基于物聯(lián)網(wǎng)的室內(nèi)微型健康環(huán)境監(jiān)測分析系統(tǒng)

孫浩然

摘 要：本系統(tǒng)是基于一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的室內(nèi)微型健康環(huán)境監(jiān)測分析系統(tǒng)，包括室內(nèi)溫度傳感器、甲醛傳感器、PM2.5＼＼10傳感器、中央核心處理網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、B/S結(jié)構(gòu)（Browser/Server，瀏覽器/服務(wù)器模式）等組成，所述的各種室內(nèi)傳感器采集的環(huán)境數(shù)據(jù)通過Zigbee 無線接口傳送至室內(nèi)中央核心處理網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)經(jīng)過識別處理后，通過通信網(wǎng)絡(luò)傳送至網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器（可采用云平臺服務(wù)器）。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對室內(nèi)的各種環(huán)境數(shù)據(jù)進行識別、記錄、存儲，并形成環(huán)境數(shù)據(jù)分析報告，實時獲取室內(nèi)環(huán)境情況，提供給人們進行實時管理居室環(huán)境。同時云平臺服務(wù)器集數(shù)據(jù)匯集、統(tǒng)計分析為一體，可以獨立記錄單點居室數(shù)據(jù)，未來推廣后也可做為匯聚層收集多個居室，跨區(qū)域居室的數(shù)據(jù)，有效了解城市不同區(qū)域環(huán)境情況，提供大數(shù)據(jù)分析參考依據(jù)。本系統(tǒng)具有效率高、成本低、使用便捷、推廣前景廣闊等優(yōu)點。將來還可以構(gòu)建智能家居管理平臺，利用無線通信、自動控制技術(shù)、紅外控制等有關(guān)技術(shù)進行功能拓展，通過現(xiàn)有室內(nèi)家居的智能化實現(xiàn)家居、家電各設(shè)施的互聯(lián)控制，實現(xiàn)健康、環(huán)保、節(jié)能的居住環(huán)境改善。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；大數(shù)據(jù)；B/S結(jié)構(gòu)；微型環(huán)境監(jiān)測分析；智能家居；Zigbee；環(huán)境數(shù)據(jù)分析

1 概述

近來，空氣環(huán)境質(zhì)量一直是個熱點話題。據(jù)調(diào)查京津冀周邊地區(qū)是全國環(huán)境空氣質(zhì)量最差的地區(qū)，河北、山西、天津、河南、山東5省（市）優(yōu)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(qū)網(wǎng)格微型監(jiān)測站治理空氣污染，并陸續(xù)出臺了廢氣監(jiān)測、工地揚塵治理等舉措。就在前不久，國家生態(tài)環(huán)境部也啟動“藍天保衛(wèi)戰(zhàn)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(nèi)，所以對辦公室內(nèi)及居室環(huán)境關(guān)注更多。比如室內(nèi)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(nèi)空氣數(shù)據(jù)，會對人身健康帶來較大危害。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r采集室內(nèi)空氣數(shù)據(jù)，并可隨時在智能終端上展現(xiàn)，提醒人們啟動干預(yù)措施，創(chuàng)造出舒適、安全、環(huán)保的室內(nèi)環(huán)境。該系統(tǒng)推廣后可利用成熟的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，把采集的數(shù)據(jù)上傳到云服務(wù)器，這樣形成大數(shù)據(jù)后就能起到類似政府建設(shè)網(wǎng)格監(jiān)測站的作用，統(tǒng)計分析出各小區(qū)或城市不同區(qū)域大概的室內(nèi)空氣數(shù)據(jù)，對政府將來制定空氣治理措施也有參考意義。

2 系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)涉及物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域，是指一種基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)的室內(nèi)微型健康環(huán)境監(jiān)測分析系統(tǒng)。系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對房間內(nèi)外的溫度、甲醛傳感器、PM2.5＼＼10數(shù)據(jù)進行識別、記錄、存儲，并形成房間內(nèi)外環(huán)境數(shù)據(jù)分析報告和圖例，實時獲取居室環(huán)境情況。同時利用網(wǎng)絡(luò)物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器集數(shù)據(jù)采集、匯集為一體，可以獨立記錄單點居室數(shù)據(jù)，也可做為匯聚層收集多個居室，跨區(qū)域居室的數(shù)據(jù)，有效了解城市不同區(qū)域環(huán)境情況，提供環(huán)境大數(shù)據(jù)分析參考依據(jù)。未來還可以利用家居設(shè)備設(shè)施的智能化實現(xiàn)進行實時管理居室環(huán)境。

3 系統(tǒng)調(diào)研及可行性分析

3.1 系統(tǒng)調(diào)研

以往的空氣環(huán)境監(jiān)測更偏重于室外，但由于人們大多數(shù)時間是在室內(nèi)，而且近期媒體傳播的室內(nèi)空氣污染如甲醛等層出不窮，人們對室內(nèi)環(huán)境的了解需求更迫切。本系統(tǒng)設(shè)計要實現(xiàn)的功能大致如下：

（1）實現(xiàn)房間的溫度、甲醛、PM2.5＼＼10各項傳感器數(shù)據(jù)的采集、上傳。

（2）實現(xiàn)通過云端服務(wù)器平臺對傳感器各項數(shù)據(jù)進行識別、記錄、存儲。

（3）實現(xiàn)通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)展現(xiàn)功能形成房間內(nèi)外環(huán)境數(shù)據(jù)分析報告，實時獲取居室環(huán)境情況，提供給人們進行實時管理居室環(huán)境。

（4）實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器集數(shù)據(jù)采集、匯集為一體，可以獨立記錄單點居室數(shù)據(jù)，未來推廣后也可做為匯聚層收集多個居室，跨區(qū)域居室的數(shù)據(jù)，有效了解城市不同區(qū)域內(nèi)環(huán)境情況，提供環(huán)境大數(shù)據(jù)分析參考依據(jù)。

（5）將來還可以以此為基礎(chǔ)，構(gòu)建智能家居管理平臺，利用無線通信、自動控制技術(shù)、紅外控制等有關(guān)技術(shù)進行功能拓展，利用家居設(shè)施的智能化實現(xiàn)進行實時管理居室環(huán)境。

3.2 系統(tǒng)總體目標

本系統(tǒng)通過獨特的視角提醒人們關(guān)注日常居室環(huán)境，避免室內(nèi)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(shè)計實現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集和呈現(xiàn)，并通過共享到云服務(wù)器為環(huán)境大數(shù)據(jù)分析提供依據(jù)。同時也考慮后期維護上比較容易，成本低、效率高。

3.3 技術(shù)可行性分析

本系統(tǒng)是一個以傳感器數(shù)據(jù)采集、物聯(lián)網(wǎng)窄帶通信傳輸、數(shù)據(jù)庫應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)平臺分享為一體的數(shù)據(jù)采集、分析管理系統(tǒng)。通過各類傳感器數(shù)據(jù)采集后進行匯聚，采用PHP+MYSQL技術(shù)實現(xiàn)本系統(tǒng)的開發(fā)。PHP語言簡單、功能強大，而MYSQL是一個非常優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，方便使用，性能穩(wěn)定。國內(nèi)外許多知名網(wǎng)站和應(yīng)用均使用該數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)的存儲。

4 系統(tǒng)分析

4.1 系統(tǒng)需求分析

經(jīng)過上述對系統(tǒng)調(diào)研及可行性分析后，下面將對系統(tǒng)在功能設(shè)計上進行進一步的需求分析。

4.1.1功能需求

（1）系統(tǒng)管理功能。

系統(tǒng)管理功能初期設(shè)計的較為簡單，以主要實現(xiàn)基本信息的管理以及系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，主要包括傳感器信息、位置信息、區(qū)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(shù)據(jù)前臺展示功能。

通過WEB應(yīng)用服務(wù)器將設(shè)備數(shù)據(jù)存儲至數(shù)據(jù)庫中，并對各類數(shù)據(jù)，環(huán)境信息進行分析處理，形成區(qū)域、單居室、各小區(qū)的大數(shù)據(jù)環(huán)境平臺。通過應(yīng)用服務(wù)器將這些數(shù)據(jù)展現(xiàn)于互聯(lián)網(wǎng)，供查看某區(qū)域、某居室、某小區(qū)的環(huán)境信息和設(shè)備狀態(tài)，同時也可通過應(yīng)用服務(wù)器一對一的遠程控制設(shè)備的運行狀態(tài)。

4.1.2性能需求

設(shè)備需求：PC機，Winxp、win7、win8、win10操作系統(tǒng)、android、ios系統(tǒng)智能手機、平板終端。

服務(wù)器：云服務(wù)器，Windows2008Server 服務(wù)器系統(tǒng)和Apache為平臺，MYSQL數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

4.2 系統(tǒng)架構(gòu)圖

5 系統(tǒng)設(shè)計

5.1 概要設(shè)計

5.1.1系統(tǒng)功能模塊圖

5.1.2功能模塊簡介

（1）登錄模塊?？筛鶕?jù)需要設(shè)置用戶名和密碼驗證，根據(jù)用戶輸入的帳號信息與數(shù)據(jù)庫中進行匹配。

（2）系統(tǒng)管理?？筛鶕?jù)需要設(shè)置不同的用戶權(quán)限，進入相匹配的管理界面進行操作。

（3）數(shù)據(jù)前臺展示功能?？筛鶕?jù)需要顯示給不同權(quán)限的用戶不同的權(quán)限信息供其訪問操作。一般用戶為例可展現(xiàn)如下信息：

（4）系統(tǒng)管理模塊設(shè)計。管理員可以對用戶信息、傳感器信息、區(qū)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(shù)據(jù)庫設(shè)計

5.3 詳細設(shè)計

5.3.1感知控制層

該層的主要作用是感知居室環(huán)境相關(guān)參數(shù)，記錄電氣設(shè)備的工作狀態(tài)。主要設(shè)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(shè)備采集的數(shù)據(jù)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(shè)備是室內(nèi)核心處理單元，它主要負責(zé)將感知控制層的各種傳感器數(shù)據(jù)進行搜集，將終端發(fā)送來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給服務(wù)器或者向終端轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器的遠程控制命令。

5.3.3互聯(lián)網(wǎng)層

該層主要是將室內(nèi)中央核心處理單元網(wǎng)關(guān)聯(lián)入互聯(lián)網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸。

5.3.4服務(wù)管理層

該層主要作用是物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器，功能包括Web服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器。應(yīng)用服務(wù)器負責(zé)與各個室內(nèi)中央核心處理單元網(wǎng)關(guān)定時通信，通過各室內(nèi)中央核心處理單元獲取各個傳感器采集的數(shù)據(jù)，并及時按照一定格式保存至數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中。而Web服務(wù)器負責(zé)將這些數(shù)據(jù)進行處理分析并展現(xiàn)到互聯(lián)網(wǎng)上，通過手機、計算機、平板等終端查看相關(guān)信息。未來經(jīng)過功能拓展之后，Web服務(wù)器還可以將相關(guān)控制指令的發(fā)送寫入數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，然后由應(yīng)用服務(wù)器將其從數(shù)據(jù)庫取出后發(fā)送給對應(yīng)的室內(nèi)中央核心處理單元網(wǎng)關(guān)，最后由室內(nèi)中央核心處理單元負責(zé)將指令、命令轉(zhuǎn)發(fā)給被控設(shè)備進行相關(guān)智能家居設(shè)施的控制。

5.3.5應(yīng)用層

該層主要包括服務(wù)器、計算機、平板電腦以及智能手機等智能終端設(shè)備。

一是通過瀏覽器實現(xiàn)可以與系統(tǒng)進行遠程交互的人機接口。如果是通過瀏覽器查看居室內(nèi)的相關(guān)信息并進行控制。

二是通過應(yīng)用服務(wù)器對數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中存儲的各傳感器數(shù)據(jù)從多個維度進行分析，將數(shù)據(jù)進行處理分析并展現(xiàn)到互聯(lián)網(wǎng)上、微信等手機APP。

6 系統(tǒng)實現(xiàn)

在房間居室內(nèi)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(shù)據(jù)通過傳送至家庭中央核心處理網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)經(jīng)過識別處理后傳送至互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)器，形成居室的數(shù)據(jù)分析報告等信息。該信息的獲取與設(shè)備的控制通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸，使人們通過終端設(shè)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(nèi)環(huán)境情況。本系統(tǒng)經(jīng)過推廣后，他的另外一個主要特點就是能夠?qū)⒆∈覂?nèi)的各種環(huán)境數(shù)據(jù)采集連接至互聯(lián)網(wǎng)并進行數(shù)據(jù)的存儲、分析、處理、展現(xiàn)。通過WEB應(yīng)用服務(wù)器將設(shè)備數(shù)據(jù)存儲至數(shù)據(jù)庫中，并對各類數(shù)據(jù)，環(huán)境信息進行分析處理，形成區(qū)域、單居室、各小區(qū)的大數(shù)據(jù)環(huán)境平臺。通過應(yīng)用服務(wù)器將這些數(shù)據(jù)展現(xiàn)于互聯(lián)網(wǎng)，供查看某區(qū)域、某居室、某小區(qū)的環(huán)境信息和設(shè)備狀態(tài)，同時也可通過應(yīng)用服務(wù)器一對一的遠程控制設(shè)備的運行狀態(tài)。未來通過功能拓展可以通過應(yīng)用服務(wù)器下發(fā)指令至網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)下發(fā)控命令到紅外控制器實現(xiàn)設(shè)備的控制等功能。未來即可以利用住宅家居的智能化實現(xiàn)進行實時管理居室環(huán)境。

我們以Windows2008Server 為服務(wù)器系統(tǒng)和Apache為平臺，MYSQL為數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，基于PHP：Hypertext Preprocessor的動態(tài)網(wǎng)頁技術(shù)開發(fā)了一個智能室內(nèi)環(huán)境檢測物聯(lián)網(wǎng)平臺。平臺設(shè)計可以由Socket API通信接口、系統(tǒng)配置、遠程監(jiān)控、規(guī)則管理、故障日志、分析模組等功能，初期為便于展現(xiàn)盡量簡化設(shè)計。授權(quán)用戶登錄后只能各自查看各自居室內(nèi)的情況，并根據(jù)用戶的授權(quán)與否決定是否展現(xiàn)于大數(shù)據(jù)分析處理平臺。

系統(tǒng)研制成功后模擬在一些居室、辦公場所內(nèi)安裝試用，每處場所至少安裝一個中央核心處理單元網(wǎng)關(guān)，根據(jù)需求安裝適當?shù)膫鞲衅鳎纾簻囟葌鞲衅?、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(shè)計，特別是初期僅用于展現(xiàn)設(shè)計思路，所以應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和 Web 服務(wù)器均采用租用云服務(wù)器方式解決。

7 結(jié)語

本文基于現(xiàn)代人們對于室內(nèi)空氣環(huán)境質(zhì)量的關(guān)心，設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的微型室內(nèi)健康環(huán)境監(jiān)測分析系統(tǒng)，主要體現(xiàn)了一種利用成熟的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對各類的室內(nèi)空氣環(huán)境數(shù)據(jù)進行采集、分析并形成大數(shù)據(jù)為政府治理提供參考的一種思路。彌補了現(xiàn)在各地方政府大量建設(shè)網(wǎng)格監(jiān)測站只能監(jiān)測室外環(huán)境的不足，通過將來對該系統(tǒng)的推廣，可以統(tǒng)計分析出各小區(qū)或城市不同區(qū)域大概的室內(nèi)空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，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(chǔ)構(gòu)建智能家居管理平臺，利用無線通信、自動控制技術(shù)、紅外控制等有關(guān)技術(shù)進行功能拓展，利用家居設(shè)備的智能化實現(xiàn)家居凈化設(shè)備、家電各設(shè)施的互聯(lián)控制，進行實時管理居室環(huán)境。尤其在一些新建校園、剛裝修完畢的室內(nèi)環(huán)境進行自動干預(yù)控制，實現(xiàn)健康、環(huán)保、節(jié)能的居住環(huán)境改善。

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