室内微环境智能监测系统分析与设计

    陈阳

    

    摘要：室内微环境由室内空气、温湿度等多种环境因素构成，微环境的变化对于人们的身体健康和生活舒适度产生非常强烈的影响。本设计将传统的环境监测技术和物联网技术相结合，侧重于系统的设计和具体实现，从硬件配置到软件开发过程均给出了详细实现描述。最终实现了传感器数据采集，无线数据传输和应用层实时显示功能，以及实时的室内微环境数据监测功能，并通过网络等方武将室内微环境的数据呈现给用户。

    关键词：监测传感器物联网

    0 引言

    随着人们收入水平的提高，人们对自身的居住环境也提出了更高的要求，室内环境污染问题受到人们越来越多的关注。室内微环境监测系统通过对室内空气质量的实时监控，找出室内空气环境污染的关键因素，再通过实时调控，保持室内空气质量，让人们走出因室内空气污染而导致的亚健康状态。相比传统测量方式，室内微环境智能监测系统具有实时性，便捷性等特点，可以实现实时监控测量和及时报告反馈。系统以空气的主要污染源为监测和管控对象，充分考虑温湿度、光线等因素对室内微环境舒适度的整体影响，将数据上传到数据库中，对室内微环境质量监测数据进行统计和分析，为大数据分析建立数据基础，为后续智能化反向控制提供数据和理论支持。通过系统的应用，强化人们对空气污染的认识，增强环境保护意识，通过有效的室内空气质量改善措施，提升室内空气质量，改善人们的身体健康状况。

    1 系统总体设计

    系统主要由数据采集终端、网络传输模块、数据显示模块等三部分构成，如图1所示。

    数据采集部分由单片机外接传感器组成，传感器采集所需数据，传人单片机后进行预处理，然后由WIFI模块儿传输到总控中心ARM开发板进行数据再处理、存储和显示。其中单片机采用意大利的开源硬件arduino开发板，网络传输模块儿采用WIFI方式实现，可以在室内环境下通过无线终端快速访问系统、快速发送指令，具体采用济南有人物联网技术有限公司研发的USER232-A和USER232-T系列开发模块。显示模块功能由ARM11的WEB服务器实现。相较于其他方案，ARM处理器具有更好的处理性能，能更好的支持后续的功能扩展、WIFI可以支持多终端、稳定且安全性高。具体实现数据流程如下：

    1.1 实现两个传感器数据的实时采集和传输。通过单片机采集到传感器数据后，通过一个WIFI节点，将数据传输到WIFI数据汇集节点，实现无线数据传输的点对点传输。

    1.2 网页访问ARM板Boa服务器可以读出传感器数据。通过移植和配置Boa服务器，搭建好ARM板的开发环境以后，可以实现固定IP访问开发板内部网页。

    1.3 上传数据到指定服务器。通过WIFI模块的SOCKET B接口将数据上传到网络服务器备份，保证数据安全的同时方便后期进行数据分析。

    1.4 数据超过阀值后蜂鸣器报警。接收到的数据超阈值后，可以通过开发板上的蜂鸣器报警。

    2 系统实现

    2.1 数据采集层实现

    数据采集层要求在特定时间内，采集单片机特定端口传感器数据，初步判断数据是否符合要求，并排除误差较大的数据，然后将数据写入到WIFI发送端口完成数据发送。

    关键代码分析：

    int Digital_Value1=0：

    int Digital_Value2=0；

    int tem=0；

    void setup0

    {serial.begin（57600）；///波特率设置为57600}

    void loop（）

    {//测温范围0～100℃，湿度范围为0～1023

    Serial.println（“A”）；//flags

    Digital_Value1=analogRead（A0）；//读取温度（数字量）

    Digital_Value2=analogRead（A4）；//读取湿度（数字量）

    If（0<digital_valuel<100&&o<digital_value2<10231

    {serial.prinfln（Digital_Valuel）；//发送数据

    Serial.println（Digital_Value2）；}

    delay（1800）；//刷新}

    代码分析：arduino中的函数提前经过封装，标准格式包括两个函数setup和loop函数，一般在setup函数中实现波特率等基本参数的设置，loop函数一直循环执行，需要将数据采集等操作放入loop函数中，在上述代码中，首先在setup函数中设置数据传输波特率为57600，然后在loop函数中定义变量Digital_Value1和Digital_Value2，分别用来存储从A0和A4口读到的传感器数据，然后对数据进行范围判定，最后通过输出，将符合要求的数据传输到数据发送端口，最后为了保证数据传输和接收同步，需要对数据采集过程进行延时。

    2.2 数据传输层实现

    使用USER WiFi模块支持多种模式和方式传输数据。可以采用数据透传模式，也可以采用SOCKET数据传输模式，同时支持点对点数据传输和组网数据传输，数据接收中心采用AP模式，数据采集端采用AP+STA模式，不同的模式需要对模块进行不同的配置，本文采用数据透传，组网传输数据。

    （一）对AP的配置参数：设置网络名称，MAC地址，数据加密模式，IP地址和DHCP模式等配置。将AP的“模块将要加入的网络”设置为自身网络，设置加密类型。配置串口数据属性：波特率，数据校验位，网络模式和协议，端口号，TCP链接数量等属性。

    （二）对STA模块的配置参数：配置以后产生TP地址和MAC地址的网络信息。设置无线接入点的基本信息，包括网络模式、无线接入点的安全设置（加密模式）、局域网参数设置。设置STA的波特率等基本参数，包括校验位、协议、端口号等。

    2.3 数据处理层实现

    数据处理层要按时从串口读取数据，并将读取到的数据首先进行长度判断处理，最后重新组合为新字符串写入数据库中，最后需要在开发板界面显示接收到的数据。

    主要实现串口初始化功能，将串口配置按模块封装为函数，包括波特率设置、校验位设置、数据位和停止位的配置，同时给出了串口基本操作的代码基本架构，为后续调用做准备。主函数中首先定义变量，初始化串口，然后从串口中读取接收到的数据，然后调用字符串组合函数，将接受到的数据组合为可以直接写入到数据库的SQL字符串，最后调用数据库处理函数，存储数据，然后关闭串口。设计前台界面显示传感器数据，故内容较简洁，顶部使用一个marquee实现系统标题循环滚动效果，下面使用iframe标签将从数据库中读取到的数据显示到界面。

    3 总结

    室内微环境智能监测系统针对室内环境污染进行需求分析，设计了数据采集终端、网络传输模块、数据显示模块，最终成功实现传感器数据采集，网络层数据传输和数据处理显示实现了对室内微环境智能监测。系统能够对环境进行实时监测和分析，并通过网络等方式将室内微环境的数据呈现给用户。室内微环境智能监测系统具有实时性，便捷性等特点，实现了实时监控测量和及时报告反馈。

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