基于GPRS的高寒地區(qū)農(nóng)村室內(nèi)溫濕度監(jiān)測分析研究

陳國玉，陳 實(shí)

（青海民族大學(xué)土木與交通工程學(xué)院,青海西寧 810007）

1 研究背景及意義

我國疆域幅員遼闊，地勢(shì)西高東低，氣候差異極大，其中高海拔高寒地區(qū)的氣溫在一天內(nèi)變化極大。在這樣的條件下，高海拔高寒地區(qū)的人們對(duì)住房溫濕度變化比較敏感。然而，對(duì)于高海拔高寒農(nóng)牧地區(qū)，室內(nèi)取暖方式依舊離不開火爐。采用火爐取暖，在不同的時(shí)間內(nèi)，室內(nèi)外環(huán)境變化明顯，對(duì)于人們的生活造成一定的影響，使人們不能享受一個(gè)相對(duì)適宜的室內(nèi)溫度。因此，高海拔高寒地區(qū)急需一套室內(nèi)環(huán)境溫濕度檢測系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)的檢測分析，對(duì)室內(nèi)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而更好地調(diào)節(jié)室內(nèi)的溫度和濕度[1]，為改善廣大居民的居住條件提供一定的幫助。

然而，在偏遠(yuǎn)的鄉(xiāng)村、山區(qū)以及其他惡劣環(huán)境下，進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和傳輸是一件十分困難的事情，在這些地區(qū)開展數(shù)據(jù)的采集和傳輸工作不能滿足當(dāng)今時(shí)代對(duì)于工業(yè)現(xiàn)代化、自動(dòng)化的要求[2]。比如，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方法是采用利用電話線、電力載波等，也是目前較為常用的方法。但是，這些傳輸方式存在著諸多的問題，如覆蓋范圍小，線路維護(hù)量大，功耗較大，誤差大，電力載波上噪聲污染導(dǎo)致通信不可靠等。在高海拔高寒地區(qū)，由于地理?xiàng)l件復(fù)雜，氣候條件惡劣，現(xiàn)有的數(shù)據(jù)傳輸方法的應(yīng)用更受不良外界條件的干擾而出現(xiàn)各種問題，從而導(dǎo)致不能滿足數(shù)據(jù)采集和傳輸工作的要求。

在新時(shí)代，隨著無線通信數(shù)字網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，采用GSM全球移動(dòng)通信系統(tǒng)和GPRS無線通信網(wǎng)作為通信的方式可以很有效的彌補(bǔ)傳統(tǒng)傳輸方法的不足，為上述問題提供了一個(gè)全新的思路方法和解決方案。這種方式采用 GPRS通信模塊、利用短消息方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的采集，可用于多種遙測系統(tǒng)，完成遠(yuǎn)端環(huán)境、資源信息等數(shù)據(jù)的采集[3-4]，能夠很好的利用到高寒地區(qū)農(nóng)村室內(nèi)溫濕度監(jiān)測分析之中。

2 GPRS系統(tǒng)概述

2.1 GPRS系統(tǒng)的概念

GPRS即無線服務(wù)技術(shù)（General Packet Radio Service），它通過利用GSM網(wǎng)絡(luò)中未使用的TDMA信道，提供中速的數(shù)據(jù)傳遞。GPRS突破了GSM網(wǎng)只能提供電路交換的思維方式，只通過增加相應(yīng)的功能實(shí)體和對(duì)現(xiàn)有的基站系統(tǒng)進(jìn)行部分改造來實(shí)現(xiàn)分組交換，從而大大提高了數(shù)據(jù)傳輸速率。

2.2 GPRS系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

GPRS系統(tǒng)作為一種高速、高效、經(jīng)濟(jì)的無線系統(tǒng)技術(shù)，為數(shù)據(jù)傳輸提供了很大的幫助，具有許多的優(yōu)點(diǎn)，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1）傳輸速率高 由于GPRS系統(tǒng)不再需要現(xiàn)行無線應(yīng)用所需要的中介轉(zhuǎn)換器，所以連接及傳輸都會(huì)更方便容易。其傳輸速率是GSM的10倍，并且可以穩(wěn)定地傳送大容量的高質(zhì)量音頻與視頻文件。

2）實(shí)時(shí)在線 GPRS系統(tǒng)建立新的連接幾乎無需任何時(shí)間，因而可以保證用戶隨時(shí)都可與網(wǎng)絡(luò)保持聯(lián)系，不會(huì)出現(xiàn)短線的情況。

3）計(jì)價(jià)按數(shù)據(jù)流量計(jì)算 GPRS系統(tǒng)的計(jì)費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)是傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，而不是按上網(wǎng)時(shí)間計(jì)費(fèi)，也就是說，只有進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)系統(tǒng)才會(huì)計(jì)費(fèi)。這樣，就大大降低了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用成本。

除上述優(yōu)點(diǎn)之外，GPRS還具有網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣、數(shù)據(jù)帶寬寬、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于間斷的、突發(fā)性的或頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸，也適用于偶爾的大量數(shù)據(jù)傳輸，完全滿足數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控的雙向數(shù)據(jù)信息傳輸。隨著GPRS技術(shù)在移動(dòng)通信領(lǐng)域的發(fā)展，已經(jīng)能夠?qū)嶋H應(yīng)用到許多需要無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)念I(lǐng)域，也為數(shù)據(jù)的采集、傳輸及監(jiān)控提供了一種全新的數(shù)據(jù)傳輸通訊方式[5]。

3 系統(tǒng)的整體方案設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)功能

為了讓青海高寒農(nóng)村室內(nèi)居住環(huán)境得到舒適度進(jìn)一步的提高，需要設(shè)計(jì)一個(gè)針對(duì)青海典型住房特點(diǎn)的室內(nèi)居住環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，來達(dá)到室內(nèi)溫度和濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)測及反饋。應(yīng)用GPRS系統(tǒng)，可以通過數(shù)據(jù)的檢測和分析來達(dá)到室內(nèi)環(huán)境的模擬和優(yōu)化，為青海高海拔農(nóng)牧地區(qū)的室內(nèi)環(huán)境舒適度更好的提高做出一套適合的溫濕度檢測與反饋系統(tǒng)。

一方面，通過GPRS無線通信技術(shù)，在室內(nèi)各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，達(dá)到數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)反饋與更新。最終，通過空氣加濕器的調(diào)控，進(jìn)行室內(nèi)濕度的調(diào)節(jié)，通過火爐的調(diào)控，進(jìn)行室內(nèi)溫度的調(diào)節(jié)，從而使室內(nèi)的溫度和濕度達(dá)到最適宜于居民居住的條件，使室內(nèi)達(dá)到最優(yōu)的狀態(tài)[6]。設(shè)計(jì)此系統(tǒng)，將通過一系列的技術(shù)手段，針對(duì)性的實(shí)現(xiàn)對(duì)青海高海拔高寒牧民室內(nèi)居住環(huán)境進(jìn)行溫濕度檢測，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫濕度狀態(tài)實(shí)時(shí)反饋，同時(shí)通過對(duì)數(shù)據(jù)的采集分析，推算出最佳的供暖方案。

另一方面，將溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，依次布置在臥室、客廳沙發(fā)、火爐、玻璃門等居民長待的地方與溫度敏感的地方。通過數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)聯(lián)網(wǎng)，當(dāng)在玻璃門的監(jiān)測點(diǎn)溫濕度發(fā)生較大變化時(shí)，便可以提前調(diào)節(jié)火爐的供熱情況，使室內(nèi)溫度繼續(xù)保持穩(wěn)定的溫度舒適區(qū)間。當(dāng)其他溫濕度監(jiān)測點(diǎn)突然出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，溫濕度偏離舒適的溫濕度區(qū)間時(shí)，通過數(shù)據(jù)的監(jiān)控，進(jìn)行報(bào)警，以提醒人們做好及時(shí)的處理措施。此外，還可以根據(jù)不同的地區(qū)，以及不同家庭的不同需求情況，設(shè)置不同的溫濕度上下極限值。運(yùn)用溫濕度傳感器，可以完成室內(nèi)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測。如果溫濕度超過之前設(shè)定好的上限值時(shí)，可以及時(shí)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境的調(diào)控，即調(diào)控室內(nèi)的溫度和濕度，使室內(nèi)環(huán)境達(dá)到一個(gè)最佳的狀態(tài)。

3.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)無線數(shù)據(jù)采集終端由傳感器、單片機(jī)、GPRS通信模塊等組成，完成環(huán)境數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸。中心數(shù)據(jù)處理模塊由 GPRS通信模塊和后臺(tái)數(shù)據(jù)庫組成，對(duì)遠(yuǎn)端發(fā)送上來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，同時(shí)，也要根據(jù)需要對(duì)遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)出命令，由遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)采集模塊完成相應(yīng)的動(dòng)作。因此，根據(jù)上述功能要求，制定了如圖1所示的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案[7]。

圖1 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)框圖

3.2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

前端的數(shù)據(jù)采集模塊，由溫濕度傳感器和電源構(gòu)成。為了保證數(shù)據(jù)采集的高效性、準(zhǔn)確性，系統(tǒng)選用型號(hào)為RS-WS-GPRS-6的數(shù)字式溫濕度傳感器，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫度和濕度數(shù)據(jù)的采集。基于GPRS傳輸?shù)臏貪穸茸兯推?，可以通過網(wǎng)絡(luò)基站將采集的溫濕度數(shù)據(jù)上傳到環(huán)境監(jiān)控云平臺(tái)。采用這樣的溫濕度測量單元，具有測量精度高，抗干擾能力強(qiáng)，覆蓋范圍廣，傳輸距離遠(yuǎn)的優(yōu)點(diǎn)。其被廣泛用于藥品運(yùn)輸車輛、工業(yè)控制、樓宇控制、電力、計(jì)量測試、倉庫、冷庫等行業(yè)。

3.2.2 數(shù)據(jù)傳輸模塊

中端的數(shù)據(jù)傳輸模塊主要由GPRS無線通信系統(tǒng)組成，GPRS無線通信系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)中的關(guān)鍵傳輸節(jié)點(diǎn)，其將前端的數(shù)據(jù)采集模塊采集的信息進(jìn)行加工、處理及傳輸，再將數(shù)據(jù)傳送到后臺(tái)數(shù)據(jù)庫中。

3.2.3 后臺(tái)數(shù)據(jù)庫

后臺(tái)數(shù)據(jù)庫接收來自數(shù)據(jù)傳輸模塊所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析之后，將信息反饋到數(shù)據(jù)傳輸模塊中。例如，后臺(tái)數(shù)據(jù)庫通過將傳輸過來的濕度和溫度數(shù)據(jù)與設(shè)定的溫濕度上下限值進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)室內(nèi)溫度和濕度過高或者過低時(shí)，后臺(tái)數(shù)據(jù)庫會(huì)將信息傳到數(shù)據(jù)傳輸模塊，以便提醒人們及時(shí)采取措施，進(jìn)行溫度和濕度的調(diào)節(jié)。

3.3 溫濕度調(diào)控基本措施

根據(jù)圖2、圖3的房屋模型，在玻璃房門、火爐邊、客廳沙發(fā)邊、兩個(gè)臥室分別放置數(shù)據(jù)監(jiān)控點(diǎn)。將一些對(duì)人經(jīng)常待的地方進(jìn)行重點(diǎn)的數(shù)據(jù)監(jiān)控，實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)并反饋。根據(jù)住宅特點(diǎn)針對(duì)性提出溫濕度調(diào)控的基本措施：

圖2 農(nóng)村簡易住房示意圖

圖3 室內(nèi)溫濕度監(jiān)測點(diǎn)分布

1）添加百葉窗對(duì)采光進(jìn)行調(diào)控 在同一天不同的時(shí)間里，室外情況也是有著巨大變化的，通過添加百葉窗可以有效的調(diào)控室內(nèi)采暖情況。一方面，在15：00左右溫度基本達(dá)到峰值時(shí)，減小室內(nèi)的采光可以有效的控制室內(nèi)溫度的上升；另一方面，夜間將百葉窗關(guān)閉，室內(nèi)溫度一定程度上會(huì)在現(xiàn)有實(shí)際測量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上有所回升，從而可以適當(dāng)提高起床前后的溫度。

2）傳統(tǒng)民居的生土墻體具有良好的隔熱性能，因此可以對(duì)這一傳統(tǒng)材料進(jìn)行改良作為圍護(hù)構(gòu)件，采用適宜的支撐結(jié)構(gòu)，將生土墻體應(yīng)用于民居建造中，以達(dá)到降低能耗與提升室內(nèi)舒適度的目的。

3）由于寒冷地區(qū)農(nóng)村冬季寒冷，一直以來民居綠色節(jié)能設(shè)計(jì)主要以冬季保暖為主，但夏季防熱隔熱的措施不足，在民居的建造中需優(yōu)化門窗設(shè)計(jì)，改善自然通風(fēng)的組織與利用，夏季良好的通風(fēng)條件可以有效的降低室內(nèi)溫度和減低能耗。組織穿堂風(fēng)，調(diào)整門窗開啟位置與大小增加風(fēng)通量進(jìn)行通風(fēng)降溫。還可以在山墻兩側(cè)屋頂附近開設(shè)可開閉洞口或者在屋頂空氣間層增加排風(fēng)帽，利用風(fēng)壓將室內(nèi)熱量帶走。同時(shí)，應(yīng)重視夏季門窗遮陽問題，通過遮陽構(gòu)件、建筑自遮陽、綠化遮陽等措施進(jìn)行有效的遮陽。

4 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

表1 五個(gè)監(jiān)測點(diǎn)不同時(shí)間點(diǎn)的溫濕度監(jiān)測結(jié)果（溫度/濕度）

從表1可以看出，每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)在一天內(nèi)不同的時(shí)間點(diǎn)溫濕度都有一定的差異，早上7點(diǎn)，火爐、客廳與玻璃房都尚未使用，因此溫濕度相較于用于休息的主次臥室來說更低，同樣的，在夜晚24點(diǎn)，前三者的溫濕度同樣低于主次臥室，但均高于早上7點(diǎn)的數(shù)據(jù)，因?yàn)槿粘鰰r(shí)間是一天中溫度最低的時(shí)段。在光照達(dá)到頂峰的15點(diǎn)，火爐因?yàn)樘幱谑褂玫臓顟B(tài)、玻璃房因?yàn)榻邮崭嗟墓庹?，相較于其他監(jiān)測點(diǎn)溫度更高、濕度更低，但在日落之后的20點(diǎn)，各監(jiān)測點(diǎn)的溫度下降7-10℃不等，濕度相對(duì)有所回升。由此來看，客廳與主次臥室的使用時(shí)間、玻璃房相對(duì)其他房間的光照，都是影響溫濕度的重要因素。在高寒地區(qū)晝夜溫差極大的情況下，可以通過在房間內(nèi)設(shè)置百葉窗、優(yōu)化門窗設(shè)計(jì)、改變墻體材質(zhì)等方式調(diào)節(jié)室內(nèi)的溫濕度，使得人們能夠在更加適宜的溫濕度環(huán)境下進(jìn)行生產(chǎn)生活。

5 結(jié)論

綜上所述，本文主要研究GPRS的優(yōu)勢(shì)及相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并利用其對(duì)高寒地區(qū)農(nóng)村室內(nèi)的溫度進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測，根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果提出響應(yīng)的調(diào)節(jié)溫度措施。GPRS系統(tǒng)能夠保證實(shí)時(shí)在線，而且傳輸速率高，因此具有很高的使用價(jià)值，通過數(shù)據(jù)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，高寒地區(qū)的室內(nèi)溫濕度晝夜差距大，且不同室內(nèi)區(qū)域因?yàn)闃?gòu)造不同、使用時(shí)間不同，溫濕度也有差異，基于GPRS監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以通過改善室內(nèi)門窗設(shè)計(jì)、改變墻體結(jié)構(gòu)、增加百葉窗的使用等方式對(duì)室內(nèi)溫濕度進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，從而保證居民能夠更好地生活，改善高寒地區(qū)農(nóng)村居民的生存環(huán)境，提高生活質(zhì)量。