基于物聯網的室內微型健康環境監測分析系統

孫浩然

摘 要：本系統是基于一種基于物聯網技術的室內微型健康環境監測分析系統，包括室內溫度傳感器、甲醛傳感器、PM2.5＼＼10傳感器、中央核心處理網關、網絡服務器、B/S結構（Browser/Server，瀏覽器/服務器模式）等組成，所述的各種室內傳感器采集的環境數據通過Zigbee 無線接口傳送至室內中央核心處理網關，網關經過識別處理后，通過通信網絡傳送至網絡服務器（可采用云平臺服務器）。通過物聯網技術對室內的各種環境數據進行識別、記錄、存儲，并形成環境數據分析報告，實時獲取室內環境情況，提供給人們進行實時管理居室環境。同時云平臺服務器集數據匯集、統計分析為一體，可以獨立記錄單點居室數據，未來推廣后也可做為匯聚層收集多個居室，跨區域居室的數據，有效了解城市不同區域環境情況，提供大數據分析參考依據。本系統具有效率高、成本低、使用便捷、推廣前景廣闊等優點。將來還可以構建智能家居管理平臺，利用無線通信、自動控制技術、紅外控制等有關技術進行功能拓展，通過現有室內家居的智能化實現家居、家電各設施的互聯控制，實現健康、環保、節能的居住環境改善。

關鍵詞：物聯網；大數據；B/S結構；微型環境監測分析；智能家居；Zigbee；環境數據分析

1 概述

近來，空氣環境質量一直是個熱點話題。據調查京津冀周邊地區是全國環境空氣質量最差的地區，河北、山西、天津、河南、山東5省（市）優良天氣比例仍不到60%。河南省在2017年新建了915個城市建成區網格微型監測站治理空氣污染，并陸續出臺了廢氣監測、工地揚塵治理等舉措。就在前不久，國家生態環境部也啟動“藍天保衛戰強化督查”，針對公眾場合大氣污染治理不斷出臺措施。同時由于人們大部分時間呆在室內，所以對辦公室內及居室環境關注更多。比如室內空氣長時間不流通，或者房屋裝修后和購買新家具時會帶來的甲醛污染等，如果無法及時掌握室內空氣數據，會對人身健康帶來較大危害。該系統能夠實時采集室內空氣數據，并可隨時在智能終端上展現，提醒人們啟動干預措施，創造出舒適、安全、環保的室內環境。該系統推廣后可利用成熟的物聯網技術，把采集的數據上傳到云服務器，這樣形成大數據后就能起到類似政府建設網格監測站的作用，統計分析出各小區或城市不同區域大概的室內空氣數據，對政府將來制定空氣治理措施也有參考意義。

2 系統概述

本系統涉及物聯網、大數據應用領域，是指一種基于物聯網、大數據的室內微型健康環境監測分析系統。系統采用物聯網技術對房間內外的溫度、甲醛傳感器、PM2.5＼＼10數據進行識別、記錄、存儲，并形成房間內外環境數據分析報告和圖例，實時獲取居室環境情況。同時利用網絡物聯網服務器集數據采集、匯集為一體，可以獨立記錄單點居室數據，也可做為匯聚層收集多個居室，跨區域居室的數據，有效了解城市不同區域環境情況，提供環境大數據分析參考依據。未來還可以利用家居設備設施的智能化實現進行實時管理居室環境。

3 系統調研及可行性分析

3.1 系統調研

以往的空氣環境監測更偏重于室外，但由于人們大多數時間是在室內，而且近期媒體傳播的室內空氣污染如甲醛等層出不窮，人們對室內環境的了解需求更迫切。本系統設計要實現的功能大致如下：

（1）實現房間的溫度、甲醛、PM2.5＼＼10各項傳感器數據的采集、上傳。

（2）實現通過云端服務器平臺對傳感器各項數據進行識別、記錄、存儲。

（3）實現通過系統數據展現功能形成房間內外環境數據分析報告，實時獲取居室環境情況，提供給人們進行實時管理居室環境。

（4）實現網絡物聯網服務器集數據采集、匯集為一體，可以獨立記錄單點居室數據，未來推廣后也可做為匯聚層收集多個居室，跨區域居室的數據，有效了解城市不同區域內環境情況，提供環境大數據分析參考依據。

（5）將來還可以以此為基礎，構建智能家居管理平臺，利用無線通信、自動控制技術、紅外控制等有關技術進行功能拓展，利用家居設施的智能化實現進行實時管理居室環境。

3.2 系統總體目標

本系統通過獨特的視角提醒人們關注日常居室環境，避免室內污染對身體健康在不被感知的情況下造成的損害。采用方便、簡單的設計實現室內環境數據的采集和呈現，并通過共享到云服務器為環境大數據分析提供依據。同時也考慮后期維護上比較容易，成本低、效率高。

3.3 技術可行性分析

本系統是一個以傳感器數據采集、物聯網窄帶通信傳輸、數據庫應用、網絡平臺分享為一體的數據采集、分析管理系統。通過各類傳感器數據采集后進行匯聚，采用PHP+MYSQL技術實現本系統的開發。PHP語言簡單、功能強大，而MYSQL是一個非常優秀的網絡數據庫系統，方便使用，性能穩定。國內外許多知名網站和應用均使用該數據庫作為數據的存儲。

4 系統分析

4.1 系統需求分析

經過上述對系統調研及可行性分析后，下面將對系統在功能設計上進行進一步的需求分析。

4.1.1功能需求

（1）系統管理功能。

系統管理功能初期設計的較為簡單，以主要實現基本信息的管理以及系統參數設置，主要包括傳感器信息、位置信息、區域信息、居室信息、用戶信息等，可以對其各項信息進行添加、修改、刪除操作。

（2）數據前臺展示功能。

通過WEB應用服務器將設備數據存儲至數據庫中，并對各類數據，環境信息進行分析處理，形成區域、單居室、各小區的大數據環境平臺。通過應用服務器將這些數據展現于互聯網，供查看某區域、某居室、某小區的環境信息和設備狀態，同時也可通過應用服務器一對一的遠程控制設備的運行狀態。

4.1.2性能需求

設備需求：PC機，Winxp、win7、win8、win10操作系統、android、ios系統智能手機、平板終端。

服務器：云服務器，Windows2008Server 服務器系統和Apache為平臺，MYSQL數據庫系統。

4.2 系統架構圖

5 系統設計

5.1 概要設計

5.1.1系統功能模塊圖

5.1.2功能模塊簡介

（1）登錄模塊。可根據需要設置用戶名和密碼驗證，根據用戶輸入的帳號信息與數據庫中進行匹配。

（2）系統管理。可根據需要設置不同的用戶權限，進入相匹配的管理界面進行操作。

（3）數據前臺展示功能。可根據需要顯示給不同權限的用戶不同的權限信息供其訪問操作。一般用戶為例可展現如下信息：

（4）系統管理模塊設計。管理員可以對用戶信息、傳感器信息、區域信息、位置信息等進行添加、修改、刪除、匯總分類等操作。

5.2 數據庫設計

5.3 詳細設計

5.3.1感知控制層

該層的主要作用是感知居室環境相關參數，記錄電氣設備的工作狀態。主要設備包括溫度傳感器、濕度傳感器、甲醛傳感器、PM2.5＼＼10傳感器等裝置。這些設備采集的數據通過Zigbee、Wifi方式上傳到中央核心處理單元。

5.3.2接入層

該層的主要設備是室內核心處理單元，它主要負責將感知控制層的各種傳感器數據進行搜集，將終端發送來的數據轉發給服務器或者向終端轉發服務器的遠程控制命令。

5.3.3互聯網層

該層主要是將室內中央核心處理單元網關聯入互聯網進行數據傳輸。

5.3.4服務管理層

該層主要作用是物聯網服務器，功能包括Web服務器、數據庫服務器、應用服務器。應用服務器負責與各個室內中央核心處理單元網關定時通信，通過各室內中央核心處理單元獲取各個傳感器采集的數據，并及時按照一定格式保存至數據庫服務器中。而Web服務器負責將這些數據進行處理分析并展現到互聯網上，通過手機、計算機、平板等終端查看相關信息。未來經過功能拓展之后，Web服務器還可以將相關控制指令的發送寫入數據庫服務器，然后由應用服務器將其從數據庫取出后發送給對應的室內中央核心處理單元網關，最后由室內中央核心處理單元負責將指令、命令轉發給被控設備進行相關智能家居設施的控制。

5.3.5應用層

該層主要包括服務器、計算機、平板電腦以及智能手機等智能終端設備。

一是通過瀏覽器實現可以與系統進行遠程交互的人機接口。如果是通過瀏覽器查看居室內的相關信息并進行控制。

二是通過應用服務器對數據庫服務器中存儲的各傳感器數據從多個維度進行分析，將數據進行處理分析并展現到互聯網上、微信等手機APP。

6 系統實現

在房間居室內安裝的溫度傳感器、濕度傳感器、甲醛傳感器、PM2.5＼＼10傳感器實時將各項數據通過傳送至家庭中央核心處理網關，網關經過識別處理后傳送至互聯網應用服務器，形成居室的數據分析報告等信息。該信息的獲取與設備的控制通過互聯網傳輸，使人們通過終端設備如計算機、智能手機、平板電腦即可隨時隨地及時了解居室內環境情況。本系統經過推廣后，他的另外一個主要特點就是能夠將住室內的各種環境數據采集連接至互聯網并進行數據的存儲、分析、處理、展現。通過WEB應用服務器將設備數據存儲至數據庫中，并對各類數據，環境信息進行分析處理，形成區域、單居室、各小區的大數據環境平臺。通過應用服務器將這些數據展現于互聯網，供查看某區域、某居室、某小區的環境信息和設備狀態，同時也可通過應用服務器一對一的遠程控制設備的運行狀態。未來通過功能拓展可以通過應用服務器下發指令至網關，網關下發控命令到紅外控制器實現設備的控制等功能。未來即可以利用住宅家居的智能化實現進行實時管理居室環境。

我們以Windows2008Server 為服務器系統和Apache為平臺，MYSQL為數據庫系統，基于PHP：Hypertext Preprocessor的動態網頁技術開發了一個智能室內環境檢測物聯網平臺。平臺設計可以由Socket API通信接口、系統配置、遠程監控、規則管理、故障日志、分析模組等功能，初期為便于展現盡量簡化設計。授權用戶登錄后只能各自查看各自居室內的情況，并根據用戶的授權與否決定是否展現于大數據分析處理平臺。

系統研制成功后模擬在一些居室、辦公場所內安裝試用，每處場所至少安裝一個中央核心處理單元網關，根據需求安裝適當的傳感器，如：溫度傳感器、濕度傳感器、甲醛傳感器、PM2.5＼＼10傳感器等。

本平臺采用輕量化設計，特別是初期僅用于展現設計思路，所以應用服務器、數據庫服務器和 Web 服務器均采用租用云服務器方式解決。

7 結語

本文基于現代人們對于室內空氣環境質量的關心，設計了一種基于物聯網的微型室內健康環境監測分析系統，主要體現了一種利用成熟的物聯網技術對各類的室內空氣環境數據進行采集、分析并形成大數據為政府治理提供參考的一種思路。彌補了現在各地方政府大量建設網格監測站只能監測室外環境的不足，通過將來對該系統的推廣，可以統計分析出各小區或城市不同區域大概的室內空氣質量數據，對政府將來制定空氣治理措施也有參考意義。

未來還可以以此為基礎構建智能家居管理平臺，利用無線通信、自動控制技術、紅外控制等有關技術進行功能拓展，利用家居設備的智能化實現家居凈化設備、家電各設施的互聯控制，進行實時管理居室環境。尤其在一些新建校園、剛裝修完畢的室內環境進行自動干預控制，實現健康、環保、節能的居住環境改善。

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