基于云計(jì)算的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的研究

摘 要：室內(nèi)環(huán)境的質(zhì)量直接或者間接影響著人們的身心健康。文章以云計(jì)算為設(shè)想，主要以arduino 2560主控模塊、網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊、傳感器檢測模塊、電平轉(zhuǎn)換模塊等把實(shí)時(shí)監(jiān)測、處理、報(bào)警結(jié)合成一體。另外，在嵌入式系統(tǒng)下設(shè)計(jì)嵌入式Web服務(wù)器，并在LCD顯示屏、網(wǎng)頁等平臺上顯示信息，提高了環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測的可靠性、實(shí)時(shí)性，希望可以提高、改善環(huán)境質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：云計(jì)算；監(jiān)測系統(tǒng)；嵌入式系統(tǒng)

引言

基于云計(jì)算的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測的應(yīng)用研究現(xiàn)如今已經(jīng)涉及到了各個(gè)行業(yè)。在市面上銷售的環(huán)境測量儀價(jià)格十分昂貴，許多人望而卻步。從調(diào)查來看，目前的環(huán)境測量大概分為三個(gè)方面，首先，自己購買測量儀器，缺點(diǎn)是功能單一，價(jià)格不菲。其次是邀請專業(yè)人員來家里進(jìn)行測量，缺點(diǎn)是，活動(dòng)時(shí)間限制，價(jià)格仍然不會(huì)太低，第三就是買各種測量儀，其缺點(diǎn)就更不用說了，代價(jià)會(huì)比前兩者高出數(shù)倍。以上三種情況對于普通人來說，根本無法接受，基于以上情況，為了解決這個(gè)問題，我們設(shè)計(jì)了一款功能齊全的室內(nèi)環(huán)境檢測儀，通過對溫度、一氧化碳、甲醛、PM2.5等多參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣和實(shí)時(shí)監(jiān)測，可以掌握室內(nèi)有害氣體的濃度，一旦家里的甲醛、液化氣、一氧化碳、酒精和煙霧等濃度過高時(shí)，環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)能夠立即發(fā)出警示信息提醒用戶及時(shí)應(yīng)對處理，該系統(tǒng)不但實(shí)現(xiàn)了對特殊場所環(huán)境的監(jiān)測，彌補(bǔ)虧那些專業(yè)系統(tǒng)的不足，而且還可以遠(yuǎn)程了解家庭環(huán)境的信息，及時(shí)應(yīng)對突發(fā)信息，提前做好準(zhǔn)備，減少不必要的損失。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的小型系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，該系統(tǒng)采用arduino2560芯片，傳感器采集到信息后，單片機(jī)經(jīng)過A/D D/A轉(zhuǎn)換后，在LCD顯示器顯示的同時(shí)通過W5100模塊傳輸?shù)讲樵兤脚_，如果傳感器采集的值超過預(yù)定的閾值，則通過串口報(bào)警模塊發(fā)短信報(bào)警。

2 硬件設(shè)計(jì)

室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測儀實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對家居環(huán)境中的溫度、濕度、一氧化碳濃度、煙霧濃度、甲烷濃度等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、指示分析，將監(jiān)測的指標(biāo)信息顯示在液晶屏上，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫诉M(jìn)行存儲(chǔ)，用戶通過信息平臺可及時(shí)獲取室內(nèi)環(huán)境的指標(biāo)，掌握室內(nèi)環(huán)境的狀況。當(dāng)某些檢測參數(shù)超過域值時(shí)，例如甲醛濃度、一氧化碳濃度、甲烷濃度、煙霧濃度、有害氣體濃度超標(biāo)時(shí)，首先進(jìn)行本地聲光報(bào)警提示并發(fā)送遠(yuǎn)程報(bào)警信息到指定的手機(jī)上。將GPS/GPRS模塊應(yīng)用到系統(tǒng)上，實(shí)現(xiàn)基于GPS/GPRS的環(huán)境監(jiān)測，當(dāng)檢測室內(nèi)各種有害氣體超標(biāo)時(shí)，發(fā)短信到用戶手機(jī)，做到實(shí)時(shí)信息傳遞。本著以人為本的思想，經(jīng)過初步計(jì)算設(shè)計(jì)出了如下的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)圖，如圖2所示。核心控制采用意大利的arduino mega 2560，它有著開放的源代碼以及電路圖，操作簡單，提供免費(fèi)的下載接口，支持ISP在線燒等等很多優(yōu)點(diǎn)。

溫濕度傳感器模塊。DHT11溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，其濕度測量范圍為10%～90%，溫度測量范圍為0～50℃，誤差范圍5%，完全適合我們的要求，它內(nèi)部采用了但總線傳輸結(jié)構(gòu)，便于與各種MCU連接，并且信號傳輸距離遠(yuǎn)。

PM2.5粉塵傳感器采用粒子計(jì)數(shù)，可以靈敏的監(jiān)測出直徑在1微米以上的粒子，尺寸小，質(zhì)量輕而且易于安裝。W5100是多功能的網(wǎng)絡(luò)接口芯片，內(nèi)部集成了10/100Mbps以太網(wǎng)控制器，主要應(yīng)用于高集成、高性能、高穩(wěn)定和低成本的嵌入式系統(tǒng)中。W5100與IEEE802.3 10BASE-T和802.3u 100BASE-TX兼容。W5100內(nèi)部集成了全硬件的、且經(jīng)過多年市場驗(yàn)證的TCP/IP協(xié)議棧、以太網(wǎng)介質(zhì)傳輸層（MAC）和物理層（PHY）。W5100內(nèi)部還集成有16KB存儲(chǔ)器用于數(shù)據(jù)傳輸。使用W5100不需要考慮以太網(wǎng)的控制，只需要進(jìn)行簡單的端口編程。如下實(shí)例：

byte mac[] = {

0xDE， 0xAD， 0xBE， 0xEF， 0xFE， 0xED

}；//設(shè)置路由器mac地址

IPAddress ip（192，168，1，15）；//設(shè)置本主機(jī)ip地址

EthernetServer server（80）；//設(shè)置瀏覽器端口號

client.println（\"HTTP/1.1 200 OK\"）；//寫入HTTP協(xié)議

3 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)是利用跨平臺的java語言寫的web網(wǎng)頁前端，mysql語句操作后臺數(shù)據(jù)庫，當(dāng)軟件接收到w5100通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)包后，進(jìn)行解壓分組，用數(shù)據(jù)庫語句處理分組后的數(shù)據(jù)，判斷是否合理，如果合理則存入數(shù)據(jù)庫中，否則丟棄。我們還進(jìn)一步對數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理畫出對應(yīng)的折線圖，以便客戶更好地了解室內(nèi)環(huán)境各物質(zhì)濃度的變化情況，具體原理圖如圖3所示。硬件采集的數(shù)據(jù)也會(huì)有偶然誤差，效果不是百分之百的準(zhǔn)確，為了解決這個(gè)問題，就要利用到濾波算法，濾波算法有很多，經(jīng)過比較我才用了數(shù)字濾波算法和算術(shù)平均值濾波算法，有效地提高了數(shù)據(jù)的可靠性和真實(shí)性。具體算法原理如下：連續(xù)采集N個(gè)樣本，存入數(shù)組中，數(shù)組的長度固定，然后去除其中的最大值和最小值而取剩余的N-2個(gè)A/D轉(zhuǎn)換值的平均值，N一般取5～10。

大量實(shí)驗(yàn)證明，在沒有采用濾波算法前，系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)下會(huì)產(chǎn)生誤差，傳感器讀數(shù)波動(dòng)比較大；采用濾波算法后，傳感器讀數(shù)波動(dòng)明顯變小，特別是變化緩慢的環(huán)境下，讀數(shù)基本保持穩(wěn)定，自動(dòng)控制系統(tǒng)沒有誤動(dòng)作。

4 結(jié)束語

伴隨著人們生活水平的提高，室內(nèi)環(huán)境的質(zhì)量是人們比較在意的一個(gè)話題，環(huán)境的好與壞直接影響的是人們的生活質(zhì)量，本項(xiàng)目主要研究對家居環(huán)境中的甲醛濃度、苯及苯蒸氣濃度、天然氣濃度、一氧化碳濃度、煙霧濃度、溫度、濕度等有害污染物進(jìn)行的監(jiān)測、顯示并在污染物濃度超標(biāo)時(shí)，發(fā)出報(bào)警信息，提示用戶及時(shí)應(yīng)對處理，經(jīng)過檢測與使用，得出結(jié)論系統(tǒng)不僅適合家庭、學(xué)校還適合工廠等與環(huán)境監(jiān)測相關(guān)的領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測，采集的數(shù)據(jù)精度較高，克服了環(huán)境監(jiān)測的局域性和區(qū)域性，不但提高了效率，而且提高了環(huán)境監(jiān)測的信息化和自動(dòng)化水平。

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