基于云計算的室內環境監測系統的研究

摘 要：室內環境的質量直接或者間接影響著人們的身心健康。本文以云計算為設想，主要以arduino 2560主控模塊、網絡傳輸模塊、傳感器檢測模塊、電平轉換模塊等把實時監測、處理、報警結合成一體。另外，在嵌入式系統下設計嵌入式Web服務器，并在LCD顯示屏、網頁等平臺上顯示信息，提高了環境質量監測的可靠性、實時性，希望可以提高、改善環境質量。

關鍵詞：云計算；監測系統；嵌入式系統

1 系統的總體設計

根據實際情況，我們設計了基于單片機的小型系統，結構圖如圖1所示，該系統采用arduino2560芯片，傳感器采集到信息后，單片機經過A/D D/A轉換后，在LCD顯示器顯示的同時通過W5100模塊傳輸到我們的查詢平臺，如果傳感器采集的值超過預定的閾值，則通過串口報警模塊發短信報警。

2 硬件設計

室內環境監測儀實現自動對家居環境中的溫度、濕度、一氧化碳濃度、煙霧濃度、甲烷濃度等進行數據采集，對采集的數據進行處理、指示分析，將監測的指標信息顯示在液晶屏上，并將數據傳輸到云端進行存儲，用戶通過信息平臺可及時獲取室內環境的指標，掌握室內環境的狀況。當某些檢測參數超過域值時，例如甲醛濃度、一氧化碳濃度、甲烷濃度、煙霧濃度、有害氣體濃度超標時，首先進行本地聲光報警提示并發送遠程報警信息到指定的手機上。我們將GPS/GPRS模塊應用到系統上，實現基于GPS/GPRS的環境監測，當檢測室內各種有害氣體超標時，發短信到用戶手機，做到實時信息傳遞。本著以人為本的思想，經過初步計算設計了環境監測系統圖，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，提供免費的下載接口，支持ISP在線燒等等很多優點。

溫濕度傳感器模塊：DHT11溫濕度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，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，它內部采用了但總線傳輸結構，便于與各種MCU連接，并且信號傳輸距離遠。PM2.5粉塵傳感器采用粒子計數，可以靈敏的監測出直徑在1微米以上的粒子，尺寸小，質量輕而且易于安裝傳感器的特性曲線如圖3所示。

W5100是多功能的網絡接口芯片，內部集成了10/100Mbps以太網控制器，主要應用于高集成、高性能、高穩定和低成本的嵌入式系統中。W5100與 IEEE802.3 10BASE-T和802.3u 100BASE-TX兼容。W5100內部集成了全硬件的、且經過多年市場驗證的TCP/IP協議棧、以太網介質傳輸層（MAC）和物理層（PHY）。W5100內部還集成有16KB存儲器用于數據傳輸。使用W5100不需要考慮以太網的控制，只需要進行簡單的端口編程。如下實例：

byte mac[] = {

0xDE， 0xAD， 0xBE， 0xEF， 0xFE， 0xED

}；//設置路由器mac地址

IPAddress ip（192，168，1， 15）；//設置本主機ip地址

EthernetServer server（80）；//設置瀏覽器端口號

client.println（\"HTTP/1.1 200 OK\"）；//寫入HTTP協議

3 軟件設計

本設計是利用跨平臺的java語言寫的web網頁前端，mysql語句操作后臺數據庫，當軟件接收到w5100通過網絡發送過來的數據包后，進行解壓分組，用數據庫語句處理分組后的數據，判斷是否合理，如果合理則存入數據庫中，否則丟棄。我們還進一步對數據進行了處理，將采集到的數據進行處理畫出對應的折線圖，以便客戶更好地了解室內環境各物質濃度的變化情況，具體原理圖如圖4所示。硬件采集的數據也會有偶然誤差，效果不是百分之百的準確，為了解決這個問題，就要利用到濾波算法，濾波算法有很多，經過比較我才用了數字濾波算法和算術平均值濾波算法，有效地提高了數據的可靠性和真實性。具體算法原理如下：連續采集N個樣本，存入數組中，數組的長度固定，然后去除其中的最大值和最小值而取剩余的N-2個A/D轉換值的平均值，N一般取5～10。大量實驗證明，在沒有采用濾波算法前，系統穩定狀態下會產生誤差，傳感器讀數波動比較大；采用濾波算法后，傳感器讀數波動明顯變小，特別是變化緩慢的環境下，讀數基本保持穩定，自動控制系統沒有誤動作。

4 結束語

伴隨著人們生活水平的提高，室內環境的質量是人們比較在意的一個話題，環境的好與壞直接影響的是人們的生活質量，本項目主要研究對家居環境中的甲醛濃度、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行的監測、顯示并在污染物濃度超標時，發出報警信息，提示用戶及時應對處理，經過檢測與使用，得出結論系統不僅適合家庭、學校還適合工廠等與環境監測相關的領域，實現了環境的遠程實時監測，采集的數據精度較高，克服了環境監測的局域性和區域性，不但提高了效率，而且提高了環境監測的信息化和自動化水平。

參考文獻

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