◆呂琪

安全模型、算法與編程

基于阿里云IOT的簡易遠程室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

◆呂琪

（江蘇科技大學（鎮(zhèn)江）深藍學院 江蘇 212003）

本文針對室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)復雜度高和互動性低等問題，設(shè)計一種基于阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺的簡易遠程室內(nèi)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)以含有WiFi模塊的Arduino（ESP-32）單片機為核心，通過信息采集和顯示模塊，現(xiàn)場監(jiān)測室內(nèi)環(huán)境參數(shù)變化，并依托阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺（IOT），設(shè)計一個環(huán)境監(jiān)測交互界面，遠程、實時動態(tài)監(jiān)測室內(nèi)環(huán)境。實驗表明，所設(shè)計的系統(tǒng)可以有效監(jiān)測室內(nèi)環(huán)境，并遠程監(jiān)測、反饋環(huán)境信息，達到功能設(shè)計要求。該系統(tǒng)成本低，簡單實用，具有一定的實用價值。

Arduino；阿里云（IOT）；遠程監(jiān)測

濕度是影響人體感官的重要環(huán)境因素之一。長期暴露于低相對濕度的環(huán)境會導致人體淚膜穩(wěn)定性下降，進而致使眼睛干燥，出現(xiàn)高滲和炎癥反應(yīng)；較高濕度的環(huán)境則可以改善用戶睡眠，減少聲帶負擔[1]。此外，相對高的濕度條件能在一定程度上抑制新型冠狀病毒（COVID-19）的有效繁殖，從而降低其傳播率[2]。但是，過高的相對濕度會導致室內(nèi)出現(xiàn)霉菌污染物，從而影響用戶的健康。因此，世界衛(wèi)生組織建議將室內(nèi)相對濕度保持在75%以下[3]。采用室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)測環(huán)境參數(shù)，及時反饋給用戶，可以有效預知因相對濕度問題而出現(xiàn)人體不適的情形。

傳統(tǒng)的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測通常需要復雜電路和諸多設(shè)備器件，并輔以精密的操作，監(jiān)測結(jié)果往往并不能給予用戶及時的反饋，從成本和效用角度來看極為浪費且煩瑣。隨著智能技術(shù)的發(fā)展，逐漸出現(xiàn)了以集成傳感器和計算機技術(shù)為主的溫濕度監(jiān)測方式，此種方式大幅簡化電路，提高了測量精度[4]。

物聯(lián)網(wǎng)（IOT）可實現(xiàn)用戶、物理對象之間不受時空限制互聯(lián)互通。通過互聯(lián)網(wǎng)進行信息交換和通信，可以實現(xiàn)物與物、物與人的泛在連接，從而能夠智能化感知、識別和管理物體和過程。目前，IOT在智能家居、智能交通、公共安全、智能停車場等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[5]。

因此，本系統(tǒng)依托于阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺，以Arduino單片機和集成傳感器為基礎(chǔ)，構(gòu)建一種簡單實用，遠程交互的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。當用戶可以通過阿里云IOT交互界面設(shè)定環(huán)境參數(shù)值后，該監(jiān)測系統(tǒng)殘疾室內(nèi)環(huán)境，比較環(huán)境參數(shù)，并進行現(xiàn)場指示，以及通過釘釘機器人遠程反饋給用戶，從而有效預知不適當?shù)氖覂?nèi)環(huán)境。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

智能監(jiān)測系統(tǒng)由圖1所示構(gòu)成，包含了信息監(jiān)測模塊，信息反饋模塊和阿里云IOT平臺三部分，其中信息監(jiān)測模塊負責傳感器監(jiān)測和數(shù)據(jù)上傳，信息反饋模塊負責處理數(shù)據(jù)，從硬件上做出反饋。阿里云IOT平臺負責接收記錄監(jiān)測終端上傳的數(shù)據(jù)信息以及向用戶端發(fā)送監(jiān)測結(jié)果信息。用戶可以使用手機或電腦等終端設(shè)備在任意地點通過網(wǎng)頁方式實現(xiàn)對室內(nèi)溫濕度監(jiān)測結(jié)果的查看。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計框架

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件部分主要由ESP32主控模塊、紅色食人魚LED模塊和DHT11數(shù)字溫濕度傳感器模塊構(gòu)成。如圖2所示。

DFRobotFireBeetle系列的FireBeetle Board-ESP32為智能監(jiān)測系統(tǒng)的主板，其超低功耗的外圍硬件、小尺寸的兼容性設(shè)計以及豐富的外設(shè)，同時編程方式對于Arduino IDE編程的完全兼容，促使其成為IOT應(yīng)用于低功耗項目的最優(yōu)選擇。

圖2 系統(tǒng)硬件部分

紅色食人魚LED模塊使用食人魚LED，光衰小，視角大，散熱好，使用壽命長，且發(fā)光強度高，適合用于室內(nèi)智能監(jiān)測的要求，同時維修成本低，降低了使用復雜度。另外，當結(jié)合Arduino專用傳感器擴展板和環(huán)境光線傳感器使用時，可實現(xiàn)與光線相關(guān)的互動作品。

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器模塊是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器，其傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，且與一個高性能8位單片機相連接。其體積超小，功耗極低，加之數(shù)據(jù)傳輸距離超長和長期穩(wěn)定性卓越，另外還有響應(yīng)超快、抗干擾能力強，種種優(yōu)勢均使其成為智能監(jiān)測的最佳之選，其性價比極高，從而有效地減小了成本。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件的設(shè)計主要分為監(jiān)測終端的軟件設(shè)計和反饋中心的軟件設(shè)計。

3.1 監(jiān)測終端軟件設(shè)計

監(jiān)測終端軟件流程如圖3所示。

圖3 監(jiān)測終端軟件流程圖

監(jiān)測終端基于Arduino軟件環(huán)境開發(fā)平臺，該平臺支持C語言或C++進行編程。程序經(jīng)過驗證無誤后即可上傳燒錄至硬件設(shè)備，繼而通過用戶的WiFi的通斷來控制硬件設(shè)備。先對模塊進行初始化，設(shè)定數(shù)據(jù)采集接口，配置相關(guān)內(nèi)容，連接阿里云平臺，根據(jù)程序設(shè)定的上報信息和訂閱信息對接收到的信息進行處理。當接收到訂閱消息時，系統(tǒng)根據(jù)函數(shù)的設(shè)置來控制硬件設(shè)備，同時將控制結(jié)果信息上報至云端，方便用戶通過移動端查看監(jiān)測結(jié)果。圖4程序中，系統(tǒng)通過對燈的開關(guān)進行編程實現(xiàn)LED燈亮暗的控制。

圖4 燈開關(guān)編程

3.2 反饋中心軟件設(shè)計

反饋中心基于阿里云IOT平臺，該平臺可以直接管理設(shè)備，并提供豐富的開發(fā)服務(wù)。在平臺的項目下創(chuàng)建產(chǎn)品，自定義產(chǎn)品的溫濕度監(jiān)測功能和提示燈的指示功能用于系統(tǒng)的監(jiān)測和反饋，在功能定義下具體設(shè)置溫濕度的取值范圍和數(shù)據(jù)類型來監(jiān)測所需范圍內(nèi)的環(huán)境因素及其精確度。另外，為產(chǎn)品配備設(shè)備以實現(xiàn)后續(xù)的節(jié)點操作。

在可視化Web應(yīng)用開發(fā)中，對監(jiān)測界面進行設(shè)計，配置實時曲線和卡片以便觀察實時溫濕度及其一段時間內(nèi)的變化趨勢，同時按鈕標簽組將溫濕度監(jiān)測結(jié)果合二為一，可以選擇觀測。另外，指示燈將硬件的反饋結(jié)果顯示在云端界面，實現(xiàn)了移動端的統(tǒng)一管理。

在業(yè)務(wù)邏輯服務(wù)中，通過編排設(shè)備觸發(fā)、路徑選擇、釘釘機器人和溫濕度監(jiān)測等節(jié)點形成一條編排流來實現(xiàn)系統(tǒng)反饋。如圖5所示，設(shè)置監(jiān)測選擇觸發(fā)條件為濕度，使用路徑選擇節(jié)點對輸入相對濕度變量進行路徑配置從而達成相對濕度的范圍與反饋相匹配的結(jié)果。

圖5 編排流

4 系統(tǒng)調(diào)試與結(jié)果分析

通過放置該系統(tǒng)于室內(nèi)，驗證其功能。

4.1 系統(tǒng)現(xiàn)場監(jiān)測

由圖6，當室內(nèi)相對濕度不小于75%RH時，硬件設(shè)備中LED燈亮；反之，LED燈滅。

圖6 硬件圖（左：相對濕度75%RH，右：相對濕度75%RH）

4.2 云端遠程監(jiān)測

（1）云端數(shù)據(jù)顯示

當相對濕度不小于75%RH時，如圖7所示，用戶界面中提示燈亮，提醒用戶濕度過大，及時通風透氣祛濕，以保證相對濕度合理。相反，當相對濕度小于75%時，由圖8可見，用戶界面中提示燈熄滅，表示相對濕度在適宜的范圍內(nèi)，可滿足日常的作息。

圖7 相對濕度75%RH用戶界面（左：相對濕度，右：溫度）

圖8 相對濕度75%RH用戶界面（左：相對濕度，右：溫度）

（2）用戶設(shè)定參數(shù)與信息反饋

用戶可在節(jié)點配置下的路徑配置中更改環(huán)境對比參數(shù)，由圖9所示，本系統(tǒng)設(shè)置判斷為相對濕度是否小于75%RH。

圖9 節(jié)點配置

當相對濕度小于75%RH時，如圖10，釘釘機器人在群內(nèi)發(fā)出提醒“濕度在合理范圍！”；反之，硬件及監(jiān)測界面指示燈亮。

圖10 釘釘機器人提醒

由圖6至圖10可見，系統(tǒng)運行正常，并且可以實時記錄室內(nèi)環(huán)境的溫度和相對濕度及其變化趨勢，進而對監(jiān)測結(jié)果進行處理反饋。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)的各項功能都達到了實用的要求。

5 結(jié)束語

從實驗結(jié)果可見，基于阿里云IOT的簡易遠程室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，能較好地實現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時采集和上傳。系統(tǒng)以極少的硬件設(shè)備簡化了用戶的管理和使用；以移動端訪問形式精簡了用戶獲取室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測結(jié)果的方式。同時免費開放的服務(wù)平臺使技術(shù)開發(fā)的難度和成本都大幅度降低。憑借IOT技術(shù)的發(fā)展和阿里云IOT平臺的開放共享，系統(tǒng)將適應(yīng)未來自動化智能家居技術(shù)的發(fā)展趨勢。

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