基于OneNET云平臺(tái)的多種有害氣體監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)*

*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(hào):D202203101138308908

0   引言

研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)代人全天約有超過(guò)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(duì)封閉的，所以室內(nèi)的環(huán)境質(zhì)量將對(duì)人們的身體狀況產(chǎn)生重大影響。隨著人們對(duì)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(cè)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(huì)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(lái)越多人的喜愛(ài)，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(zhǎng)期可揮發(fā)的特性也對(duì)人們的身體造成了長(zhǎng)久的傷害。隨著人們對(duì)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(cè)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(wú)線監(jiān)測(cè)應(yīng)用中，陳兆剛^[1]針對(duì)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(guò)LabVIEW 建立了上位機(jī)監(jiān)測(cè)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(duì)于家居環(huán)境的有害氣體設(shè)計(jì)了一套監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)，可對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)了宜居等級(jí)的判定和污染源定位的功能；于瑩^[3]針對(duì)各類有害氣體的監(jiān)測(cè)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(duì)室內(nèi)有害氣體利用手機(jī)或上位機(jī)完成監(jiān)測(cè)，上位機(jī)設(shè)計(jì)采用VB 開(kāi)發(fā)，完成數(shù)據(jù)的接收；武士濤^[5]基于OneNET 云平臺(tái)完成有毒有害氣體數(shù)據(jù)的接收儲(chǔ)存，建立了相關(guān)的數(shù)據(jù)界面，可查看氣體的具體檢測(cè)數(shù)據(jù)和歷史變化趨勢(shì)；呂斌等^[6]對(duì)于室內(nèi)有害氣體的監(jiān)測(cè)采用了云端服務(wù)器設(shè)計(jì)，通過(guò)將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)HTTP 鏈接訪問(wèn)實(shí)時(shí)氣體濃度；馬晨瑄^[7]對(duì)于廚房有害氣體的泄露基于阿里云平臺(tái)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和自動(dòng)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(cè)，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(píng)價(jià)系統(tǒng)，對(duì)于室內(nèi)有害氣體的監(jiān)控與管理仍然有限。

針對(duì)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(tái)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種多種有害氣體監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)，針對(duì)室內(nèi)常見(jiàn)的4 種有害氣體濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，基于綜合指數(shù)法建立空氣質(zhì)量評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)可視化頁(yè)面的設(shè)計(jì)完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與空氣質(zhì)量評(píng)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(cè)分析與評(píng)價(jià)，對(duì)于室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測(cè)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(tái)的多種有害氣體監(jiān)測(cè)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(guò)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(guò)Wi-Fi 模塊傳至OneNET 云平臺(tái)上，由OneNET 云平臺(tái)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，利用綜合指數(shù)法完成室內(nèi)空氣質(zhì)量的評(píng)定，最終在設(shè)計(jì)的可視化頁(yè)面上呈現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與評(píng)價(jià)，直觀明了地完成了室內(nèi)多種有害氣體監(jiān)測(cè)與分析的設(shè)計(jì)。

圖1 中，環(huán)境監(jiān)測(cè)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(guò)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(cè)量傳感器，利用STC89C52RC 單片機(jī)處理數(shù)據(jù)，通過(guò)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(tái)上對(duì)采集得到的氣體數(shù)據(jù)進(jìn)行接收與儲(chǔ)存，人們可以對(duì)云平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行訪問(wèn)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(yè)面，系統(tǒng)通過(guò)空氣質(zhì)量評(píng)分模型自動(dòng)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)打分評(píng)價(jià)，從而完成室內(nèi)有害氣體的監(jiān)測(cè)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(cè)分析系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1 OneNET云平臺(tái)的介紹

OneNET 云平臺(tái)由中國(guó)移動(dòng)打造，是一種把應(yīng)用服務(wù)的運(yùn)行和開(kāi)發(fā)環(huán)境作為服務(wù)提供的商業(yè)模式，通過(guò)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(tái)，節(jié)約了開(kāi)發(fā)者完成產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和部署的時(shí)間、成本。

首先在OneNET 云平臺(tái)上注冊(cè)賬號(hào)、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(tái)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(tái)。其中，傳感器檢測(cè)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(huì)傳輸?shù)皆O(shè)備對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)流中，管理者可以在OneNET 云平臺(tái)官網(wǎng)的開(kāi)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(tái)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(cè)設(shè)備主要用來(lái)采集數(shù)據(jù)，選擇了3 種傳感器檢測(cè)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(duì)接；數(shù)據(jù)上傳功能則通過(guò)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(tái)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(cè)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(zhǎng)期停留的房間內(nèi)，以便對(duì)裝修殘留的物質(zhì)進(jìn)行更有效的檢測(cè)；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(píng)分模型

在對(duì)室內(nèi)空氣環(huán)境評(píng)分時(shí)，首先需建立評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，文章使用綜合指數(shù)法完成對(duì)空氣環(huán)境的評(píng)價(jià)。綜合指數(shù)法在各類評(píng)價(jià)方法中的優(yōu)勢(shì)在于方法簡(jiǎn)單并且容易理解。通過(guò)借助檢測(cè)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(lái)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(píng)價(jià)室內(nèi)氣體環(huán)境等級(jí)，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(jí)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(jí)編程語(yǔ)言，主要用于開(kāi)發(fā)交互式的Web 頁(yè)面，可以給網(wǎng)頁(yè)增加各種動(dòng)態(tài)效果。同時(shí)它也是一種面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言，提供了一系列的方法和函數(shù)來(lái)對(duì)網(wǎng)頁(yè)中的標(biāo)簽進(jìn)行操作。利用JavaScript 制作可視化網(wǎng)頁(yè)界面，使用CSS(Cascading Style Sheets) 用來(lái)美化Web 頁(yè)面的顏色、背景、邊框、字體等HTML 元素的外觀，將檢測(cè)得到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)歷史數(shù)據(jù)折線圖與質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果可視化顯示出來(lái)。

3   系統(tǒng)測(cè)試

進(jìn)行測(cè)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(cè)試，測(cè)試電路實(shí)物圖如圖4 所示。通過(guò)系統(tǒng)測(cè)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(cè)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(tái)上傳1 次采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)，通過(guò)可視化頁(yè)面顯示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，如圖5。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)室內(nèi)有害氣體參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和可視化顯示功能，系統(tǒng)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)分析完成了室內(nèi)氣體質(zhì)量的評(píng)定，較好地完成了室內(nèi)有害氣體的監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)提供了參考。

圖4 測(cè)試電路實(shí)物圖

圖5 可視化頁(yè)面設(shè)計(jì)

4   結(jié)束語(yǔ)

良好的室內(nèi)環(huán)境不僅為人們帶來(lái)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(tái)的多種有害氣體監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)，與現(xiàn)有的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)相比增加了評(píng)價(jià)分析系統(tǒng)，功能更加完善。系統(tǒng)利用OneNET 云平臺(tái)存儲(chǔ)檢測(cè)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(guò)綜合指數(shù)法建立室內(nèi)氣體環(huán)境評(píng)分模型完成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析與評(píng)價(jià)，并以可視化的方式顯示出來(lái)，有利于管理人員對(duì)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(duì)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。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年1月期）