论文总字数：26500字

摘 要

空气质量在人类的安全，保障和健康方面发挥着非常重要的作用。空气污染的主要原因是颗粒物质(PM2.5)，它会引起健康问题，像是哮喘和其他一些呼吸系统疾病。研究发现，吸入空气中微粒物质的人患肺癌的风险更高，与非吸烟者易患二手烟的风险相当。随着我国现代化进程脚步的不断加快，各地方PM2.5值居高不下。针对这一现象本文设计一种基于物联网组件的空气质量检测设备。整个设计由三部分组成，分别是消息发布者，MQTT服务器以及消息订阅者。消息发布者由颗粒物传感器、继电器以及ESP8266 NodeMCU开发板组成。消息订阅者为开源物联网平台Domoticz。颗粒物传感器将检测到的PM2.5浓度，温度，湿度以及甲醛浓度(HCHO)数值通过NodeMCU开发板的WIFI模块传送至MQTT服务器。Domoticz用于订阅从MQTT Broker接收到的数据。使用Domoticz，我们可以轻松地将接收到的将数据用于实时的空气质量监控。此外，我们也可用使用Domoticz来控制传感器的工作状态。

关键词：空气检测，NodeMCU，ESP8266，Domoticz，MQTT，ESP_EASY

Abstract

Air quality plays very important role in human safety, security and health. The primary contributor to air pollution is the particulate matter (PM2.5), causing human health issues, like asthma and other respiratory illnesses. A study has found out that the persons inhaling particulate matter in air are at more risk of lung cancer and comparable to non-smoker susceptible to secondhand smoke. As the pace of modernization process continues to accelerate, the value of PM2.5 in various places remains high. In response to this phenomenon, an air quality testing device based on IoT components is designed. The entire design consists of three parts, the message publisher, the MQTT Broker and the message subscriber. The message publisher consists of a particle sensor, a relay, and the ESP8266 NodeMCU. The subscriber is Domoticz, an open source IoT platform. The particulate sensor transmits the detected PM2.5 concentration, temperature, humidity, and formaldehyde concentration (HCHO) ‘s values to the MQTT broker through the WIFI module of the NodeMCU. Domoticz is used to subscribe to data received from the MQTT Broker. With Domoticz, we can easily use the data we receive for real-time air quality monitoring. In addition, we can also use Domoticz to control the working state of the sensor.

KEY WORDS: Air detection, NodeMCU, ESP8266, Domoticz, MQTT,ESP_EASY

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 课题研究背景以及意义 1

1.2 国内外空气检测发展状况 1

1.2.1 国外发展状况 1

1.2.2 国内发展状况 2

1.3 物联网概论 3

1.4课题主要工作内容 4

第二章 设计方案 5

2.1总体设计方案 5

2.2 MQTT协议 5

2.3方案对比分析 7

2.3.1 单片机开发板选择 7

2.3.2 开源物联网平台选择 7

2.3.3 传感器选择 8

2.3.4 显示屏选择 9

2.4 总设计软硬件结构 10

第三章 系统设计 11

3.1硬件设计 11

3.1.1 NodeMCU(ESP8266)开发板 11

3.1.2数据采集模块 12

3.1.3开关模块 15

3.1.4显示模块 16

3.1.5供电模块 17

3.1.6 硬件总体连接图 17

3.2 软件设计 18

3.2.1 ESP_EASY 18

3.3.2 EMQ服务器搭建 22

3.2.3 DOMOTICZ 24

第四章 数据测试结果比较分析 29

4.1 PM2.5测试 29

4.2温度测试结果比较分析 30

4.3湿度测试结果比较分析 31

第五章 结论 32

参考文献 33

致 谢 34

第一章 绪论

1.1 课题研究背景以及意义

在当今这个科技飞速发展的时代下，人们对于生活质量的要求在不断的提高，因此空气质量问题也逐渐开始受到广泛关注。据世界卫生组织(WHO)称，室内空气污染和城市空气质量不佳被列为2013年全球最严重的的两个环境污染问题^[1]。世界卫生组织在2014年发表了一份报告，报告中指出2012年的空气污染导致全球约700万人死亡^[2]。空气中对我们人体影响最大的是颗粒物，例如颗粒物PM2.5。PM2.5^[3]指的是直径小于等于2.5微米的细小颗粒物质。木材燃烧，发电厂，工业生产，柴油基车辆排放是颗粒物(特别是PM2.5)的主要来源。另外空气中污染物的存已成为城市居民肺部相关疾病的主要原因。根据科学研究^[4]，颗粒物质(PM2.5)引起各种健康问题，如哮喘，支气管炎和慢性呼吸道症状，如呼吸疼痛和呼吸短促。中国环境保护部(MEP)根据国家环境空气质量标准(NAAQS)规定了5种主要空气污染物计算：地面臭氧(O₃)，一氧化碳(CO)，二氧化硫(SO₂)，二氧化氮(NO₂)和直径10微米或更小的空气传播的颗粒物质(PM10)^[5]。根据PCD标准，地面臭氧(O₃)和空气中的颗粒物是对人类健康最大的两种污染物。家是我们居住的地方，对于长时间处于家中的人们来说，家中的空气质量的好坏直接影响到我们的身体健康响，特别是儿童和老年人。因此设计一款室内空气检测装置来检测家中颗粒物浓度就显得十分重要。

1.2 国内外空气检测发展状况

空气质量检测的研究可以追溯到20世纪，它并不是一个较新的领域。对于空气质量检测的评判标准我们有一个专用的数值模型，我们称他为空气污染指数API(Air Pollution Index)。

1.2.1 国外发展状况

在国外20世纪70年代，人们便开始了对于空气质量问题的关注。那时候人们感到疲惫，头痛，记忆力减退等不良症状。经过一段时间的调查研究，他们最终发现是建筑物材料的有机挥发物导致了这一系列症状，当时将这些症状称之为建筑物综合征。自从那时开始，许多国外机构投入巨资对室内环境进行研究。研究的主题包含多个方向，例如探究病态建筑物综合症(SBS)形成的原因,如何有效地控制预防氡辐射等。

在这之后美国环保署(EPA)成功制定了一种鉴定空气质量的方法以及检测标准，当时称为“污染标准指数(PSI)”。此标准可以准确、及时的给出空气质量状况，因此纷纷在国内外被普遍应用。不久之后美国、加拿大、德国、意大利和日本等发达国家分别制定了用于各自国家的室内环境质量检测标准。例如美国国会通过了“联邦有害物质法”和“消费品安全法”，也正是这两部法开始规定了家用有害物品必须贴有“危险警告标志”。另外美国还制定了«室内空气样本分析指南»等其他技术规范。日本发布了有关有害物质的家用产品监管法。意大利和加拿大制定了室内建筑，装饰材料和家居用品的法规，丹麦和挪威制定了健康材料标准，规定涂层产品必须清晰显示其形成指标和健康的使用说明^[6]。

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