3.4 室内环境监控系统
室内环境监控系统包括电动窗帘控制系统、灯光控制系统、温湿度监控系统以及烟雾与可燃气体监控系统等四个子系统。系统的硬件部分采用 ESP8266 模块和 Arduino 模块相结合的方式来实现系统的控制与数据交互。
ESP8266 作为 Wi-Fi 模块为无线串口收发模块，由于尺寸小和成本低使得它非常适合做传感器节点。它的工作电压是 3.3V,消耗电流为 250mA.目前的电流消耗比较大，所以它通常没有电池供电。
Arduino 模块选用 Arduino pro mini（3.3V 8MHz）以及软件串行口。硬件串口将程序上传和调试。之后可以切换模块硬件串口。
在开始使用ESP8266模块之前需要更新ESP8266固件。本系统采用v0.9.2.2固件版本。
新的固件默认波特率为 9600bit/s,因此可以在 Arduino 电路板上使用软件串行口。
ESP8266 的电流消耗太大，所以不能使用 Arduino 内部稳压器。本系统将使用专用的电源稳压器 AMS1117,确保在传送时使用足够大的电容来防止电压下降。
图 3-5 是连接 ESP8266 模块和 Arduino Pro MINI 模块的电源供应电路。表 3-3 是ESP8266 模块和 Arduino Pro MINI 模块的引脚连接对应表。图 3-6 是 ESP8266 模块引脚说明。图 3-7 是 Arduino Pro Mini 的引脚说明。
3.4.1 窗帘模块
首先连接 Arduino Pro Mini 和 ESP8266 模块。然后连接中继模块。继电器模块需要 5V电压供电，所以本系统给 VCC 提供 5V 电压，GND 通常会接到 5V 和 3.3V 的地线。然后，将继电器模块连接到 Arduino 板的数码引脚上。因为继电器模块采用 5V 而 Arduino 板采用 3.3V 供电，所以要在它们之间再连接一个晶体管 2N2222 和一个 10K 的电阻。在本系统中将使用 Arduino 的第 13 个引脚。图 3-8 是窗帘模块与 Arduino 模块连接的电路图。
3.4.2 灯光模块
连接 ESP8266 芯片和 Arduino 芯片。把 Arduino 连接至 12V 的 LED 电源（GND 接地和 VCC 接 12V 电压）。下一步连接 LED 带。使用 30V 的 N 沟道的 MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）放大电流。在本系统中，使用 Arduino 模块的第 13 个引脚进行PWM（Pulse Wavelength Modulation 脉宽调制波）输出。连接方案如图 3-9.
3.4.3 温湿度模块
温湿度模块采用的传感器是 DHT22 数字温湿度传感器，它是一种既可以测温度又可以测湿度的复合传感器，含有已经校准过的数字信号输出。为了确保 DHT22 的长期的可靠性和稳定性，它采用了数字模块采集技术与温湿度传感技术。整个传感器由一个电容式的感湿元器件、一个 NTC 测温元器件和一个具有高性能的 8 位单片机相互连接组成[65].
所以 DHT22 响应超快，抗干扰力很强，性价比也非常卓越。在出厂前，每个传感器都会经过校准的步骤，DHT22 会在非常精准的湿度校验室里经过校准，所以它所测量的数据非常可靠。当传感器对环境进行测量时，其内部对检测的信号进行处理时将会调用校准系数，从而得出测量数据[66].由于 DHT22 采用的串行接口是单线制，所以与其他系统集成非常的简单易操作，又由于它体积轻便、功耗很低、信号的传输可以达到 20 米甚至更长，因此它能够应用在各种有需要的系统中，即使是最为严苛的应用场景也可以作为最优选择。
如图 3-10 所示，DHT22 的实物是四针的单排引脚进行了封装，连接非常便捷。同时它也可以根据客户的不同需求对封装进行定制。表 3-4 是 DHT22 的性能说明。表 3-5 介绍了DHT22 小体积封装引脚。
由表 3-5 可知，DHT22 所需的供电电压在 3.3V 到 6V 之间。在传感器刚接上电源时，有大约 1s 处于不稳定的状态，过后即可传送相关命令。VDD 和 GND 引脚之间的电容是为了起到去耦滤波的作用。微处理器和 DHT22 传感器互相之间的数据交互由引脚 DATA 负责，除此之外 DATA 也用于处理同步，利用的是单总线的数据格式，每次耗时约 5ms[67].
整个温湿度模块的接线图如图 3-11 所示。首先连接 Arduino Pro Mini 8MHz 的 3.3V 电源和 ESP8266 模块。然后连接 DHT22 温湿度传感器和 Arduino 电路板。将 DHT22 的 VCC引脚接上 3.3V 的电源，GND 引脚接至地线。传感器 DHT22 的第 2 个引脚（数据）连接到Arduino 的第 2 个引脚上。
3.4.4 可燃气模块
本模块采用的传感器是 MQ-2 型烟雾传感器，该传感器的主要作用成分是二氧化锡，是一种对气体敏感的材料。当空气中的温度达到 200 至 300 摄氏度时，二氧化锡就会对空气中的氧离子进行吸附，从而使材料整体电子密度降低，电阻值就会发生变化。当传感器需要对烟雾进行测量时，当烟雾接触到二氧化锡半导体，其晶体粒子之间的势垒会因而发生改变，材料表面的电导率即会相应发生改变，从而可以捕捉烟雾的存在。MQ-2 传感器的灵敏度特性是指传感器在正常工作时，在处于同一种烟雾气体的情况下，其电阻值 Rs随着气体的浓度变化而产生的相应变化[68].灵敏度由字母 K 表示。若用 Ro 来代表传感器在无污染的空气中所测量到的电阻值，Rs 代表传感器在由一定浓度的可燃气体环境下测量到的电阻值，K 的计算公式为 K=Rs/Ro.在不同的烟雾或可燃气体环境下，K 的大小会有微小的不同，但是依然会符合 logRs=mlogC+n 这个公式。其中一般 m 的取值在 1/2 至 1/3之间，叫做烟雾分离能，就是该元件对可燃气体的浓度差异的敏感性。C 是气体的浓度，n是一个动态值，与温度、气体种类、元件制作材料等参数都有关联，也会因为传感器中的增感剂而发生变化[69].
将烟雾传感器 MQ-2 的数字输出连接到 ESP8266 的 GPIO2 引脚。由于 ESP8266 需要连接 3.3V 电源，MQ-2 工作在 5V 电源，因此将添加额外的 NPN 晶体管，两个电阻和电容来平衡电压。添加电容有助于将 GPIO2 引脚在通电时置高，保证 ESP8266 在正确的状态中启动。图 3-12 为具体的模块连接图。
