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。文章以云計算為設想，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

引言

基于云計算的室內環境監測的應用研究現如今已經涉及到了各個行業。在市面上銷售的環境測量儀價格十分昂貴，許多人望而卻步。從調查來看，目前的環境測量大概分為三個方面，首先，自己購買測量儀器，缺點是功能單一，價格不菲。其次是邀請專業人員來家里進行測量，缺點是，活動時間限制，價格仍然不會太低，第三就是買各種測量儀，其缺點就更不用說了，代價會比前兩者高出數倍。以上三種情況對于普通人來說，根本無法接受，基于以上情況，為了解決這個問題，我們設計了一款功能齊全的室內環境檢測儀，通過對溫度、一氧化碳、甲醛、PM2.5等多參數進行實時采樣和實時監測，可以掌握室內有害氣體的濃度，一旦家里的甲醛、液化氣、一氧化碳、酒精和煙霧等濃度過高時，環境監測系統能夠立即發出警示信息提醒用戶及時應對處理，該系統不但實現了對特殊場所環境的監測，彌補虧那些專業系統的不足，而且還可以遠程了解家庭環境的信息，及時應對突發信息，提前做好準備，減少不必要的損失。

1 系統的總體設計

根據實際情況，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。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，經過初步計算設計出了如下的環境監測系統圖，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。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3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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