通过无线与上位机连接，所述环境参数监测器包括微控制器、温湿度传感器、噪声传感器、照度传感器、PM2.5传感器、甲醛传感器、苯传感器、复位电路、显示屏和状态指示灯，所述温湿度传感器、噪声传感器、照度传感器、PM2.5传感器、甲醛传感器、苯传感器、复位电路、显示屏和状态指示灯分别与微控制器相连接。
2.根据权利要求1所述的基于物联网的大型公共建筑室内环境多参数远程监测系统，其特征在于：所述微控制器采用STM32F407ZGT6芯片。
3.根据权利要求2所述的基于物联网的大型公共建筑室内环境多参数远程监测系统，其特征在于：所述照度传感器采用GY-30数字光模块，所述GY-30数字光模块的第1管脚连接电源VCC3.3，所述GY-30数字光模块的第2管脚和第3管脚分别连接在微控制器的PA13脚和PA14脚上，所述GY-30数字光模块的第5管脚接地，在GY-30数字光模块的第1管脚和第5管脚之间连接有电容C21。
4.根据权利要求2所述的基于物联网的大型公共建筑室内环境多参数远程监测系统，其特征在于：所述甲醛传感器采用型号为Dart 2-FE5，所述甲醛传感器的第1管脚连接电源VCC3.3，甲醛传感器的第2管脚接地，所述甲醛传感器的第6和第7管脚分别连接微控制器的PA10脚和PA9脚上。
5.根据权利要求2所述的基于物联网的大型公共建筑室内环境多参数远程监测系统，其特征在于：所述噪声传感器的第1管脚连接微控制器的PA5脚，所述噪声传感器的第2管脚连接电源VCC5，所述噪声传感器的第3管脚接地，所述噪声传感器的第2管脚和第3管脚之间连接电容C22。
6.根据权利要求2所述的基于物联网的大型公共建筑室内环境多参数远程监测系统，其特征在于：所述PM2.5传感器采用型号为GP2Y1010AU0F，所述PM2.5传感器的第1管脚和第6管脚分别连接电源VCC5，所述PM2.5传感器的第2管脚和第4管脚分别接地，所述PM2.5传感器的第3管脚和第5管脚分别连接微控制器的PB6脚和PB5脚。
7.根据权利要求2所述的基于物联网的大型公共建筑室内环境多参数远程监测系统，其特征在于：所述温湿度传感器采用DHT11单总线数字温湿度传感器，所述温湿度传感器的第1管脚分别连接电源VCC3.3、电容C23一端和电阻R10一端，所述电容C23另一端接地，所述电阻R10另一端连接微控制器的第124管脚，所述温湿度传感器的第2管脚连接微控制器的第124管脚，所述温湿度传感器的第3管脚和第4管脚接地。
8.根据权利要求2所述的基于物联网的大型公共建筑室内环境多参数远程监测系统，其特征在于：所述苯传感器采用型号为MQ-138，所述苯传感器的第1管脚和第4管脚分别连接电源VCC3.3和接地，所述苯传感器的第2管脚悬空，所述苯传感器的第3管脚连接微控制器的PA4脚。
9.根据权利要求2所述的基于物联网的大型公共建筑室内环境多参数远程监测系统，其特征在于：所述环境参数监测器还包括无线发送模块，所述无线发送模块芯片采用nRF24L01，所述无线发送模块的第5管脚、第6管脚和第7管脚是SPI接口接线，分别连接于微控制器芯片上的第133管脚、第135管脚和第134管脚，所述无线发送模块的第3管脚、第4管脚和第8管脚分别连接微控制器上的第91管脚、第92管脚和第93管脚。
10.根据权利要求2所述的基于物联网的大型公共建筑室内环境多参数远程监测系统，其特征在于：还包括蜂鸣器，所述蜂鸣器的正极连接电源VCC3.3，所述蜂鸣器的负极连接三极管Q1的集电极，所述三极管Q1的基极分别通过电阻R8连接微控制器上的第20管脚和通过电阻R9接地，所述三极管Q1的发射极接地。
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