職業(yè)院校物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)模型開發(fā)

羅 賢

（廣州市公用事業(yè)技師學(xué)院，廣東 廣州510100）

07年開始的世界金融危機(jī)，給經(jīng)濟(jì)帶來災(zāi)難的同時(shí)，也給人們帶來了新的認(rèn)知，以美國(guó)為首的西方發(fā)達(dá)國(guó)家正調(diào)整步伐，試圖將經(jīng)濟(jì)重心從虛擬經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)向新型實(shí)體經(jīng)濟(jì)，而這種策略的調(diào)整將直接影響到新興經(jīng)濟(jì)體的生存環(huán)境，為此我國(guó)提出了發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，推動(dòng)國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級(jí)的國(guó)家策略，意圖與傳統(tǒng)發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體一決高下，很顯然，世界正處于一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

以物聯(lián)網(wǎng)為代表的新興產(chǎn)業(yè)目前正在快速有序地推進(jìn)，為保持我們的競(jìng)爭(zhēng)力，政府正持續(xù)在政策和資金方面加大對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的投入，調(diào)動(dòng)各類資源特別是智力資源參與物聯(lián)網(wǎng)的規(guī)劃和建設(shè)。

在這樣的大環(huán)境下，職業(yè)院校“以就業(yè)為導(dǎo)向，走產(chǎn)學(xué)研結(jié)合道路”的屬性決定了人才培養(yǎng)也將逐步和“物聯(lián)網(wǎng)”的發(fā)展接軌。目前，“物聯(lián)網(wǎng)”專業(yè)仍然處于初級(jí)階段，課程、教具等存在非常大的提升空間。在現(xiàn)有的條件下，開發(fā)一個(gè)結(jié)合“物聯(lián)網(wǎng)”概念，而且成本低廉、便于維護(hù)的教學(xué)模型，迫在眉睫。

1 項(xiàng)目選擇

教學(xué)模型以PM2.5指數(shù)的監(jiān)測(cè)為切入點(diǎn)，構(gòu)建一個(gè)具有云端儲(chǔ)存、監(jiān)控功能的空氣質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)。該項(xiàng)目的選擇，不僅考慮到理論學(xué)習(xí)的系統(tǒng)性，同時(shí)也兼顧學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力。

衡量空氣質(zhì)量的指標(biāo)一般有五項(xiàng)，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(guān)心的一項(xiàng)內(nèi)容。所謂總懸浮顆粒物，是指懸浮在空氣中，空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)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(xiàn)代工業(yè)社會(huì)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(huì)產(chǎn)生不少。

如果在日常生活中，想知道大范圍的空氣質(zhì)量，可以關(guān)注氣象部門發(fā)布的PM2.5指數(shù)；而對(duì)身邊小范圍的空氣質(zhì)量，特別是室內(nèi)空氣質(zhì)量的采集，雖然可以通過空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀器可以得到，但商用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一般價(jià)格較高，且多為獨(dú)立系統(tǒng)，無法進(jìn)行云端存儲(chǔ)與網(wǎng)絡(luò)在線監(jiān)測(cè)，無法滿足設(shè)備的動(dòng)態(tài)增加，更加不適合職業(yè)院校的教學(xué)教研。同時(shí)，部署和運(yùn)維互聯(lián)網(wǎng)云應(yīng)用不但需要專業(yè)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)、高昂的平臺(tái)運(yùn)維費(fèi)用，安全問題更是難以保障。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

考慮到該模型是以教學(xué)教研為主，宜采用較容易獲取、且較為成熟的開發(fā)平臺(tái)。因此，系統(tǒng)選用了開源硬件平臺(tái)Arduino。該平臺(tái)具有可定制性強(qiáng)，功能豐富，性價(jià)比高的特點(diǎn)，為構(gòu)建空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供了良好的硬件平臺(tái)。另外，網(wǎng)絡(luò)上免費(fèi)開放的公共物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)能接入各類傳感器并在云端進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析，為部署互聯(lián)網(wǎng)云應(yīng)用大大節(jié)約了開發(fā)時(shí)間與成本。

該系統(tǒng)以Arduino與互聯(lián)網(wǎng)云計(jì)算平臺(tái)結(jié)合實(shí)現(xiàn)空氣質(zhì)量的監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)便、實(shí)用性強(qiáng)、擴(kuò)展性高、運(yùn)營(yíng)成本低等優(yōu)點(diǎn)。

系統(tǒng)能有效地對(duì)空氣溫度、濕度、灰塵密度等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)在系統(tǒng)的顯示屏上實(shí)時(shí)顯示并上傳到云端數(shù)據(jù)平臺(tái)，用戶可以使用計(jì)算機(jī)通過互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程觀測(cè)各項(xiàng)數(shù)據(jù)圖表或利用云端數(shù)據(jù)平臺(tái)的事件通知功能實(shí)現(xiàn)事件的實(shí)時(shí)通知。系統(tǒng)包含傳感器模塊、以AVR單片機(jī)為核心的Arduino控制模塊、顯示模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊等。整個(gè)系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示。

3 系統(tǒng)功能與實(shí)現(xiàn)

3.1 傳感器模塊

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)對(duì)空氣監(jiān)測(cè)的基本要求部署溫度、濕度、灰塵等傳感器，傳感器數(shù)量可根據(jù)實(shí)際需要靈活部署，本系統(tǒng)選用1個(gè)溫濕度傳感器、1個(gè)灰塵傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)。溫濕度傳感器采用DHT22，灰塵傳感器采用的是DSM501A，系統(tǒng)采用5V、1000mA的標(biāo)準(zhǔn)USB接口電源進(jìn)行供電。

（1）DHT22數(shù)字溫濕度傳感器

該傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)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(wǎng)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(duì)溫濕度的大氣環(huán)境中，因感濕膜吸附水分子而使電容值呈現(xiàn)規(guī)律性變化。

它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電容式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。

濕度測(cè)量范圍：0～100%RH、濕度測(cè)量精度：±2%RH、溫度測(cè)量范圍：-40～80℃、溫度測(cè)量精度：±0.5℃、工作電壓：DC 5V（常用）、單總線數(shù)字信號(hào)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(huì)產(chǎn)生光的散射現(xiàn)象，與此同時(shí)，還吸收部分照射光的能量；當(dāng)一束平行單色光入射到被測(cè)顆粒場(chǎng)時(shí)，會(huì)受到顆粒周圍散射和吸收的影響，光強(qiáng)將被衰減。如此一來便可求得入射光通過待測(cè)濃度場(chǎng)的相對(duì)衰減率。而相對(duì)衰減率的大小基本上能線性反應(yīng)待測(cè)場(chǎng)灰塵的相對(duì)濃度。光強(qiáng)的大小與經(jīng)光電轉(zhuǎn)換的電信號(hào)強(qiáng)弱成正比，通過測(cè)得電信號(hào)就可以求得相對(duì)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(chǎn)生的煙氣和花粉,房屋粉塵等,加熱自動(dòng)進(jìn)氣裝置，可調(diào)電阻設(shè)置檢測(cè)灰塵的大小。采用與粒子計(jì)算器相同原理為基礎(chǔ),檢測(cè)出單位體積粒子的絕對(duì)個(gè)數(shù)。其主要特性：可以感知煙草產(chǎn)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(hào)處理；內(nèi)藏氣流發(fā)生器,可以自行吸引外部大氣；輸出為PWM脈寬調(diào)制信號(hào)。

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

3.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)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(diǎn)為：Digital I/O數(shù)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(xié)議及供電；支持ISP下載功能等。Arduino是一個(gè)基于AVR系列單片機(jī)和ARM控制器的開源軟硬件平臺(tái)，其具有豐富的外圍模塊，簡(jiǎn)單易用的開發(fā)語言及開發(fā)環(huán)境以及大量的源碼庫。在近幾年的機(jī)器人、智能家居等領(lǐng)域得到迅速的發(fā)展及廣泛的應(yīng)用。軟件開發(fā)采用類C++語言的高級(jí)語言；硬件圖紙、各類源碼庫及開發(fā)環(huán)境均是開源的，可以按照開發(fā)者的需要進(jìn)行修改。

Arduino的程序包含有Setup函數(shù)和loop函數(shù)，setup函數(shù)在系統(tǒng)上電或復(fù)位后運(yùn)行一次，完成一些系統(tǒng)初始化及一次性的工作，之后系統(tǒng)進(jìn)入loop函數(shù)，loop函數(shù)是Arduino程序的主體，是一個(gè)無限循環(huán)的過程。Loop函數(shù)完成對(duì)溫度、濕度、灰塵密度等傳感器數(shù)據(jù)的收集、處理、打包發(fā)送，系統(tǒng)流程如圖3所示：

圖3 控制系統(tǒng)Loop函數(shù)流程

3.3 Yeelink云數(shù)據(jù)平臺(tái)

物聯(lián)網(wǎng)已成為當(dāng)前世界新一輪經(jīng)濟(jì)和科技發(fā)展的戰(zhàn)略制高點(diǎn)之一，發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)對(duì)于促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，云計(jì)算以其強(qiáng)大的處理能力、存儲(chǔ)能力和高性價(jià)比在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。各種開放的通用物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)應(yīng)運(yùn)而生，國(guó)內(nèi)興起的Yeelink，目前定位于做一個(gè)開放的通用物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，主要提供傳感器數(shù)據(jù)的接入，存儲(chǔ)和展現(xiàn)服務(wù)。Yeelink具有事件觸發(fā)機(jī)制，當(dāng)數(shù)據(jù)達(dá)到某個(gè)設(shè)定閾值的時(shí)候，平臺(tái)會(huì)自動(dòng)按照預(yù)先設(shè)定的規(guī)則，發(fā)送短信，微博，或者是郵件，還可以充分利用平臺(tái)的計(jì)算能力，定期的將統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)發(fā)送到郵箱內(nèi)。此外還具有雙向傳輸與控制功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭電器的遠(yuǎn)程控制。

基于Yeelink云數(shù)據(jù)平臺(tái)構(gòu)建空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以大大節(jié)約開發(fā)與運(yùn)營(yíng)成本，系統(tǒng)硬件采用積木式的架構(gòu)，用戶遠(yuǎn)程觀測(cè)界面采用該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。在Yeelink網(wǎng)站上注冊(cè)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(dòng)作等，網(wǎng)站會(huì)為每一個(gè)傳感器分配一個(gè)獨(dú)立的ID，作為傳感器上傳數(shù)據(jù)的身份標(biāo)識(shí)。在Arduino的控制程序中按照網(wǎng)站開放的API及指定格式提交各傳感器數(shù)據(jù)，用戶即可在任何地點(diǎn)遠(yuǎn)程查看云端的數(shù)據(jù)。

經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)用與測(cè)試，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，溫度測(cè)量誤差小于0.5攝氏度；濕度測(cè)量誤差小于5%RH，灰塵數(shù)據(jù)測(cè)量具有定性參考價(jià)值。系統(tǒng)數(shù)據(jù)上傳與Yeelink數(shù)據(jù)顯示時(shí)間略有延時(shí)，但在幾秒鐘之內(nèi)，不影響使用。溫度、濕度、灰塵數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)在云端顯示正常，如圖4所示。

圖4 云端顆粒觀測(cè)數(shù)據(jù)示例

4 結(jié)語

采用開源Arduino平臺(tái)及Yeelink云平臺(tái)來構(gòu)建基于云端的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在實(shí)際的應(yīng)用中效果較理想，對(duì)室內(nèi)空氣環(huán)境的監(jiān)測(cè)具有實(shí)際的參考價(jià)值。由于系統(tǒng)采用了成熟的硬件與云端平臺(tái)，部署快捷、性價(jià)比高、后期擴(kuò)展簡(jiǎn)便。初期開發(fā)中僅加入了溫濕度監(jiān)測(cè)及灰塵監(jiān)測(cè)功能，一些高級(jí)的功能可以根據(jù)在教學(xué)中的需求可在此架構(gòu)上比較容易地?cái)U(kuò)展實(shí)現(xiàn)。學(xué)生在收獲知識(shí)的同時(shí)，也能將學(xué)習(xí)成果以直觀的形式展現(xiàn)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(jī)房遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)[J].現(xiàn)代圖書情報(bào)技術(shù),2012(10)：89-92.

［3］衡友躍.基于Arduino的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[J].新余學(xué)院學(xué)報(bào),2012,6：78.