*基金項(xiàng)目:大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目,項(xiàng)目編號:D202203101138308908

0   引言

研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)代人全天約有超過80% 以上的時(shí)間在室內(nèi)工作、學(xué)習(xí)或休息，由于室內(nèi)環(huán)境是相對封閉的，所以室內(nèi)的環(huán)境質(zhì)量將對人們的身體狀況產(chǎn)生重大影響。隨著人們對生活品質(zhì)要求的不斷提高，高效且直觀的室內(nèi)有害氣體監(jiān)測分析系統(tǒng)將成為提高工作和生活環(huán)境舒適性和健康性的重要手段。

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和環(huán)境保護(hù)的需要，以煤氣、甲烷等可燃?xì)怏w為代表的清潔能源受到越來越多人的喜愛，但同時(shí)也產(chǎn)生了很多安全隱患，如因可燃?xì)怏w泄漏而造成的爆炸事故、煤氣中毒等。另外，室內(nèi)裝修殘留的甲醛和氨氣等物質(zhì)由于長期可揮發(fā)的特性也對人們的身體造成了長久的傷害。隨著人們對生活高品質(zhì)以及舒適度追求的提高，室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測與分析成為領(lǐng)域內(nèi)的一項(xiàng)研究重點(diǎn)。

在室內(nèi)有害氣體的無線監(jiān)測應(yīng)用中，陳兆剛^[1]針對室內(nèi)主要的污染氣體一氧化碳、甲醛、臭氧和二氧化硫通過LabVIEW 建立了上位機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)虛擬儀器的顯示；齊麗靜等^[2]對于家居環(huán)境的有害氣體設(shè)計(jì)了一套監(jiān)測分析系統(tǒng)，可對監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)了宜居等級的判定和污染源定位的功能；于瑩^[3]針對各類有害氣體的監(jiān)測設(shè)計(jì)了PC 用戶監(jiān)控軟件，并分為用戶管理模塊、TCP 通信模塊、狀態(tài)更新模塊等五大模塊進(jìn)行管理；劉俊琪等^[4]針對室內(nèi)有害氣體利用手機(jī)或上位機(jī)完成監(jiān)測，上位機(jī)設(shè)計(jì)采用VB 開發(fā)，完成數(shù)據(jù)的接收；武士濤^[5]基于OneNET 云平臺完成有毒有害氣體數(shù)據(jù)的接收儲存，建立了相關(guān)的數(shù)據(jù)界面，可查看氣體的具體檢測數(shù)據(jù)和歷史變化趨勢；呂斌等^[6]對于室內(nèi)有害氣體的監(jiān)測采用了云端服務(wù)器設(shè)計(jì)，通過將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)了通過HTTP 鏈接訪問實(shí)時(shí)氣體濃度；馬晨瑄^[7]對于廚房有害氣體的泄露基于阿里云平臺系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和自動化數(shù)據(jù)處理。上述方法都在不同程度上完成了有害氣體數(shù)據(jù)的監(jiān)測，少數(shù)具有后續(xù)的數(shù)據(jù)分析處理，但都缺乏完善的評價(jià)系統(tǒng)，對于室內(nèi)有害氣體的監(jiān)控與管理仍然有限。

針對目前相關(guān)研究的不足，從實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā)，文章基于OneNET 云平臺設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種多種有害氣體監(jiān)測分析系統(tǒng)，針對室內(nèi)常見的4 種有害氣體濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，基于綜合指數(shù)法建立空氣質(zhì)量評分標(biāo)準(zhǔn)，通過可視化頁面的設(shè)計(jì)完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與空氣質(zhì)量評價(jià)的直觀顯示，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)四大有害氣體的監(jiān)測分析與評價(jià)，對于室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1   系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于OneNET 云平臺的多種有害氣體監(jiān)測分析系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示，系統(tǒng)由3 個(gè)環(huán)境終端傳感器采集數(shù)據(jù)，通過模塊化設(shè)計(jì)分布于室內(nèi)各處，由核心控制元件處理后通過Wi-Fi 模塊傳至OneNET 云平臺上，由OneNET 云平臺將數(shù)據(jù)存儲，利用綜合指數(shù)法完成室內(nèi)空氣質(zhì)量的評定，最終在設(shè)計(jì)的可視化頁面上呈現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)與評價(jià)，直觀明了地完成了室內(nèi)多種有害氣體監(jiān)測與分析的設(shè)計(jì)。

圖1 中，環(huán)境監(jiān)測終端設(shè)備主要負(fù)責(zé)采集有害氣體數(shù)據(jù)信息，通過MQ-9 氣敏傳感器、ZE08-CH2O 甲醛傳感器、MQ-137 氨氣傳感器作為一氧化碳與甲烷、甲醛、氨氣濃度測量傳感器，利用STC89C52RC 單片機(jī)處理數(shù)據(jù)，通過Wi-Fi 通信模塊完成數(shù)據(jù)傳輸，供電模塊供電；在OneNET 云平臺上對采集得到的氣體數(shù)據(jù)進(jìn)行接收與儲存，人們可以對云平臺數(shù)據(jù)庫進(jìn)行訪問或?qū)ο嚓P(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行下載及歷史數(shù)據(jù)的回放；建立可視化的數(shù)據(jù)顯示頁面，系統(tǒng)通過空氣質(zhì)量評分模型自動對監(jiān)測數(shù)據(jù)打分評價(jià)，從而完成室內(nèi)有害氣體的監(jiān)測與分析工作。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

2   室內(nèi)有害氣體監(jiān)測分析系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1 OneNET云平臺的介紹

OneNET 云平臺由中國移動打造，是一種把應(yīng)用服務(wù)的運(yùn)行和開發(fā)環(huán)境作為服務(wù)提供的商業(yè)模式，通過在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和真實(shí)設(shè)備之間搭建起高效、穩(wěn)定、安全的應(yīng)用平臺，節(jié)約了開發(fā)者完成產(chǎn)品開發(fā)和部署的時(shí)間、成本。

首先在OneNET 云平臺上注冊賬號、用戶登錄、新建項(xiàng)目、新增設(shè)備和數(shù)據(jù)流。單片機(jī)接入OneNET 云平臺后，能利用提供的網(wǎng)絡(luò)傳輸服務(wù)實(shí)現(xiàn)信息傳遞，被賦予了遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。采用HTTP 協(xié)議傳輸傳感器采集的有害氣體數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)上傳到OneNET 云平臺。其中，傳感器檢測到的各類氣體濃度數(shù)據(jù)是不同的數(shù)據(jù)流，具體每個(gè)時(shí)刻的數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)點(diǎn)，數(shù)據(jù)流會傳輸?shù)皆O(shè)備對應(yīng)的數(shù)據(jù)流中，管理者可以在OneNET 云平臺官網(wǎng)的開發(fā)者中心查看并下載記錄，完成多種有害氣體濃度數(shù)據(jù)的采集與回放。OneNET 云平臺的數(shù)據(jù)處理如圖2 所示。

圖2 OneNET數(shù)據(jù)處理

2.2 終端傳感器設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的環(huán)境終端監(jiān)測設(shè)備主要用來采集數(shù)據(jù)，選擇了3 種傳感器檢測室內(nèi)的有害氣體，選用51 單片機(jī)同各類傳感器進(jìn)行有效對接；數(shù)據(jù)上傳功能則通過使用ESP8266 模塊實(shí)現(xiàn)；基于HTTP 協(xié)議將數(shù)據(jù)傳送至云平臺上。HTTP（Hyper Text Transfer Protocol）協(xié)議的應(yīng)用特點(diǎn)為只能用于數(shù)據(jù)上報(bào)，而不能下發(fā)命令，是一種應(yīng)用層協(xié)議，適合本系統(tǒng)的使用。

將MQ-9 氣敏傳感器放置在廚房煤氣罐附近，可以更加準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地監(jiān)測煤氣泄露的情況；將ZE08-CH₂O 甲醛傳感器、MQ-137 氨氣傳感器放置在室內(nèi)裝修不久后的或者長期停留的房間內(nèi)，以便對裝修殘留的物質(zhì)進(jìn)行更有效的檢測；房間之間設(shè)置路由節(jié)點(diǎn)作為中繼模塊完成數(shù)據(jù)的傳遞。

圖3 HTTP協(xié)議應(yīng)用框架

2.3 評分模型

在對室內(nèi)空氣環(huán)境評分時(shí)，首先需建立評分標(biāo)準(zhǔn)，文章使用綜合指數(shù)法完成對空氣環(huán)境的評價(jià)。綜合指數(shù)法在各類評價(jià)方法中的優(yōu)勢在于方法簡單并且容易理解。通過借助檢測得到的有害氣體濃度與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定的有害氣體濃度的比值來反映有害氣體造成的空氣污染，之后根據(jù)計(jì)算得到的指數(shù)I 即可評價(jià)室內(nèi)氣體環(huán)境等級，具體計(jì)算步驟如下所示。

步驟1：計(jì)算單一有害氣體的指數(shù)Ii ，如式(1) 所示，其中C_i表示有害氣體的濃度， C_Bi表示標(biāo)準(zhǔn)有害氣體的濃度。

步驟2：計(jì)算多種有害氣體指標(biāo)中的最大值。

步驟3：計(jì)算各個(gè)有害氣體指數(shù)的算術(shù)平均值。

步驟4：綜合考慮求得的最大因子指數(shù)和算數(shù)平均指數(shù)，并突出最大因子指數(shù)。

表1 室內(nèi)空氣品質(zhì)分級描述

2.4 數(shù)據(jù)可視化

JS（JavaScript）是一種解釋型或即時(shí)編譯型的高級編程語言，主要用于開發(fā)交互式的Web 頁面，可以給網(wǎng)頁增加各種動態(tài)效果。同時(shí)它也是一種面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，提供了一系列的方法和函數(shù)來對網(wǎng)頁中的標(biāo)簽進(jìn)行操作。利用JavaScript 制作可視化網(wǎng)頁界面，使用CSS(Cascading Style Sheets) 用來美化Web 頁面的顏色、背景、邊框、字體等HTML 元素的外觀，將檢測得到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過歷史數(shù)據(jù)折線圖與質(zhì)量評價(jià)結(jié)果可視化顯示出來。

3   系統(tǒng)測試

進(jìn)行測試時(shí)，先將系統(tǒng)硬件搭建好，再調(diào)試好軟件。在給系統(tǒng)通電以后，就可以進(jìn)行一系列測試，測試電路實(shí)物圖如圖4 所示。通過系統(tǒng)測試，基于51 單片機(jī)連接多種傳感器采集室內(nèi)有害氣體數(shù)據(jù)完成室內(nèi)有害氣體檢測系統(tǒng)硬件設(shè)備的搭建，采用ESP8266 通信模塊，以固定間隔時(shí)間每5 s 向OneNET 平臺上傳1 次采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)，通過可視化頁面顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)，如圖5。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對室內(nèi)有害氣體參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和可視化顯示功能，系統(tǒng)對監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動分析完成了室內(nèi)氣體質(zhì)量的評定，較好地完成了室內(nèi)有害氣體的監(jiān)測與分析一體化設(shè)計(jì)，為進(jìn)一步優(yōu)化室內(nèi)的空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)提供了參考。

圖4 測試電路實(shí)物圖

圖5 可視化頁面設(shè)計(jì)

4   結(jié)束語

良好的室內(nèi)環(huán)境不僅為人們帶來了健康舒適的生活條件，還提高了人們的工作效率和生活滿意度。文章設(shè)計(jì)了一種基于OneNET 云平臺的多種有害氣體監(jiān)測分析系統(tǒng)，與現(xiàn)有的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測相比增加了評價(jià)分析系統(tǒng)，功能更加完善。系統(tǒng)利用OneNET 云平臺存儲檢測得到的室內(nèi)相關(guān)環(huán)境數(shù)據(jù)，即作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理中樞，通過綜合指數(shù)法建立室內(nèi)氣體環(huán)境評分模型完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析與評價(jià)，并以可視化的方式顯示出來，有利于管理人員對室內(nèi)有害氣體數(shù)據(jù)的掌握與控制，進(jìn)一步促進(jìn)了人們對美好生活的向往，為人們的生命財(cái)產(chǎn)安全提供了堅(jiān)實(shí)保障。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳兆剛.室內(nèi)有害氣體監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程,2015,44(6):82-85.

[2] 于瑩.一種有害氣體智能監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用,2016(5):192.

[3] 齊麗靜,戴靜.家居環(huán)境監(jiān)測分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科技與創(chuàng)新,2016(24):89-90.

[4] 劉俊琪,王黎明,侯亮,等.基于有害氣體的物聯(lián)網(wǎng)檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].無線互聯(lián)科技,2017(11):33-34.

[5] 武士濤. 基于云平臺的有毒有害氣體監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].哈爾濱:哈爾濱理工大學(xué),2019.

[6] 呂斌,孫玉國.室內(nèi)有害氣體云端監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].軟件,2019,40(12):158-162.

[7] 馬晨瑄.廚房有害氣體的泄露報(bào)警器設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù),2021,50(11):12-13.

[8] GB/T 18883-2002,室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[S].

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年1月期）