職業院校物聯網教學模型開發

羅 賢

（廣州市公用事業技師學院，廣東 廣州510100）

07年開始的世界金融危機，給經濟帶來災難的同時，也給人們帶來了新的認知，以美國為首的西方發達國家正調整步伐，試圖將經濟重心從虛擬經濟轉向新型實體經濟，而這種策略的調整將直接影響到新興經濟體的生存環境，為此我國提出了發展戰略性新興產業，推動國內經濟轉型升級的國家策略，意圖與傳統發達經濟體一決高下，很顯然，世界正處于一個轉折點。

以物聯網為代表的新興產業目前正在快速有序地推進，為保持我們的競爭力，政府正持續在政策和資金方面加大對物聯網的投入，調動各類資源特別是智力資源參與物聯網的規劃和建設。

在這樣的大環境下，職業院校“以就業為導向，走產學研結合道路”的屬性決定了人才培養也將逐步和“物聯網”的發展接軌。目前，“物聯網”專業仍然處于初級階段，課程、教具等存在非常大的提升空間。在現有的條件下，開發一個結合“物聯網”概念，而且成本低廉、便于維護的教學模型，迫在眉睫。

1 項目選擇

教學模型以PM2.5指數的監測為切入點，構建一個具有云端儲存、監控功能的空氣質量監控系統。該項目的選擇，不僅考慮到理論學習的系統性，同時也兼顧學生的實際動手能力。

衡量空氣質量的指標一般有五項，分別是：總懸浮顆粒物、二氧化硫、氮氧化物、一氧化氮、臭氧。其中，總懸浮顆粒物是大家最為關心的一項內容。所謂總懸浮顆粒物，是指懸浮在空氣中，空氣動力學當量直徑≤100μm的顆粒物。同類的其它常見概念有PM10、PM2.5等，它們都是指粉塵微粒。在現代工業社會中，空氣中的顆粒污染物越來越多，除了工廠、汽車的排放，日常生活也會產生不少。

如果在日常生活中，想知道大范圍的空氣質量，可以關注氣象部門發布的PM2.5指數；而對身邊小范圍的空氣質量，特別是室內空氣質量的采集，雖然可以通過空氣質量監測儀器可以得到，但商用監測系統一般價格較高，且多為獨立系統，無法進行云端存儲與網絡在線監測，無法滿足設備的動態增加，更加不適合職業院校的教學教研。同時，部署和運維互聯網云應用不但需要專業的研發團隊、高昂的平臺運維費用，安全問題更是難以保障。

2 系統總體設計

考慮到該模型是以教學教研為主，宜采用較容易獲取、且較為成熟的開發平臺。因此，系統選用了開源硬件平臺Arduino。該平臺具有可定制性強，功能豐富，性價比高的特點，為構建空氣質量監測系統提供了良好的硬件平臺。另外，網絡上免費開放的公共物聯網平臺能接入各類傳感器并在云端進行數據存儲與分析，為部署互聯網云應用大大節約了開發時間與成本。

該系統以Arduino與互聯網云計算平臺結合實現空氣質量的監測，系統具有實現簡便、實用性強、擴展性高、運營成本低等優點。

系統能有效地對空氣溫度、濕度、灰塵密度等進行監測，監測的數據在系統的顯示屏上實時顯示并上傳到云端數據平臺，用戶可以使用計算機通過互聯網遠程觀測各項數據圖表或利用云端數據平臺的事件通知功能實現事件的實時通知。系統包含傳感器模塊、以AVR單片機為核心的Arduino控制模塊、顯示模塊、網絡通信模塊等。整個系統的架構如圖1所示。

3 系統功能與實現

3.1 傳感器模塊

圖1 系統架構

根據對空氣監測的基本要求部署溫度、濕度、灰塵等傳感器，傳感器數量可根據實際需要靈活部署，本系統選用1個溫濕度傳感器、1個灰塵傳感器進行監測。溫濕度傳感器采用DHT22，灰塵傳感器采用的是DSM501A，系統采用5V、1000mA的標準USB接口電源進行供電。

（1）DHT22數字溫濕度傳感器

該傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。它的工作原理是在絕緣的基片諸如玻璃、陶瓷、硅等材料上，用絲網漏印或真空鍍膜工藝做出電極，再用浸漬或者其它辦法將感濕膠涂覆在電極上做成電容元件。濕敏元件在不同相對溫濕度的大氣環境中，因感濕膜吸附水分子而使電容值呈現規律性變化。

它應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產品具有極高的可靠性與卓越的長期穩定性。傳感器包括一個電容式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接。因此該產品具有品質卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等優點。

濕度測量范圍：0～100%RH、濕度測量精度：±2%RH、溫度測量范圍：-40～80℃、溫度測量精度：±0.5℃、工作電壓：DC 5V（常用）、單總線數字信號輸出。

（2）灰塵傳感器DSM501A

灰塵傳感器是利用微粒和分子在光的照射下會產生光的散射現象，與此同時，還吸收部分照射光的能量；當一束平行單色光入射到被測顆粒場時，會受到顆粒周圍散射和吸收的影響，光強將被衰減。如此一來便可求得入射光通過待測濃度場的相對衰減率。而相對衰減率的大小基本上能線性反應待測場灰塵的相對濃度。光強的大小與經光電轉換的電信號強弱成正比，通過測得電信號就可以求得相對衰減率。如圖2所示。

圖2 灰塵傳感器工作原理

通過該傳感器，可以感知煙草產生的煙氣和花粉,房屋粉塵等,加熱自動進氣裝置，可調電阻設置檢測灰塵的大小。采用與粒子計算器相同原理為基礎,檢測出單位體積粒子的絕對個數。其主要特性：可以感知煙草產生的煙氣和花粉,房屋粉塵等1微米以上的微小粒子；體積小,重量輕,便于安裝；5V的輸入電路,便于信號處理；內藏氣流發生器,可以自行吸引外部大氣；輸出為PWM脈寬調制信號。

溫濕度傳感器及灰塵傳感器均為數字式輸出，可以非常方便地與Arduino控制板進行連接，只需將其接到數字引腳上即可。

3.2 控制系統

控制系統采用Arduino Duemilanove作為核心控制板，該控制板采用的是ATmega328P-PU控制器，其特點為：Digital I/O數字輸入/輸出端為0～13；Analog I/O模擬輸入/輸出端為0～5；支持USB接口協議及供電；支持ISP下載功能等。Arduino是一個基于AVR系列單片機和ARM控制器的開源軟硬件平臺，其具有豐富的外圍模塊，簡單易用的開發語言及開發環境以及大量的源碼庫。在近幾年的機器人、智能家居等領域得到迅速的發展及廣泛的應用。軟件開發采用類C++語言的高級語言；硬件圖紙、各類源碼庫及開發環境均是開源的，可以按照開發者的需要進行修改。

Arduino的程序包含有Setup函數和loop函數，setup函數在系統上電或復位后運行一次，完成一些系統初始化及一次性的工作，之后系統進入loop函數，loop函數是Arduino程序的主體，是一個無限循環的過程。Loop函數完成對溫度、濕度、灰塵密度等傳感器數據的收集、處理、打包發送，系統流程如圖3所示：

圖3 控制系統Loop函數流程

3.3 Yeelink云數據平臺

物聯網已成為當前世界新一輪經濟和科技發展的戰略制高點之一，發展物聯網對于促進經濟發展和社會進步具有重要的現實意義，云計算以其強大的處理能力、存儲能力和高性價比在物聯網領域有著廣泛的應用前景。各種開放的通用物聯網平臺應運而生，國內興起的Yeelink，目前定位于做一個開放的通用物聯網平臺，主要提供傳感器數據的接入，存儲和展現服務。Yeelink具有事件觸發機制，當數據達到某個設定閾值的時候，平臺會自動按照預先設定的規則，發送短信，微博，或者是郵件，還可以充分利用平臺的計算能力，定期的將統計分析數據發送到郵箱內。此外還具有雙向傳輸與控制功能，實現對家庭電器的遠程控制。

基于Yeelink云數據平臺構建空氣質量監測系統可以大大節約開發與運營成本，系統硬件采用積木式的架構，用戶遠程觀測界面采用該平臺實現。在Yeelink網站上注冊即可獲得API Key，登陸后在用戶中心中即可在云端增加不同類型的傳感器，管理動作等，網站會為每一個傳感器分配一個獨立的ID，作為傳感器上傳數據的身份標識。在Arduino的控制程序中按照網站開放的API及指定格式提交各傳感器數據，用戶即可在任何地點遠程查看云端的數據。

經過長時間的應用與測試，該系統運行穩定，溫度測量誤差小于0.5攝氏度；濕度測量誤差小于5%RH，灰塵數據測量具有定性參考價值。系統數據上傳與Yeelink數據顯示時間略有延時，但在幾秒鐘之內，不影響使用。溫度、濕度、灰塵數據等數據在云端顯示正常，如圖4所示。

圖4 云端顆粒觀測數據示例

4 結語

采用開源Arduino平臺及Yeelink云平臺來構建基于云端的空氣質量監測系統，在實際的應用中效果較理想，對室內空氣環境的監測具有實際的參考價值。由于系統采用了成熟的硬件與云端平臺，部署快捷、性價比高、后期擴展簡便。初期開發中僅加入了溫濕度監測及灰塵監測功能，一些高級的功能可以根據在教學中的需求可在此架構上比較容易地擴展實現。學生在收獲知識的同時，也能將學習成果以直觀的形式展現給家人，提升了成就感。

［1］Yeelink API文檔[EB/OL].版本1.0.http：//www.yeelink.net/developer/api

［2］王家兵.利用Arduino及Arduino終端的圖書館機房遠程監控系統研發[J].現代圖書情報技術,2012(10)：89-92.

［3］衡友躍.基于Arduino的遠程監控系統的研究與設計[J].新余學院學報,2012,6：78.