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基于ESP32-E的室内空气VOC含量监测系统设计_李博.pdf
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基于 ESP32 室内空气 VOC 含量 监测 系统 设计 李博
电子技术 第 52 卷 第 4 期(总第 557 期)2023 年 4 月 61Computer Engineering计算机工程摘要:阐述基于ESP32-E的室内空气VOC含量监测系统设计,包括空气质量传感器、温湿度传感器、单片机控制系统,实现室内空气质量的实时监测、预警提醒,探讨通过物联网智能设备,帮助用户实现对室内空气质量的监控管理。关键词:监控技术,传感器,室内空气监测,物联网,VOC监测,温湿度监测。中图分类号:TP212,TP274文章编号:1000-0755(2023)04-0061-03文献引用格式:李博,施一飞,杨锣.基于ESP32-E的室内空气VOC含量监测系统设计J.电子技术,2023,52(04):61-63.测,通过云平台预警。系统结构如图1所示。本设计以FireBeetle ESP32-E微控制器作为系统控制核心搭配SGP40空气质量传感器、DHT11温湿度传感器。SGP40传感器内置VOC检测算法,选用LCD显示屏、RGB彩色灯带作为本地可视化预警显示装置。ESP32-E内置的Wi-Fi模块通过阿里云物联网平台存储传感器综合数据,当传感器监测到数据超过阈值时,送达告警信息至手机终端,体用互用。系统可支持私人定制服务器远程查看监测信息,用户通过WEB网页访问主动获取历史监测记录。(1)数据采集:SGP40空气质量传感器内置VOC监测算法,监测阈值为0-500,DHT11温湿度传感器设置高温预警阈值为35。当监测达到预警值便会触发告警。(2)数据的传输、汇聚:ESP32-E内置的Wi-Fi模块将监测数据传输到阿里云物联网平台,统一送达到用户终端。实现室内空气的远程监测、传输。(3)终端数据呈现:远程告警通过阿里云物0 引言工业化、城市化的高速变革也带来了空气污染问题,对人群密集的室内空气质量进行监测,帮助人们进行空气质量监控管理则变得尤为重要。本项目对室内有害气体挥发性有机化合物(Volatile Organic Compounds,VOC)进行实时监测。本设计以FireBeetle ESP32-E微控制器作为系统控制核心、结合SGP40空气质量传感器、DHT11温湿度传感器、MQ2烟雾传感器、LCD显示屏、RGB彩色灯带、实现对室内空气质量监测的本地预警。同时,通过ESP32-E内置的Wi-Fi模块,将监测的数据通过阿里云物联网平台进行存储和管理,并可传输至手机App上显示,实现对室内空气质量的监测告警,提醒用户及时改善室内空气质量,减少相关疾患的增加。1 系统方案设计本项目主要从室内空气数据的采集、数据的汇聚传输、终端显示进行系统设计,硬件示例方案采用FireBeetle ESP32-E,对室内空气VOC含量监基于ESP32-E的室内空气VOC含量监测系统设计李博,施一飞,杨锣(吉利学院,四川 641400)Abstract This paper describes the design of an indoor air VOC content monitoring system based on ESP32-E,including air quality sensors,temperature and humidity sensors,and a microcontroller control system,to achieve real-time monitoring and early warning of indoor air quality.It explores the use of IoT intelligent devices to help users achieve monitoring and management of indoor air quality.Index Terms monitoring technology,sensors,indoor air monitoring,Internet of Things,VOC monitoring,temperature and humidity monitoring.Design of VOC Content Monitoring System for Indoor Air Based on ESP32-ELI Bo,SHI Yifei,YANG Luo(Geely College,Sichuan 641400,China.)基金项目:国家级大学生创新创业训练计划项目(202212802012X)。作者简介:李博,吉利学院;研究方向:物联网通信技术、传感器应用开发、单片机技术。通信作者:施一飞,吉利学院,教授;研究方向:人工智能。收稿日期:2022-07-07;修回日期:2023-04-12。62 电子技术 第 52 卷 第 4 期(总第 557 期)2023 年 4 月Computer Engineering计算机工程联网平台关联用户的钉钉账号,发送告警信息。本地以LCD显示屏、RGB灯带色彩变换告警,这样更为直观、醒目。通过ESP32-E内置的Wi-Fi模块将监测信息接入到个人服务器,访问WEB网页即可获取当前或历史监测数据。重要功能及代码设计:设备远程告警功能通过服务器接口实现数据传输,其重要代码如下所示。/当空气VOC指数大于等于100且小于200时,灯显示绿色,说明当前空气质量较好。else if(index=100&index=300&index=400&index500)FastLED.show();fill_solid(leds,7,CRGB:Red);FastLED.show();本设计采用ESP32-E作为主控制器,采用官方提供的编译软件Arduino,室内VOC含量300阈值,温度35,则触发告警程序,通过其内置 WiFi模块用作无线网络连接,接入服务器实现监测信息的存储和传输。2 硬件设计及原理分析主程序设计:选用FireBeetle ESP32-E作为主板控制程序的运行。设备初始化完成后驱动SGP40空气质量传感器、DHT11温湿度传感器对室内温湿度、空气质量进行检测。另外,系统预留ESP32-E蓝牙接口,可连接蓝牙设备实现语音播报功能。远程告警提醒则通过ESP32-E内置Wi-Fi模块将告警信息传送至阿里云物联网平台,最终送达用户终端。表1所示为STC89C52、STM32F407、FireBeetle ESP32-E的特性对比。ESP32-E采用双核处理器多线程实时处理;高速主频240MHZ,对比STC89C52的48MHz和STM32F4的168MHZ,速度更快,内置蓝牙和Wi-Fi,不需要增加成本购置模块。STC89C52微控制器成本低廉适用于学习开发。对比STC89C52单片机的空气检测系统,选用ESP32-E微控制器为核心拓展了更多实用功能:可视化数据显示方式,接入物联网平台远程监测提醒、网页访问历史监测数据。STM32F4微控制器引脚丰富,更适用于复杂性的工业类项目。温湿度的检测是综合考虑空气质量素质的参数之一,有生理学家研究:室内温湿度会引起多种不适,所谓空气湿度的高低主要指的是空气中相对湿度(单位空气中的气体和水分的百分比),对于人体而言舒适的空气湿度区间是在30%到80%。本项目采用DHT11温湿度传感器获取相关数据,相对温湿度的测量,不需要添加外部件。建立通信过程耗时约4ms。MQ-2气图1 系统结构图表1 STC89C52、STM32F407、FireBeetle ESP32-E特性对比电子技术 第 52 卷 第 4 期(总第 557 期)2023 年 4 月 63Computer Engineering计算机工程体传感器,同DHT11温湿度传感器配合高温、烟雾报警,提醒用户处理高温引起的危险。3 数据传输处理的物联网平台选择分析国外物联网平台微软、亚马逊发展较早,技术相对成熟,但费用较贵,同时在国内的服务器响应速度不佳。现阶段,国内主流物联网平台有百度、阿里、华为等。百度在物解析IoT Parser和物联网IoT Device等板块都有研究,其物联网平台设计理念相对于国外的亚马逊物联网平台有着许多相似之处。阿里云重点在数据接入、数据传输解析方面,迎合了大多数企业、个人开发的需要,简易的接入流程节省了开发成本。在大企业选择时往往会选择技术更成熟的微软平台。从各大物联网平台研发企业的整体趋势和各个发展现状来讲,华为在人工智能(Artificial Intelligence)方面更具代表性,阿里云在物联网平台的发展则更符合本土需求。通过对多个平台的对比,本设计选用阿里云IoT Studio实现远程监测告警。另外,用户也可以定制服务器实现数据存储与转发,相对成本较高但具备可定制性。4 实验测试分析表2所示为部分实验数据记录。本次测试用例为家庭VOC含量超限监测,SGP40空气质量传感器为乙醇当量换算得出,测量范围为01 000ppm乙醇当量。因此实验选用酒精喷洒改变空气中的乙醇含量,超限后,RGB灯带色彩发生变化、随即触发主控板预置程序,通过ESP32-E内置Wi-Fi模块触发远程告警信息。在实验中本地预警响应时间6s,远程预警响应时间3min。自建服务器可缓存近一个月历史监测记录,根据走向图(如图2所示)便于用户直观查看监测数据针对性地做出解决措施。5 结语基于ESP32-E的室内空气VOC含量监测系统设计,利用阿里云物联网平台、空气质量传感器、温湿度传感器、RGB灯带、LCD显示屏实现了对室内空气质量的监测、告警,帮助用户改善室内空气质量。经过测试,其实时监测、远程告警处理、本地告警处理、可视化的设计理念可以帮助用户进行室内空气质量判定,监测室内空气质量,提醒用户改善室内空气质量。参考文献1 杨菲.室内空气质量检测与报警系统的设计与实现J.电子制作,2020(Z1):29-30+28.2 付东杰.基于STC89C52单片机的空气检测系统J.技术与市场,2019,26(09):57-58+61.3 任彬彬.国内外VOC检测方法及标准解读J.建材与装饰,2017(43):58-59.4 王娟,洪铭皓,张尔东,于广艳.基于单片机的工业微尘检测系统的设计J.电子技术与软件工程,2020(18):92-93.5 史振兴.面向智能服装的ZigBee无线监测网络系统研究D.北京:北京服装学院,2013.6 于春雷.网络机房环境监测与控制系统的设计与实现D.江苏:南京邮电大学,2018.7 侯爱莲,魏振亚.云平台应用适配试验与探索J.金融科技时代,2022,30(03):62-65.8 王锦涛.基于MQTT的物联网设备接入及云上监控系统研究D.陕西:西安工业大学,2021.9 梁竹君.基于ESP8266温湿度检测系统设计J.科技创新与应用,2020(01):95-97.10 陈建新.DHT11数字温湿度传感器在温室控制系统中的应用J.山东工业技术,2016(18):120.表2 部分实验数据记录图2 监测数据走向图

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