基于計算機技術的室內環境遠程監測技術研究

(川北醫學院 計算機與數學教研室，四川 南充 637000)

基于計算機技術的室內環境遠程監測技術研究

王靜

(川北醫學院計算機與數學教研室，四川南充637000)

在經濟騰飛的同時，環境問題日益突出，由于人們大部分時間都呆在室內，所以對室內環境質量的要求尤為嚴格，需要隨時隨地能夠了解室內環境情況，室內環境遠程監測是滿足人們這一需求的重要手段；目前大多數室內環境遠程監測技術都是在分析室內環境特點的基礎上，通過將室內環境信息采集到計算機，然后經過串口傳送到上位機，完成數據實時顯示；但這種方法沒有對采集的信息進行分析處理，難以保證室內環境監測數據的準確性；為此，文章提出一種新的基于計算機技術的室內環境遠程監測技術，首先分析室內環境中空氣污染成分及危害，針對每種空氣污染成分提出通過不同的采集分析方法完成室內空氣成分及數量檢測，然后對室內環境遠程監測中的溫濕度調節電路進行設計，通過分析溫濕度檢測傳感器與溫濕度之間的非線性相關關系，完成對室內環境的溫濕度檢測，將檢測數據與溫濕度信息數據進行匯總并處理，通過計算機將數據傳輸到上位機，從而完成室內環境遠程監測；實驗證明，所提方法能夠有效提高室內環境監測的準確度，減低遠程監測響應時間和能耗，具有良好的使用價值。

計算機技術；室內環境；遠程監測；技術研究

0 引言

隨著經濟的發展，環境問題日益突出，據調查平均每個人每天呆在室內的時間大約有20小時，這種情況下，對室內環境的質量提出了更高的要求，人們要求能夠隨時隨地了解室內環境質量，這種情況下，室內環境遠程監測技術應運而生，但目前大多數室內環境遠程監測都是通過分析室內環境中空氣成分，從而得到遠程監控的設計需求，通過WIFI傳感器節點采集室內信息，并利用Internet網絡向遠程用戶提供實時監控數據，但這種方法在進行數據傳輸時，占用的內存空間較大，不利于推廣使用，針對方法，相關專家學者展開了激烈的討論，該課題也成為先關專家學者研究的重點問題，隨著研究內容的深入，取得了許多研究成果。

文獻[1]提出基于虛擬儀器的室內環境監測技術，通過對室內空氣成分以及室內環境遠程監測技術現狀進行分析，并闡述虛擬儀器的產生、概念、構成和優點。確定遠程監測技術的監測方案與監測流程，在此基礎上，對室內環境監測電路進行設計，并完成室內環境遠程監測總體設計，采用傳感器技術對室內環境的相關參數進行采集并預處理，然后將預處理后的室內環境數據傳輸到計算機進行進一步處理，然后通過通信串口將處理后的室內環境數據發送給遠程用戶，但這種方法由于采集后需要對數據進行兩次處理，導致數據傳輸給用戶具有延遲性。文獻[2]提出利用短消息實現對室內環境信息的遠程監測的方法，利用Zigbee無線傳感器網絡實現室內環境信息的采集，通過GPRS模塊將采集到的室內環境信息以短消息的形式發送給用戶手機，實現室內環境信息的遠程監測。但這種方法通過短信發送信息數據，導致室內環境信息數據傳輸延遲時間較長，不能實現隨時室內環境監測。文獻[3]提出通過設計基于ARM的室內環境監測系統完成室內環境遠程監測的方法，通過將ZigBee無線網、ARM處理器、web服務器以及數據融合技術相結合，完成室內環境監測系統設計，實現對室內環境數據的采集與處理，在通過串口將室內環境監測系統與用戶電腦連接起來，是用戶可以實時觀測室內環境信息，但這種方法執行起來過程較繁瑣，室內環境數據容易在執行過程中失真。

針對上述問題，提出一種新的基于計算機技術的室內環境遠程監測技術，首先對室內環境中空氣污染成分及危害進行分析，提出通過不同的采集分析方法對每種空氣污染成分進行監測，然后對室內環境遠程監測中的溫濕度調節電路進行設計，通過分析溫濕度檢測傳感器與溫濕度之間的非線性相關關系，完成對室內環境的溫濕度檢測，然后將檢測的室內空氣成分數據與溫濕度信息數據進行匯總，然后通過計算機將數據傳輸到遠程用戶手中，從而完成室內環境遠程監測。實驗證明，所提方法能夠有效提高室內環境監測的準確度，減低遠程監測的響應時間和能耗，具有良好的使用價值。

1 基于計算機技術的室內環境遠程監測技術研究

室內環境遠程監測技術主要針對室內空氣中的污染，由于視為空氣污染物種類較多，表1分析了室內污染物及危害并給出了室內空氣質量標準。

表1 室內空氣污染物及危害

室內空氣污染對人體有較大影響，但濃度沒有超標幾倍以上，難以被人體察覺，長期呆在空氣污染指標超標的室內，會影響人們身體健康，室內環境遠程監測技術有利于人們實時對室內環境進行監測。

1.1 室內空氣成分檢測

由于室內空氣污染物種類較多，為保證遠程監測的準確性，需要對室內空氣成分進行監測。

室內PM2.5是室內空氣中懸浮的粒徑在0～100 μm的顆粒物的重要組成部分，被稱為可吸入顆粒物。

PM2.5主要來源于各種燃料在燃燒過程中產生的大量浮沉，很多化石燃料中的硫元素、氮元素在燃燒過程中產生的SO2、NO2等氣體與空氣發生反應，會加重PM2.5污染，除此之外，建筑施工產生的揚塵、工業廢氣中的粉塵、廚房排放的油煙廢氣等也是重要的PM2.5來源。相對而言，火災灰塵、植物花粉等自然中產生的PM2.5較少。

當顆粒物較大時，是無法進入人體的，稍小一點的粗顆粒物也會被鼻腔內絨毛阻擋，對人體產生的危害較輕，但由于pm2.5粒徑小于2.5 μm的顆粒，體積太小，無法被人體自動阻擋，會隨著呼吸深入人體肺部，進入到肺泡內，進而影響肺部氣體交換，進一步導致哮喘等心血管疾病。

針對PM2.5，本文選用重量法對其進行監測，其計算過程如公式(1)所示。

(1)

式中，ρ表示PM2.5的濃度，其單位為mg/m3，w1和w2分別表示采樣前和采樣后濾網質量，單位為g，V表示變換成標準狀態后的采樣體積，其單位為m3。

室內甲醛污染已成為室內室內重要污染成分之一，其危害如表1所述，甲醛的主要來源于人造原料生產的各類家具，裝修用的各種板材以及各種涂料、粘膠和油漆，大氣環境中流入室內的廢氣、尾氣和化學煙霧等，同時在通風不良的室內燃燒某些燃料也會提高甲醛濃度。

對甲醛的檢測，本文選用電化學傳感器發法，通過氣敏裝置，利用甲醛氣體分子在一定電勢差下會發生氧化反應，產生擴散電流這一特點，通過收集擴散電流，完成對甲醛濃度的檢測。

TVOC表示空氣中VOCs化合物濃度的總和。VOCs是指在室內溫度下，飽和蒸汽壓大于133.3 kPa、沸點為50～250℃、通常以蒸發形式存在于空氣中的一類有機物。室內環境中，VOCs主要來源于燃料的燃燒、香煙和烹巧產生的煙霧、裝飾材料、清潔劑蒸發等，其如表1所述，對人體健康帶來嚴重影響。

本文通過氧化錫氣敏傳感器檢測TVOC濃度，當二氧化錫元件加熱并于空氣樣品充分接觸后，會與其中各種VOCs化合物結合，同時改變其本身電導率，通過計算改變的電阻，推算出TVOC的濃度。

通過上述論述，對室內環境中的主要污染物進行檢測。

1.2 基于計算機技術的室內環境遠程監測技術

通過1.1論述，完成對室內空氣成分的監測，然后通過溫度和濕度調整電路，從而完成基于計算機技術的室內環境遠程監測技術。

溫度信號調整電路中，在測量溫度時，本文選用具有測量精度高、溫度測量范圍廣的NTC型MF58-104-3990熱敏電阻作為室內環境遠程監測傳感元件，其阻值與溫度的關系為：

RT=R0exp[β(1/T-1/T0)]

(2)

上式中，R0表示熱力學溫度為T0時的阻值，T0表示基準溫度，β表示熱敏電阻常數。由于室內環境遠程監測中熱敏電阻的溫度與電阻的關系是非線性的，作為溫度測量元件其輸出信號必須進行線性化處理，基于熱敏電阻的室內環境遠程監測中溫度測量信號電路是由兩級電路構成，第一級為對數比放大器，第二級為除法電路。第一級輸出為：

(3)

從上式可以看出，經過對數運算，室內環境遠程監測熱敏電阻的阻值與溫度的指數關系可以轉換成電壓與溫度的反比關系，再對Vo1作倒數運算即可實現溫度與電壓的線性關系，從上式可以得到：

(4)

令Vo=kT，即：

(5)

通過上述，得到Vo與被測室內溫度存在線性關系。根據室內環境遠程監測中基于熱敏電阻的溫度測量信號電路的連線可得：

(6)

通過調節電位器，減少室內環境遠程監控的非線性誤差。

室內環境遠程監控過程中，濕度信號調節電路采用HS1101LF型電容式濕度傳感器，該濕度傳感器電容與濕度的變化關系可以表示為：

CH=0.31RH+162.5(pF)

(7)

濕度調節電路中，電路由方波發生器、單穩電路、平均值電路、差分放大器等部分組成。其中方波發生器是RC阻容式發生器，其頻率為：

(8)

當脈沖由TA1輸入，上升沿觸發，Q1輸出的高電平寬度為：

tw=0.69R2(CH//C2)≈0.69R2CH=

0.69R2(0.31RH+162.5)=0.11RH+56.06(μs)

(9)

從上式可以看出，單穩電路輸出的一周期為T=100 μs，得到該方波在進行室內環境遠程監測時經由R3與C3組成的平均值電路的輸出平均值為：

(11)

通過上式，得到調整電路的輸出可以表示為：

Vo=10RH(mV)

(11)

通過上述論述，對室內環境中的溫濕度調節電路進行設計，完成對溫濕度的監測，將對室內空氣成分的監測結果，和溫濕度監測結果傳輸到遠程用戶的手中，從而實現對室內環境遠程監測。

2 實驗結果與分析

為了證明本文提出的基于計算機技術的室內環境遠程監測技術的有效性和可行性，進行了一次仿真實驗，實驗是在Windows 7 Ultimate的操作系統作為實驗環境進行的，CPU型號是3.2 Ghz的Intel Core I3，運行平臺為Microsoft Visual Studio.NET 2010。通過將本文提出的室內環境遠程監測技術與文獻[4]和文獻[5]所提室內環境遠程監測技術進行對比，為保證實驗的準確性，進行了800次實驗。

首先對本文提出的室內環境遠程監測技術與文獻[6]所提室內環境遠程監測技術進行檢測的相應時間進行對比，設響應時間(s)表示開始開始室內環境監測到進行環境監測所需要的時間，其計算方法如下所示：

T=∑t+F·C

(12)

式中，t表示遠程監測的開始時間，F表示遠程監測的距離，C表示遠側監測的系數。通過上式，得到三種遠程監測技術的響應時間對比，對比結果如圖1所示。

圖1 3種室內環境遠程監測技術響應時間對比

從上圖可以看出，本文所提遠程監測技術的響應時間最短，說明本文所提遠程監測技術進行室內環境監測延遲時間較少，能夠較好的保證監控數據的實時性，且從上圖可以看出，本文所提遠程監測技術的響應時間較平均。

然后對比本文提出的室內環境遠程監測技術與文獻[7]和文獻[8]所提室內環境遠程監測技術的吞吐率，定義吞吐率(%)的計算公式如下所示：

(13)

式中，VU表示發送出去的遠程監測數據次數，R表示遠程監測運行的參數，T表示遠程監控時間。通過計算，得到三種遠程監測技術吞吐量對比，對比結果如圖2所示。

圖2 三種室內環境遠程監測技術吞吐率對比

圖2中，本文所提遠程監測技術吞吐率較高，說明本文所提遠程監測技術能夠準確完成室內環境遠程監測數據的提取，提高數據提取的準確度。

之后進行本文提出的室內環境遠程監測技術與文獻[7]和文獻[8]所提室內環境遠程監測技術的運行能耗對比，設運行能耗(N)的計算公式為：

(14)

圖3 3種遠程監測技術能耗對比圖

從圖3可以看出，本文所提遠程監測技術運行能耗較少，且隨著時間變換，能耗的需求較為固定。

最后對比本文提出的室內環境遠程監測技術與文獻[9]和文獻[10]所提室內環境遠程監測技術的監測準確度，對比結果表2所示。

通過表2可以看出，本文所提方法能夠有效提高檢測的準確率。綜上所述，本文提出室內環境遠程監測技術能夠有效提高室內環境遠程監測的效率，降低室內環境遠程監測的響應時間和能耗，提高室內環境遠程監測的吞吐率，具有良好的使用價值。

3 結束語

對室內環境進行遠程監測符合社會發展需要，隨著社會發展，越來越受到人們重視，針對傳統室內環境遠程監測中存在的準確度不高、效率低下的問題，本文提出了一種新的基于計算機技術的室內環境遠程監測方法。通過實驗證明，本文所提方法具有較強的使用價值，對推動室內環境遠程監測技術研究具有積極作用。

表2 三種遠程監測技術準確度對比

[1]張加宏,潘周光,劉 進,等.基于ARM的遠程室內環境監測與調控系統設計[J].現代電子技術,2017,40(2):12-15.

[2]安艷萍,錢 平,陳超群.基于EnOcean-WiFi的遠程室內空氣監測系統研究[J].現代電子技術,2016,39(8):64-67.

[3]王 驥,林杰華,謝仕義.基于無線傳感網絡的環境監測系統[J].傳感技術學報,2015,24(11):1732-1740.

[4]李 楊,郭培源,劉 波,等.基于嵌入式技術的居室健康環境監測系統[J].電子技術應用,2014,40(8):24-26.

[5]王 歡,李 驊,尹文慶,等.基于無線傳輸的雞舍環境遠程監測系統[J].南京農業大學學報,2016,39(1):175-182.

[6]徐小華,曾曉紅,全曉松,等.虛擬儀器大棚溫室環境遠程監測系統設計[J].江蘇農業科學,2014,42(10):389-391.

[7]張傳帥,張天蛟,張 漫,等.基于WSN的溫室環境信息遠程監測系統[J].中國農業大學學報,2014,19(5):168-173.

[8]張 杰,臧賀藏,楊春英,等.基于物聯網的農業環境遠程監測系統研究[J].河南農業科學,2015,44(12):144-147.

[9]陳榮軍,余祥云,譚洪舟.基于S3C6410的遠程無線環境監測系統設計[J].電子技術應用,2014,40(5):143-146.

[10]鄭 煜,馬新春.基于評價模型的煤礦環境監測系統[J].電子設計工程,2016,24(7):157-159.

ResearchonRemoteMonitoringTechnologyofIndoorEnvironmentBasedonComputerTechnology

Wang Jing

(Department of computer and Mathematics，North Sichuan Medical College,Nanchong 637000,China)

In the economic take-off at present, environmental problems have become increasingly serious, because most of the time people stay indoors, so the quality of the indoor environment is particularly hard, need to understand the situation whenever and wherever possible the indoor environment, indoor environment remote monitoring is an important measure to satisfy the needs of the people. Most of the current indoor environment remote monitoring technology is based on the analysis on the characteristics of the indoor environment, the indoor environment information collection to the computer, and then through the serial port to the host computer, complete real-time data display. However, it is difficult to ensure the accuracy of the indoor environmental monitoring data. Therefore, this paper proposes a kind of indoor environment remote monitoring technology based on computer technology new, firstly component and harm analysis of air pollution in indoor environment, air pollution is proposed for each component to complete the composition and quantity of indoor air testing through the acquisition of different analysis methods, and then design the temperature and humidity of the indoor environment remote monitoring in regulating circuit through the analysis, nonlinear relationship between temperature and humidity detection sensor of temperature and humidity, temperature and humidity of the indoor environment to complete the detection, the detection data of temperature and humidity data were collected and processed by the computer will transfer the data to the host computer, thus completing the indoor environment remote monitoring. The experimental results show that the proposed method can effectively improve the accuracy of indoor environmental monitoring, reduce the response time and energy consumption of remote monitoring, and has good application value.

computer technology; indoor environment; remote monitoring; technical research

2017-05-04；

2017-05-23。

王 靜(1977-)，女，四川宜賓人，碩士，講師，主要從事計算機技術與應用方向的研究。

1671-4598(2017)09-0025-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.09.007

TN249

A