馬 龍,鄧素碧,何 銘
(1.中興通訊股份有限公司南京研發(fā)中心,江蘇 南京 210012;2.西門(mén)子電力自動(dòng)化有限公司,江蘇 南京 210012;3. 河北省工業(yè)和信息化發(fā)展研究院,河北 石家莊 050000)
近年來(lái)我國(guó)空氣污染形勢(shì)嚴(yán)峻,霧霾天氣頻發(fā),空氣質(zhì)量已成為人們進(jìn)行戶外運(yùn)動(dòng)不得不考慮的重要因素。人們需要了解實(shí)時(shí)空氣質(zhì)量并且根據(jù)空氣質(zhì)量及時(shí)調(diào)整生活方式。戶外運(yùn)動(dòng)時(shí),隨著活動(dòng)量增加,人的呼吸加深、加速,自然會(huì)更多地吸入霧中的有害物質(zhì),這些可吸入性顆粒物進(jìn)入人體后會(huì)刺激呼吸道黏膜,進(jìn)而損傷肺部,導(dǎo)致人體呼吸系統(tǒng)疾病。所以當(dāng)空氣質(zhì)量差時(shí),應(yīng)盡量減少外出,尤其不要進(jìn)行戶外運(yùn)動(dòng)。
目前人們對(duì)于空氣質(zhì)量的獲知,一般采取的是主動(dòng)查詢的方式,也就是到相關(guān)網(wǎng)站查詢空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)。對(duì)于喜歡晨練的朋友,往往會(huì)遇到這樣的尷尬。他們?cè)O(shè)置鬧鐘來(lái)鬧醒,在清晨沉睡中被鬧醒后,上網(wǎng)查一下空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI),發(fā)現(xiàn)空氣質(zhì)量指數(shù)很大,霧霾嚴(yán)重,只能放棄晨練繼續(xù)睡覺(jué),但此時(shí)往往就很難入睡。尤其是在寒冷的冬天,這種情況會(huì)苦不堪言。除此之外,通過(guò)網(wǎng)站查詢到的空氣質(zhì)量指數(shù)AQI,通過(guò)統(tǒng)計(jì)的方式測(cè)量并計(jì)算得到的,并不是實(shí)時(shí)信息。另一方面,空氣質(zhì)量指數(shù)AQI只代表監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近的數(shù)據(jù),并不能反映戶外運(yùn)動(dòng)地點(diǎn)的空氣質(zhì)量情況。
基于此,本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)時(shí)空氣質(zhì)量智能鬧鐘系統(tǒng)(下文簡(jiǎn)稱為智能鬧鐘系統(tǒng)),由空氣質(zhì)量傳感器、單片機(jī)、網(wǎng)絡(luò)模塊、物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、電源模塊和智能終端模塊組成。通過(guò)設(shè)置在戶外運(yùn)動(dòng)場(chǎng)所的空氣質(zhì)量傳感器測(cè)量實(shí)時(shí)空氣質(zhì)量,在單片機(jī)上對(duì)實(shí)時(shí)空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,生成空氣質(zhì)量指數(shù)AQI;通過(guò)網(wǎng)絡(luò)模塊把實(shí)時(shí)空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)平臺(tái),運(yùn)行在智能終端上的智能鬧鐘APP從物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)獲取實(shí)時(shí)空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI),對(duì)空氣質(zhì)量進(jìn)行判斷,根據(jù)設(shè)置的鬧醒方式進(jìn)行智能提醒。
智能鬧鐘系統(tǒng)由空氣質(zhì)量傳感器、單片機(jī)、網(wǎng)絡(luò)模塊、智能終端、電源模塊和物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)組成,如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)的硬件組成
目前主流的空氣質(zhì)量傳感器分為兩種:紅外顆粒物傳感器和激光顆粒物傳感器。紅外傳感器采用紅外發(fā)光二極管作為光源;而激光式傳感器則采用更為穩(wěn)定的激光二極管。在傳感器工作過(guò)程中,必要條件之一是流動(dòng)的空氣通過(guò)光源和接收器之間的交叉區(qū)域。為了驅(qū)動(dòng)氣流,紅外傳感器采用電阻加熱的方式,利用熱空氣帶動(dòng)周?chē)鷼怏w流動(dòng);激光式傳感器則在內(nèi)部設(shè)有固定的風(fēng)機(jī)。信號(hào)輸出方面,紅外傳感器內(nèi)部的光電晶體管只能輸出脈寬調(diào)制信號(hào)(PWM信號(hào)),這種信號(hào)需要經(jīng)過(guò)進(jìn)一步計(jì)算得出顆粒物濃度范圍;激光傳感器內(nèi)部光電探測(cè)器的光電效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生電流信號(hào),經(jīng)電路放大處理后,得到顆粒物的濃度值,信號(hào)一般為串口輸出。紅外傳感器采用電阻加熱方式驅(qū)動(dòng)氣流,顆粒物的采樣數(shù)較少,測(cè)試精度略顯不足;而激光傳感器采用風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng),數(shù)據(jù)采集量足夠大,在一定程度上能夠保證數(shù)據(jù)的精確性。
空氣質(zhì)量傳感器設(shè)置在用戶關(guān)注空氣質(zhì)量的場(chǎng)所,如戶外運(yùn)動(dòng)場(chǎng)所。如果關(guān)注空氣質(zhì)量的場(chǎng)所有多個(gè),就可以設(shè)置多個(gè)空氣質(zhì)量傳感器。
紅外顆粒物傳感器和激光顆粒物傳感器保證了采集的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性,把空氣質(zhì)量傳感器設(shè)置在指定場(chǎng)所,保證了采集的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的位置準(zhǔn)確性。從而比網(wǎng)站上查詢的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)具有顯而易見(jiàn)的優(yōu)越性。
單片機(jī)位于空氣質(zhì)量傳感器和網(wǎng)絡(luò)模塊之間,空氣質(zhì)量傳感器采集的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)入單片機(jī),單片機(jī)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,包括數(shù)據(jù)接收、邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)發(fā)送等??諝赓|(zhì)量數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后,傳送到網(wǎng)絡(luò)模塊。為了方便調(diào)試和數(shù)據(jù)處理,單片機(jī)一般使用開(kāi)發(fā)板。
單片機(jī)和物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)之間、智能終端和物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)之間存在數(shù)據(jù)傳輸,使用網(wǎng)絡(luò)模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能。網(wǎng)絡(luò)模塊使用網(wǎng)絡(luò)技術(shù),常見(jiàn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)包括有線網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò),無(wú)線網(wǎng)絡(luò)包括ZigBee、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)(4G、5G)、WiFi、物聯(lián)網(wǎng)等。
物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)是一個(gè)中間層,一方面位于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備層和物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)(以及數(shù)據(jù))層之間,另一方面位于應(yīng)用程序之間。物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)提供對(duì)外讀/寫(xiě)接口,以接收網(wǎng)絡(luò)模塊傳輸?shù)目諝赓|(zhì)量指數(shù)并進(jìn)行存儲(chǔ)和供智能終端獲取數(shù)據(jù)。
智能終端模塊包括智能終端和鬧鐘APP。智能終端需要具有網(wǎng)絡(luò)功能,連接互聯(lián)網(wǎng)后可以從物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)獲取數(shù)據(jù),鬧鐘APP運(yùn)行于智能終端,提供設(shè)置功能,可以對(duì)于空氣質(zhì)量指數(shù)的鬧鐘門(mén)限、鬧鐘時(shí)間和鬧鐘方式進(jìn)行設(shè)置,鬧鐘APP根據(jù)設(shè)置對(duì)用戶進(jìn)行智能鬧醒,常見(jiàn)的智能終端有智能手機(jī)、平板電腦、智能手表、智能手環(huán)、智能鬧鐘等。鬧鐘APP支持設(shè)置多個(gè)鬧鐘。根據(jù)設(shè)置的鬧鐘門(mén)限使用設(shè)置的鬧鐘方式進(jìn)行鬧醒,體現(xiàn)了鬧鐘的智能性。
電源模塊對(duì)空氣質(zhì)量采集模塊、單片機(jī)、網(wǎng)絡(luò)模塊和智能終端模塊進(jìn)行供電,保證各模塊正常工作。
電源模塊使用9 V直流電源給單片機(jī)供電,由單片機(jī)的輸出電壓引腳給空氣質(zhì)量傳感器、網(wǎng)絡(luò)模塊供電,智能終端一般則由自帶電池供電。
智能鬧鐘系統(tǒng)的軟件包括單片機(jī)軟件、網(wǎng)絡(luò)模塊軟件和智能終端上的鬧鐘APP軟件。
單片機(jī)軟件功能包括:
(1)獲取空氣質(zhì)量傳感器采集的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù);
(2)處理空氣質(zhì)量數(shù)據(jù),得到空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI);
(3)把空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)送到網(wǎng)絡(luò)模塊;
(4)其他必要的管理功能,如單片機(jī)管腳設(shè)置等。
網(wǎng)絡(luò)模塊軟件功能包括:
(1)對(duì)網(wǎng)絡(luò)模塊進(jìn)行設(shè)置,利用網(wǎng)絡(luò)資源,可以連接到互聯(lián)網(wǎng);
(2)空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)模塊發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。
鬧鐘APP軟件至少具有以下功能:
(1)設(shè)置鬧鐘時(shí)間;
(2)設(shè)置鬧鐘方式,比如音樂(lè)或者鈴聲等;
(3)設(shè)置空氣質(zhì)量指數(shù)的鬧鐘門(mén)限;
(4)通過(guò)智能終端連接到互聯(lián)網(wǎng),從物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)獲取指定地點(diǎn)的空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)數(shù)據(jù);
(5)當(dāng)?shù)竭_(dá)鬧鐘設(shè)置時(shí)間時(shí),并且空氣質(zhì)量指數(shù)AQI小于空氣質(zhì)量指數(shù)的鬧鐘門(mén)限,便以設(shè)定的鬧鐘方式進(jìn)行鬧醒,否則不進(jìn)行鬧醒。
智能鬧鐘系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集天氣信息,并根據(jù)空氣質(zhì)量情況進(jìn)行智能鬧醒,在適合戶外運(yùn)動(dòng)的天氣,進(jìn)行鬧醒;在不適合戶外運(yùn)動(dòng)的天氣,則不會(huì)進(jìn)行鬧醒。
設(shè)置在戶外運(yùn)動(dòng)場(chǎng)所的空氣質(zhì)量傳感器實(shí)時(shí)采集空氣質(zhì)量數(shù)據(jù),在單片機(jī)上對(duì)實(shí)時(shí)空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI),通過(guò)網(wǎng)絡(luò)模塊把實(shí)時(shí)空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)平臺(tái),運(yùn)行在智能終端上的智能鬧鐘APP從物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)獲取實(shí)時(shí)空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI),對(duì)空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)進(jìn)行判斷,根據(jù)設(shè)置進(jìn)行智能鬧醒。
前置過(guò)程就是使智能鬧鐘系統(tǒng)正常工作的準(zhǔn)備工作,主要包括以下幾個(gè)方面:
(1)對(duì)網(wǎng)絡(luò)模塊進(jìn)行設(shè)置,能夠接收單片機(jī)的數(shù)據(jù);
(2)配置物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái),能夠存儲(chǔ)數(shù)據(jù),并能夠?qū)ν馓峁?shù)據(jù)寫(xiě)入和查詢接口;
(3)編寫(xiě)鬧鐘APP程序,并在智能手機(jī)運(yùn)行,鬧鐘APP支持設(shè)置空氣質(zhì)量的鬧鐘門(mén)限、鬧鐘時(shí)間和鬧鐘方式等;
(4)使用直流電源給單片機(jī)、空氣質(zhì)量傳感器、網(wǎng)絡(luò)模塊供電,保證各模塊正常工作。
數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ),即智能鬧鐘系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集空氣質(zhì)量數(shù)據(jù),并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和存儲(chǔ),供鬧鐘APP使用。
空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的采集:利用空氣質(zhì)量傳感器實(shí)時(shí)采集空氣質(zhì)量信息數(shù)據(jù),并輸出到單片機(jī)。
空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的處理:?jiǎn)纹瑱C(jī)對(duì)接收的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù),進(jìn)行邏輯運(yùn)算和處理,得到空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)。
空氣質(zhì)量指數(shù)的傳送:空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)模塊,發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。
空氣質(zhì)量指數(shù)的存儲(chǔ):物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)收到空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)后存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)。
在智能終端上運(yùn)行鬧鐘APP,其工作過(guò)程描述如下:
(1)設(shè)置空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)的采集地點(diǎn)、鬧鐘門(mén)限值、鬧鐘時(shí)間和鬧鐘方式;
(2)取當(dāng)前時(shí)間;
(3)當(dāng)前時(shí)間和設(shè)置的鬧鐘時(shí)間進(jìn)行比較,如果鬧鐘時(shí)間和當(dāng)前時(shí)間相等則執(zhí)行步驟(4),否則執(zhí)行步驟(2);
(4)從物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)獲取當(dāng)前空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI);
(5)當(dāng)前空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)和設(shè)置的鬧鐘門(mén)限值進(jìn)行比較,如果小于鬧鐘門(mén)限值,執(zhí)行步驟,否則執(zhí)行步驟(7);
(6)使用設(shè)置的鬧鐘方式進(jìn)行鬧醒;
(7)結(jié)束。
鬧鐘APP具體的工作流程如圖2所示。
圖2 鬧鐘APP工作流程
為了方便快捷地實(shí)現(xiàn)智能鬧鐘系統(tǒng),本文采用了Arduino開(kāi)源電子原型平臺(tái)。
Arduino包含硬件(各種型號(hào)的Arduino板)和軟件(Arduino IDE)。硬件部分是可以用來(lái)做電路連接的Arduino電路板;軟件部分則是Arduino IDE,即計(jì)算機(jī)中的程序開(kāi)發(fā)環(huán)境。在IDE中編寫(xiě)程序代碼,將程序上傳到Arduino電路板后,Arduino電路板便會(huì)執(zhí)行程序。
為了保證空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)的實(shí)時(shí)性,本文中空氣質(zhì)量傳感器選用激光空氣質(zhì)量傳感器,利用激光散射原理,即激光照射在空氣中的懸浮顆粒物上產(chǎn)生散射,同時(shí)在某一特定角度收集散射光,得到散射光強(qiáng)隨時(shí)間變化的曲線。激光空氣質(zhì)量傳感器能檢測(cè)PM2.5和PM10,通過(guò)串口通信輸出數(shù)據(jù)。
單片機(jī)使用Arduino mega 2560 R3開(kāi)發(fā)板,該單片機(jī)以ATmega2560為核心的微控制器開(kāi)發(fā)板,其本身具有54組數(shù)字I/O input/output端(其中14組可做PWM輸出),16組模擬比輸入端,4組Uart(hardware serial ports),使用16 MHz Crystal Oscillator。由于具有Bootloader,能夠通過(guò)USB直接下載程序而不需經(jīng)過(guò)其他外部燒寫(xiě)器。供電部份可選擇由USB直接提供電源,或者使用ac-to-dc adapter及電池作為外部供電。
網(wǎng)絡(luò)模塊使用ESP8266 WiFi芯片,該芯片使用3.3 V的直流電源,體積小,功耗低,支持透?jìng)?,丟包現(xiàn)象不嚴(yán)重,而且價(jià)格超低。功能簡(jiǎn)單來(lái)講就是:從WiFi接收到數(shù)據(jù),串口輸出;從串口接收數(shù)據(jù),WiFi輸出數(shù)據(jù)。
智能終端使用安卓智能手機(jī),鬧鐘APP自行開(kāi)發(fā),具有設(shè)置鬧鐘時(shí)間、選擇空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的采集地點(diǎn)、空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)的鬧鐘門(mén)限和鬧鐘方式等功能。
物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)使用免費(fèi)的貝殼物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái),該平臺(tái)用戶通信協(xié)議分為兩部分:
(1)非實(shí)時(shí)通信,以傳統(tǒng)HTTP(S)API方式實(shí)現(xiàn);
(2)實(shí)時(shí)通信,以TCP、WebSocket長(zhǎng)連接方式實(shí)現(xiàn)。
另外,電源模塊使用9 V直流電源給單片機(jī)供電,由單片機(jī)的輸出電壓引腳給空氣質(zhì)量傳感器、網(wǎng)絡(luò)模塊供電,智能手機(jī)則由自帶電池供電。
按照前文的系統(tǒng)構(gòu)成對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行搭建,把激光空氣質(zhì)量傳感器、單片機(jī)Arduino mega 2560 R3、ESP8266 WiFi芯片依次連接并設(shè)置在指定地點(diǎn),在單片機(jī)Arduino mega 2560 R3進(jìn)行編程,對(duì)來(lái)自激光空氣質(zhì)量傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI);對(duì)ESP8266 WiFi無(wú)線芯片進(jìn)行設(shè)置,利用本地WiFi資源,可以連接到互聯(lián)網(wǎng),空氣質(zhì)量指數(shù)AQI通過(guò)ESP8266 WiFi芯片發(fā)送到貝殼物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)并進(jìn)行存儲(chǔ)。
運(yùn)行安卓智能手機(jī)的鬧鐘APP,并進(jìn)行設(shè)置:鬧鐘時(shí)間在上午6:00時(shí),獲取指定地點(diǎn)的空氣質(zhì)量指數(shù)AQI,空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)的鬧鐘門(mén)限為100,鬧鐘方式為播放音樂(lè)。
當(dāng)上午6:00時(shí)整,鬧鐘APP從貝殼物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上獲取指定地點(diǎn)的空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI),并和鬧鐘門(mén)限100進(jìn)行比較。當(dāng)空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)小于100時(shí),播放音樂(lè)進(jìn)行鬧醒;當(dāng)空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)大于等于100時(shí),鬧鐘APP則不播放音樂(lè)進(jìn)行鬧醒。
一般情況下,空氣質(zhì)量指數(shù)AQI和鬧鐘是沒(méi)有聯(lián)系的,但有的情況下,需要把二者關(guān)聯(lián)起來(lái),比如晨練者希望在空氣質(zhì)量差的時(shí)候不要鬧醒,在空氣質(zhì)量好的時(shí)候鬧醒進(jìn)行晨練。傳統(tǒng)的先鬧醒再查詢空氣質(zhì)量指數(shù)AQI的方式,不利于晨練人員的休息,并且查詢到的空氣質(zhì)量指數(shù)并非實(shí)時(shí)指數(shù),也不一定是戶外活動(dòng)地點(diǎn)的信息,很可能給晨練人員錯(cuò)誤的指示。智能鬧鐘系統(tǒng)通過(guò)激光空氣質(zhì)量傳感器實(shí)時(shí)采集空氣質(zhì)量數(shù)據(jù),單片機(jī)對(duì)其運(yùn)算處理得到空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI),經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)模塊把空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行存儲(chǔ),供智能終端模塊進(jìn)行查詢使用。智能終端模塊把空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)和鬧鐘結(jié)合起來(lái),把空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)作為觸發(fā)鬧鐘的條件,避免了在空氣質(zhì)量指數(shù)超過(guò)鬧醒門(mén)限時(shí)的鬧醒,并且獲取的空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)是戶外活動(dòng)地點(diǎn)的實(shí)時(shí)信息,保證了信息的準(zhǔn)確和及時(shí)性,并且在空氣不好的情況下,保證了晨練人員的休息。
進(jìn)一步地,基于智能鬧鐘系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想,可以使用雨量傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、氣壓傳感器和紫外線傳感器對(duì)下雨、溫度、濕度、氣壓和紫外線等的天氣情況進(jìn)行實(shí)時(shí)采集,設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)的針對(duì)上述實(shí)時(shí)天氣信息的提醒系統(tǒng),應(yīng)用于不同的場(chǎng)景,對(duì)于人們健康的戶外活動(dòng)和生活具有準(zhǔn)確科學(xué)的指導(dǎo)意義。