CN109856988A - 一种基于物联网的环境检测控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于物联网的环境检测控制系统，包括：手机终端、树莓派主控模块、ESP8266终端设备、路由器、继电器、家电、温湿度传感器、光照传感器和烟雾传感器；手机终端通过WIFI信号连接路由器，树莓派主控模块通过网线连接路由器，路由器通过WIFI信号连接ESP8266终端设备；ESP8266终端设备分别连接继电器、温湿度传感器、光照传感器和烟雾传感器、继电器连接家电。在树莓派主控模块利用MQTT协议实现温湿度传感器、光照传感器和烟雾传感器的数据采集和继电器设备的开关控制。本发明优点在于：以准确的数据处理方式，能够对室内环境进行较为精准的测量。通过局域网的网页端访问服务器上的环境监测结果。通过在手机控制家电，更加智能。
Description
技术领域
本发明涉及室内环境控制技术领域，特别涉及一种基于物联网的环境检测控制系统。
背景技术
随着物联网技术的快速发展，方便、健康、舒适、智能的生活方式越来越受到人们的重视，家居室内环境作为生活的重要部分之一，人们对室内的环境舒适度要求也明显提高。湿度和有害气体浓度过高都会对我们的健康造成伤害，现在随着生活用品的普及以及装修材料的大量使用，室内环境中的有害气体浓度会有明显的提高，对人们的生命安全造成严重的威胁。因此，面向智能家居的室内环境检测控制系统逐渐发展起来。
然而，目前已有的室内环境检测系统[1][2]存在着成本高、组网复杂、缺少与用户的交互页面等问题。现有的无线环境监测系统数据传输不稳定，现有环境监测终端单一且组网复杂，现有环境监测功能单一且缺乏智能控制。
参考文献：
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[2]李蒙.基于ZigBee技术的室内环境监测平台的设计与实现[D].曲阜师范大学,2015.
发明内容
本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种基于物联网的环境检测控制系统，能有效的解决上述现有技术存在的问题。
为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：
一种基于物联网的环境检测控制系统，包括：手机终端1、树莓派主控模块2、ESP8266终端设备4、路由器3、空调5、风扇6、继电器7、电视机8、温湿度传感器9、光照传感器10和烟雾传感器11；
手机终端1通过WIFI信号连接路由器3，树莓派主控模块2通过网线连接路由器3，路由器3通过WIFI信号连接ESP8266终端设备4；
ESP8266终端设备4分别连接继电器7、温湿度传感器9、光照传感器10和烟雾传感器11；
继电器7分别连接空调5、风扇6和电视机8。
进一步地，在树莓派主控模块2安装并运行Raspbian系统，Raspbian是一个精简的为树莓派设计的Linux系统。通过在Raspbian系统上搭建HomeAssistant服务器和MQTT服务器，利用MQTT协议实现温湿度传感器9、光照传感器10和烟雾传感器11的数据采集和继电器设备的开关控制。HomeAssistant是基于Python语言的家庭自动化系统。
进一步地，树莓派主控模块2和ESP8266终端设备4节点通过WIFI连接至路由器3实现一个局域网组网。温湿度传感器9用于实时监测室内的温湿度，光照传感器10监测光照强度，烟雾传感器11监测厨房CH4、CO气体浓度。
本发明还公开了一种基于物联网的环境检测控制系统的运行方法，ESP8266开启后会根据烧录好的程序设置，先进行系统初始化，连接上指定的路由器；然后ESP8266将传感器采集的数据通过MQTT协议进行发布,发布的数据存储到MQTT-Broker，MQTT-Broker会把接收的数据转发给订阅了特定消息的客户端。同时，ESP8266还能够订阅特定的消息。Home Assistant开启后自动连接指定的家庭网关，进行系统初始化；然后通过监听事件(检测MQTT-Broker是否有发布消息，系统页面是否有交互操作)，当检测到MQTT-Broker发布了消息并且HomeAssistant也订阅了这个消息，HomeAssistant会把MQTT-Broker所发送的数据存储到其自带的数据库中，前端页面调用数据库中的相应内容进行显示，此时用户则可以根据前端显示的内容查看相应的信息或是进行控制操作。
与现有技术相比本发明的优点在于：
(1)解决现有的无线环境监测系统数据传输不稳定问题，以准确的数据处理方式，能够对室内环境进行较为精准的测量。
(2)解决现有环境监测终端单一且组网复杂的问题，本发明的ESP8266节点共处于一个局域网里，用户可以通过局域网的网页端访问服务器上的环境监测界面，查看室内实时环境检测数据。
(3)解决现有环境监测功能单一且缺乏智能控制的缺点，本发明可以在手机网页端控制家中电视、风扇、灯等设备的功能，而且当室内光照强度低时自动打开灯，甲烷等可燃气体浓度较高时开启报警器。
附图说明
图1为本发明实施例环境检测控制系统结构示意图；
图2为本发明实施例ESP8266模块与Home Assistant服务器通信框图；
图3为本发明实施例环境检测控制系统运行流程图；
图4为ESP8266与温湿度、光照传感器和继电器连接设计电路图；
图5为ESP8266与雨滴传感器、CO传感器等传感器和继电器连接设计电路图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下列结合附图并举实施例，对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，一种基于物联网的环境检测控制系统，
包括：手机终端1、树莓派主控模块2、ESP8266终端设备4、路由器3、空调5、风扇6、继电器7、电视机8、温湿度传感器9、光照传感器10和烟雾传感器11；
手机终端1通过WIFI信号连接路由器3，树莓派主控模块2通过网线连接路由器3，路由器3通过WIFI信号连接ESP8266终端设备4；
ESP8266终端设备4分别连接继电器7、温湿度传感器9、光照传感器10和烟雾传感器11；
继电器7分别连接空调5、风扇6和电视机8；
其中，在树莓派主控模块2安装并运行Raspbian系统，Raspbian是一个精简的为树莓派设计的Linux系统。通过在Raspbian系统上搭建HomeAssistant服务器和MQTT服务器，利用MQTT协议实现温湿度传感器9、光照传感器10和烟雾传感器11的数据采集和继电器设备的开关控制。HomeAssistant是基于Python语言的家庭自动化系统。
环境检测控制系统工作时，树莓派主控模块2和ESP8266终端设备4节点通过WIFI连接至路由器3实现一个局域网组网。温湿度传感器9(DHT11)用于实时监测室内的温湿度，光照传感器10(GY-30)监测光照强度，烟雾传感器11(MQ-2)监测厨房CH4、CO气体浓度。
具体方案中DHT11与ESP8266NodeMCU的D4口相连，GY-30与ESP8266NodeMCU的D1、D2口相连，MQ-2与ESP8266NodeMCU的D9相连。DHT11、GY 30、MQ-2均由ESP8266NodeMCU上3.3V和GND供电。ESP8266模块上电后会按照烧录到芯片中的程序设置连接至路由器，将传感器采集的数据通过IO口发送给ESP8266，ESP8266通过MQTT协议发送到MQTT服务器。
ESP8266和Home Assistant之间的通信如图2所示。
如图2所示，ESP8266NodeMcu硬件模块通过MQTT协议通信通道与树莓派上的MQTT服务器(MQTT-Broker)连接，Home Assistant服务器通过MQTT协议通信通道与MQTT服务器连接。
MQTT即消息队列遥测传输协议，是机器对机器(M2M)以及物联网连接协议之一，它被设计成一个非常轻量级的发布和订阅模式进行消息传输。在客户端和服务器通信过程中，客户端首先将数据发送给MQTT-Broker，MQTT-Broker收到客户端发布的消息后，会进行消息的过滤。消息过滤主要有三种方式：基于主题的过滤、基于内容的过滤、基于类型的筛选。MQTT-Broker进行消息过滤之后会将特定的消息发送到订阅了该消息的客户端。这样，循环进行不断完成客户端和MQTT-Broker之间数据的传输。
如图3所示，在本系统中，ESP8266、Home Assistant是客户端，MQTT-Broker是服务器。ESP8266开启后会根据烧录好的程序设置，先进行系统初始化，连接上指定的路由器；然后ESP8266将传感器采集的数据通过MQTT协议进行发布,发布的数据存储到MQTT-Broker，MQTT-Broker会把接收的数据转发给订阅了特定消息的客户端。同时，ESP8266也可以订阅特定的消息。Home Assistant开启后自动连接指定的家庭网关，进行系统初始化；然后通过监听事件(检测MQTT-Broker是否有发布消息，系统页面是否有交互操作)，当检测到MQTT-Broker发布了消息并且HomeAssistant也订阅了这个消息，HomeAssistant会把MQTT-Broker所发送的数据存储到其自带的数据库中，前端页面调用数据库中的相应内容进行显示，此时用户则可以根据前端显示的内容查看相应的信息或是进行控制操作。当用户在页面控制继电器开关时。例如：当打开继电器时，HomeAssistant会将打开继电器的消息发布到MQTT-Broker，订阅了这个消息的ESP8266就会收到来自MQTT-Broker打开继电器的指令，开启继电器。
本发明ESP8266电路设计如图4、图5所示，整板由3.3V的USB接口进行供电，根据ESP8266本身的特性，设置对应的管脚功能，整板不涉及模拟接口的使用，主要是以数字接口来采集传感器和继电器反馈的数据。如图4，D1和D2是串口数据的传输接口，主要针对于光照传感器的特性来设计的；D3用于核心板的复位接口；D4用来采集DHT11温湿度传感器反馈的数据，再经过软件程序上的数据处理，将数据通过MQTT协议传输到MQTT服务器上；D7和D8主要是用于控制两个低电平触发的继电器，由于ESP8266管脚输出电压较小以及继电器需要5V电压来触发，所以通过三极管对输出的信号进行放大来达到对继电器进行控制的效果。J3和J4分别为两个接线端子，主要用来连接受控制设备。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (4)
1.一种基于物联网的环境检测控制系统，其特征在于，包括：手机终端(1)、树莓派主控模块(2)、ESP8266终端设备(4)、路由器(3)、空调(5)、风扇(6)、继电器(7)、电视机(8)、温湿度传感器(9)、光照传感器(10)和烟雾传感器(11)；
手机终端(1)通过WIFI信号连接路由器(3)，树莓派主控模块(2)通过网线连接路由器(3)，路由器(3)通过WIFI信号连接ESP8266终端设备(4)；
ESP8266终端设备(4)分别连接继电器(7)、温湿度传感器(9)、光照传感器(10)和烟雾传感器(11)；
继电器(7)分别连接空调(5)、风扇(6)和电视机(8)。
2.根据权利要求1所述的一种基于物联网的环境检测控制系统，其特征在于：在树莓派主控模块(2)安装并运行Raspbian系统，通过在Raspbian系统上搭建HomeAssistant服务器和MQTT服务器，利用MQTT协议实现温湿度传感器(9)、光照传感器(10)和烟雾传感器(11)的数据采集和继电器设备的开关控制。
3.根据权利要求2所述的一种基于物联网的环境检测控制系统，其特征在于：树莓派主控模块(2)和ESP8266终端设备(4)节点通过WIFI连接至路由器(3)实现一个局域网组网；温湿度传感器(9)用于实时监测室内的温湿度，光照传感器(10)监测光照强度，烟雾传感器(11)监测厨房CH4、CO气体浓度。
4.根据权利要求3所述的一种基于物联网的环境检测控制系统的运行方法，其特征在于：ESP8266开启后会根据烧录好的程序设置，先进行系统初始化，连接上指定的路由器；然后ESP8266将传感器采集的数据通过MQTT协议进行发布,发布的数据存储到MQTT-Broker，MQTT-Broker会把接收的数据转发给订阅了特定消息的客户端；同时，ESP8266还能够订阅特定的消息；Home Assistant开启后自动连接指定的家庭网关，进行系统初始化；然后通过监听事件，检测MQTT-Broker是否有发布消息，系统页面是否有交互操作，当检测到MQTT-Broker发布了消息并且HomeAssistant也订阅了这个消息，HomeAssistant会把MQTT-Broker所发送的数据存储到其自带的数据库中，前端页面调用数据库中的相应内容进行显示，此时用户则可以根据前端显示的内容查看相应的信息或是进行控制操作。
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