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摘要：随着环境问题的日益突出，人们越来越重视室内空气的质量，对新风系统提出了更高的要求。本文设计的基于物联网的室内环境控制系统可实现：通过机械通风换气，自主送风和引风，以纯物理方式提高室内空气品质；对室外空气可进行除尘、净化、增氧等处理，使室内环境时刻保持舒适；利用基于STM32嵌入式传感的物联网系统，进行实时室内环境参数监测，采用ONENET云平台技术进行控制，便于管理和拓展。该系统对提高新风系统的实用性、加速家居系统的智能化水平提供了有益的思路。
关键词：物联网；智能净化；模块化分层设计；环境参数监测
1.引言
随着工业发展和现代化进程的推进，全球空气日益严重，室内空气的污染不但严重影响了人们的日常生活而且危害了人类的身体健康。因此为了保证身体的健康和良好的身体环境，出现了各种室内净化器。目前，净化器包括机械过滤吸附式，静电式，负离子式，紫外光式，他们大多操作繁琐，而且成本较高[1-2]。随着人们健康意识增强和生活质量的提高，效果更好的新风系统开始逐渐走入千家万户。据奥维云网（AVC）数据统计显示，截止到2015年12月，全国新风系统产值规模约为45亿元，同比2014年增长29%[3-5]。随着新风系统的逐步普及，这些问题越来越受到人们的关注。本文设计的基于物联网的室内环境控制系统，以新风机为基础，利用多种传感器采集数据，智能对新风机进行转速的调节，使风机工作效率大大提高，对室内有害气体的吸附过滤效果显著；并把室内污浊的空气经过滤后排出室外，室内外空气均得到一定程度净化，又达到节能减排的目的。最后通过Wifi模块将所采集数据上传到ONENET云平台，以便更好的检测与分析，更有助于对环境的全局监测，不仅能实现环境预警，还有助于利用大数据分析找到污染源。
2.方案设计
2.1总体系统设计
系统的总体设计方案如图1所示，本系统采用分层控制的方式，通过传感器采集新风机出入口温湿度，出入口PM2.5变化和出入口与大气的压差等数据，将采集到的数据从传感器层上传到控制板层，再通过主控制板CPU对数据进行分析，由控制系统通过传感器的检测结果，来调节新风机的运行与停止，利用PID算法控制风机的速度随着污染气体的浓度的变化而变化，并利用滤网对流入流出的空气进行净化以减少PM2.5含量，同时将数据采用ESP8266无线模块从控制板层上传到ONENET层，将室内空气的数据和温度、压强的数据进行上传、显示，可以随时随地在手机、电脑上查看最新监测数据，具有强大的时效性和高度的实用性，从而达到准确控制室内空气的流入和排出，有效减少有害气体的排放，保持室内空气质量完美以及室内温度、风压稳定的效果。这种控制方式还可以在每一层都对数据进行判断处理，获得需要的数据或更改不符合要求的数据，有很强的灵活性。
2.2控制系统设计
本方案的控制系统设计主要分为传感器模块、风机模块和云平台模块。其特点就是不论是硬件还是软件的设计都采用了模块化设计。模块化设计在设计时更加简洁明了，思路清晰。因为各模块独立设计，所以在设计出现故障时更容易查找和维修，大大降低了维修成本。
2.2.1 硬件设计
选用AM2302作为温湿度传感器，温湿度传感器要实现室内温湿度的测量，温度范围-40度到80度，测量精度为0.01度，湿度范围0%到99.9%，测量精度为 0.1%。5V电压供电，采用單总线传输数字信号。该传感器体积小、功耗低，是一款已校准的数字化温湿度复合传感器。它具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。因此具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。
甲醛传感器要实现室内甲醛浓度的测量，且需要较高的精度，因此选用攀藤PMS3003作为PM2.5传感器，5V供电，可测量PM2.5，PM1，PM10，是一种基于激光散射原理的数字式通用颗粒物浓度传感器，可连续采集并计算单位体积内空气中不同粒径的悬浮颗粒物个数，即颗粒物浓度分布，进而换算成为质量浓度，并以通用数字接口形式输出。
风压传感器为定制传感器，风压传感器的压力直接作用在传感器的膜片上，使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻发生变化，用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这个压力的标准信号。输出电流4-20mA，量程范围0-30pa，12V到24V供电。采用AD转换把电流信号变成数字信号。
2.2.2软件设计
在控制算法优化设计方面，传统方法使用模糊神经网络控制算法，算法存在非线性失真的缺陷。针对传统方法出现的弊端，本文提出一种基于PID优化控制的风机转动速度调节优化算法——增量式PID算法，以提高风机转速调节的控制性能。
常规模拟控制系统原理框图如图4所示。控制系统由模拟控制器和被控对象组成，控制器包含了比例、积分和微分三个环节。
PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值Rin（t）与实际输出值Yout（t）构成控制偏差。
（1）
增量式PID是指数字控制器的输出只是控制量的增量 。采用增量式算法时，计算机输出的控制量 对应的是本次执行机构位置的增量，才能完成对被控对象的控制操作。执行机构的累积功能可以采用硬件的方法实现；也可以采用软件来实现。采用增量式算法时，计算机输出的控制增量?u（k）对应的是本次执行机构位置例如阀门开度的增量。由于控制算法中不需要累加，控制增量?u（k）仅与最近次的采样有关，所以误动作时影响小，而且较容易通过加权处理获得比较好的控制效果。本系统采用该种控制算法，以提高风机转动速度调节输出控制性能。
增量式PID控制算式如式（2）所示，
（2）
式中，
进一步可以改写成：
（3）
式中， 一般计算机控制系统的采样周期T在选定后就不再改变，所以，一旦确定了 、 、 ，只要使用前后3次测量的偏差值即可由式（3）求出控制增量。
确定比例增益 时，首先去掉PID的积分项和微分项，一般是令 =0、 =0，使PID为纯比例调节。输入设定为系统允许的最大值的60%～70%，由0逐渐加大比例增益 ，直至系统出现振荡；再反过来，从此时的比例增益P逐渐减小，直至系统振荡消失，记录此时的比例增益 ，设定PID的比例增益 为当前值的60%～70%。
比例增益 确定后，设定一个较大的积分时间常数 的初值，然后逐渐减小 ，直至系统出现振荡，之后在反过来，逐渐加大 ，直至系统振荡消失。记录此时的 ，设定PID的积分时间常数 为当前值的150%～180%。
微分时间常数 一般不用设定，为0即可。若要设定，与确定 和 的方法相同，取不振荡时的30%。本系统 取为0。
系统空载、带载联调，再对PID参数进行微调，直至满足要求。
2.3 云平台模块设计
目前国内几款新型的物联网平台有阿里云、Q 物联、Onenet等[6]。其中 Onenet 物联网平台，是一款完全面向物联网的智能平台，该平台提供了硬件设备的接入协议，以及通过http协议对平台数据库进行操作的接口，既有完善的面向物联网的协议标准，又给开发者一定的自由度，是一款理想的物联网接入平台。因此本设计选择 Onenet 作为监控系统的云平台。
其中，STM32 程序主要实现循环读取温湿度数据，将数据上传 Onenet 服务器，同时监听上层随时发送的控制命令做出动作。其中数据上传与控制命令数据包的解析严格按照 Onenet 终端接入协议——EDP协议进行执行。
因此本系统选用 EDP协议，在满足“物物联网”的基础上，不仅能实现更新传感器数据、发送和接收控制命令等功能，而且能有效缩短开发周期。因此不论是设备控制效率还是设备运行负荷，选择EDP协议都有优势。
3.系统测试与分析
3.1整体环境控制系统平台
本文采用一个模拟的室内环境作为测试场景。基于物联网技术，结合传感器控制、PID算法、Onenet技术设计出能够通过互联网对家居室内环境进行远程监控的物联网系统。测试整体监控系统平台如图6所示。
3.2系统节能性能分析
该系统通过传感器对室内空气质量的检测，并将监测数据传送至主控芯片进行处理和分析，由分析结果，采用PID算法智能控制风机开启与停止以及风机的转速。相对比传统人工控制，可达到节约电能的目的。分析如图7所示。
3.3系统过滤效果测试
新风过滤效果主要由室内空气的细颗粒物浓度来评判，主要通过PM2.5的指标来评价系统对新风的过滤效果。根据试验房间PM2.5浓度量的测试，每隔1h测试一次室内外PM2.5浓度共进行了6次测试，具体测试数据如表1所示。系统对PM2.5的过滤率在70%左右，表明系统能对空气中的细颗粒物起到一定的过滤效果。
3.4系统数据上传Onenet平台测试
图8所示为控制系统上位机界面，将室内环境中的污染气体浓度进行显示，并且把系统实时检测到的数据进行分析，将传感器所采集到的数据成功上传于云端，让室内空气质量在上位机界面上显示并且绘制出变化曲线。
4.结论
在智能家居快速发展的大背景下，本文设计的基于物联网的室内环境控制系统，通过模块化的设计，不仅保留了传统新风系统的功能，而且具有以下优势：
（1）建立的风机自动控制系统，节能效果明显；补充新风的过程中不仅保持对空气的温湿度，气压等参数的动平衡，还可同时实现空气的冷热交换，更加舒适；
（2）采用物联网架构，并可以按照功能需求，对整个系统进行分块设计、同步开发，系统结构更加简洁
（3）采用云平台系统，并且减少线路连接，便于拓展管理，对底层监测管理节点可以实现即插即用，管理更加方便。
这些特点提高了新风系统的实用性，满足了人们对家居系统节能、智能的需求，具有较好的实际意义。
参考文献：
[1]刘玉峰，徐永清.房间气流组织对污染物空間分布的影响[J]. 山东科技大学学报， 2014
[2]郑为键，智能温室控制系统的研制[J]，节水灌溉，2015，4.24-25
[3]龙惟定.室内气候[M].上海科学技术出版社，1009- 6825（ 2014） 05-0192-03.
[4]谢东坡. 室内环境监测与舒适度评价系统研究[D] .重庆：重庆理工大学，2009.
[5]王凯，原婷婷.影响室内环境检测的相关因素与控制[J].城市建设理论研究，1674-5566（2013）05-0831-10.
[6]齐云鹤，陈志武，佐文品. 基于嵌入式思想的新型准集散式环境控制系统[J]，计算机控制，2016，21卷2期80-82
关键词：物联网；智能净化；模块化分层设计；环境参数监测
1.引言
随着工业发展和现代化进程的推进，全球空气日益严重，室内空气的污染不但严重影响了人们的日常生活而且危害了人类的身体健康。因此为了保证身体的健康和良好的身体环境，出现了各种室内净化器。目前，净化器包括机械过滤吸附式，静电式，负离子式，紫外光式，他们大多操作繁琐，而且成本较高[1-2]。随着人们健康意识增强和生活质量的提高，效果更好的新风系统开始逐渐走入千家万户。据奥维云网（AVC）数据统计显示，截止到2015年12月，全国新风系统产值规模约为45亿元，同比2014年增长29%[3-5]。随着新风系统的逐步普及，这些问题越来越受到人们的关注。本文设计的基于物联网的室内环境控制系统，以新风机为基础，利用多种传感器采集数据，智能对新风机进行转速的调节，使风机工作效率大大提高，对室内有害气体的吸附过滤效果显著；并把室内污浊的空气经过滤后排出室外，室内外空气均得到一定程度净化，又达到节能减排的目的。最后通过Wifi模块将所采集数据上传到ONENET云平台，以便更好的检测与分析，更有助于对环境的全局监测，不仅能实现环境预警，还有助于利用大数据分析找到污染源。
2.方案设计
2.1总体系统设计
系统的总体设计方案如图1所示，本系统采用分层控制的方式，通过传感器采集新风机出入口温湿度，出入口PM2.5变化和出入口与大气的压差等数据，将采集到的数据从传感器层上传到控制板层，再通过主控制板CPU对数据进行分析，由控制系统通过传感器的检测结果，来调节新风机的运行与停止，利用PID算法控制风机的速度随着污染气体的浓度的变化而变化，并利用滤网对流入流出的空气进行净化以减少PM2.5含量，同时将数据采用ESP8266无线模块从控制板层上传到ONENET层，将室内空气的数据和温度、压强的数据进行上传、显示，可以随时随地在手机、电脑上查看最新监测数据，具有强大的时效性和高度的实用性，从而达到准确控制室内空气的流入和排出，有效减少有害气体的排放，保持室内空气质量完美以及室内温度、风压稳定的效果。这种控制方式还可以在每一层都对数据进行判断处理，获得需要的数据或更改不符合要求的数据，有很强的灵活性。
2.2控制系统设计
本方案的控制系统设计主要分为传感器模块、风机模块和云平台模块。其特点就是不论是硬件还是软件的设计都采用了模块化设计。模块化设计在设计时更加简洁明了，思路清晰。因为各模块独立设计，所以在设计出现故障时更容易查找和维修，大大降低了维修成本。
2.2.1 硬件设计
选用AM2302作为温湿度传感器，温湿度传感器要实现室内温湿度的测量，温度范围-40度到80度，测量精度为0.01度，湿度范围0%到99.9%，测量精度为 0.1%。5V电压供电，采用單总线传输数字信号。该传感器体积小、功耗低，是一款已校准的数字化温湿度复合传感器。它具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。因此具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。
甲醛传感器要实现室内甲醛浓度的测量，且需要较高的精度，因此选用攀藤PMS3003作为PM2.5传感器，5V供电，可测量PM2.5，PM1，PM10，是一种基于激光散射原理的数字式通用颗粒物浓度传感器，可连续采集并计算单位体积内空气中不同粒径的悬浮颗粒物个数，即颗粒物浓度分布，进而换算成为质量浓度，并以通用数字接口形式输出。
风压传感器为定制传感器，风压传感器的压力直接作用在传感器的膜片上，使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻发生变化，用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这个压力的标准信号。输出电流4-20mA，量程范围0-30pa，12V到24V供电。采用AD转换把电流信号变成数字信号。
2.2.2软件设计
在控制算法优化设计方面，传统方法使用模糊神经网络控制算法，算法存在非线性失真的缺陷。针对传统方法出现的弊端，本文提出一种基于PID优化控制的风机转动速度调节优化算法——增量式PID算法，以提高风机转速调节的控制性能。
常规模拟控制系统原理框图如图4所示。控制系统由模拟控制器和被控对象组成，控制器包含了比例、积分和微分三个环节。
PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值Rin（t）与实际输出值Yout（t）构成控制偏差。
（1）
增量式PID是指数字控制器的输出只是控制量的增量 。采用增量式算法时，计算机输出的控制量 对应的是本次执行机构位置的增量，才能完成对被控对象的控制操作。执行机构的累积功能可以采用硬件的方法实现；也可以采用软件来实现。采用增量式算法时，计算机输出的控制增量?u（k）对应的是本次执行机构位置例如阀门开度的增量。由于控制算法中不需要累加，控制增量?u（k）仅与最近次的采样有关，所以误动作时影响小，而且较容易通过加权处理获得比较好的控制效果。本系统采用该种控制算法，以提高风机转动速度调节输出控制性能。
增量式PID控制算式如式（2）所示，
（2）
式中，
进一步可以改写成：
（3）
式中， 一般计算机控制系统的采样周期T在选定后就不再改变，所以，一旦确定了 、 、 ，只要使用前后3次测量的偏差值即可由式（3）求出控制增量。
确定比例增益 时，首先去掉PID的积分项和微分项，一般是令 =0、 =0，使PID为纯比例调节。输入设定为系统允许的最大值的60%～70%，由0逐渐加大比例增益 ，直至系统出现振荡；再反过来，从此时的比例增益P逐渐减小，直至系统振荡消失，记录此时的比例增益 ，设定PID的比例增益 为当前值的60%～70%。
比例增益 确定后，设定一个较大的积分时间常数 的初值，然后逐渐减小 ，直至系统出现振荡，之后在反过来，逐渐加大 ，直至系统振荡消失。记录此时的 ，设定PID的积分时间常数 为当前值的150%～180%。
微分时间常数 一般不用设定，为0即可。若要设定，与确定 和 的方法相同，取不振荡时的30%。本系统 取为0。
系统空载、带载联调，再对PID参数进行微调，直至满足要求。
2.3 云平台模块设计
目前国内几款新型的物联网平台有阿里云、Q 物联、Onenet等[6]。其中 Onenet 物联网平台，是一款完全面向物联网的智能平台，该平台提供了硬件设备的接入协议，以及通过http协议对平台数据库进行操作的接口，既有完善的面向物联网的协议标准，又给开发者一定的自由度，是一款理想的物联网接入平台。因此本设计选择 Onenet 作为监控系统的云平台。
其中，STM32 程序主要实现循环读取温湿度数据，将数据上传 Onenet 服务器，同时监听上层随时发送的控制命令做出动作。其中数据上传与控制命令数据包的解析严格按照 Onenet 终端接入协议——EDP协议进行执行。
因此本系统选用 EDP协议，在满足“物物联网”的基础上，不仅能实现更新传感器数据、发送和接收控制命令等功能，而且能有效缩短开发周期。因此不论是设备控制效率还是设备运行负荷，选择EDP协议都有优势。
3.系统测试与分析
3.1整体环境控制系统平台
本文采用一个模拟的室内环境作为测试场景。基于物联网技术，结合传感器控制、PID算法、Onenet技术设计出能够通过互联网对家居室内环境进行远程监控的物联网系统。测试整体监控系统平台如图6所示。
3.2系统节能性能分析
该系统通过传感器对室内空气质量的检测，并将监测数据传送至主控芯片进行处理和分析，由分析结果，采用PID算法智能控制风机开启与停止以及风机的转速。相对比传统人工控制，可达到节约电能的目的。分析如图7所示。
3.3系统过滤效果测试
新风过滤效果主要由室内空气的细颗粒物浓度来评判，主要通过PM2.5的指标来评价系统对新风的过滤效果。根据试验房间PM2.5浓度量的测试，每隔1h测试一次室内外PM2.5浓度共进行了6次测试，具体测试数据如表1所示。系统对PM2.5的过滤率在70%左右，表明系统能对空气中的细颗粒物起到一定的过滤效果。
3.4系统数据上传Onenet平台测试
图8所示为控制系统上位机界面，将室内环境中的污染气体浓度进行显示，并且把系统实时检测到的数据进行分析，将传感器所采集到的数据成功上传于云端，让室内空气质量在上位机界面上显示并且绘制出变化曲线。
4.结论
在智能家居快速发展的大背景下，本文设计的基于物联网的室内环境控制系统，通过模块化的设计，不仅保留了传统新风系统的功能，而且具有以下优势：
（1）建立的风机自动控制系统，节能效果明显；补充新风的过程中不仅保持对空气的温湿度，气压等参数的动平衡，还可同时实现空气的冷热交换，更加舒适；
（2）采用物联网架构，并可以按照功能需求，对整个系统进行分块设计、同步开发，系统结构更加简洁
（3）采用云平台系统，并且减少线路连接，便于拓展管理，对底层监测管理节点可以实现即插即用，管理更加方便。
这些特点提高了新风系统的实用性，满足了人们对家居系统节能、智能的需求，具有较好的实际意义。
参考文献：
[1]刘玉峰，徐永清.房间气流组织对污染物空間分布的影响[J]. 山东科技大学学报， 2014
[2]郑为键，智能温室控制系统的研制[J]，节水灌溉，2015，4.24-25
[3]龙惟定.室内气候[M].上海科学技术出版社，1009- 6825（ 2014） 05-0192-03.
[4]谢东坡. 室内环境监测与舒适度评价系统研究[D] .重庆：重庆理工大学，2009.
[5]王凯，原婷婷.影响室内环境检测的相关因素与控制[J].城市建设理论研究，1674-5566（2013）05-0831-10.
[6]齐云鹤，陈志武，佐文品. 基于嵌入式思想的新型准集散式环境控制系统[J]，计算机控制，2016，21卷2期80-82