馮波

（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院電子工程學院，陜西西安 710300）

人們的日常生活和工作通常在室內(nèi)空間（包括辦公室、家庭居室、教室、酒店、商場等場所的內(nèi)部空間）進行，在日常生活工作過程中，人們的身心健康受到室內(nèi)的光、熱、空氣品質(zhì)等因素的直接影響，現(xiàn)代城市的快節(jié)奏特征逐漸延長了人們在室內(nèi)的活動時間。隨著人們對室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量要求的不斷提高，尤其是在空氣質(zhì)量問題日益突出的背景下，人們對室內(nèi)空氣環(huán)境污染問題的重視程度不斷提高，對室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測及控制系統(tǒng)提出了新的挑戰(zhàn)，良好的空氣質(zhì)量有利于提高日常生活品質(zhì)及工作效率，有效的室內(nèi)有害氣體檢測系統(tǒng)成為提高舒適健康的工作和生活環(huán)境的重要手段。

1 需求分析

不斷提高的科技水平及物質(zhì)生活水平促使人們對精神世界的追求不斷提高，更加追求生活的高品質(zhì)和高舒適度，在發(fā)展過程中，出現(xiàn)的各種環(huán)境污染問題以及內(nèi)部樓體的裝修為室內(nèi)生活環(huán)境質(zhì)量帶來了不同程度的影響，人們對智能家居建設(shè)與實現(xiàn)的重視程度不斷提高，室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測成為領(lǐng)域內(nèi)的一項研究重點。作為智能家居系統(tǒng)中的重要構(gòu)成，環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崟r檢測到的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)提供給用戶，并輔助用戶對室內(nèi)環(huán)境進行科學合理的控制，傳統(tǒng)針對室內(nèi)有害氣體的檢測系統(tǒng)普遍存在對室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量的持續(xù)實時監(jiān)測評估能力不高、操作過程較為復(fù)雜等方面的問題，大多采用不聯(lián)網(wǎng)的單點設(shè)備作為分布于室內(nèi)的環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測裝置，不利于遠程在線實時監(jiān)測功能的有效實現(xiàn)，部分能夠聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測室內(nèi)環(huán)境的設(shè)備大多因需自行部署服務(wù)器而增加了系統(tǒng)的開發(fā)和使用成本[1]。文中主要通過充分利用OneNET 開放平臺的豐富功能設(shè)計并實現(xiàn)了一種室內(nèi)有害氣體智能監(jiān)測與評價系統(tǒng)，以室內(nèi)溫濕度、粉塵濃度等參數(shù)作為主要監(jiān)測對象，在實現(xiàn)檢測功能實時準確的同時降低了開發(fā)和使用成本，該系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和實際應(yīng)用價值。

2 基于OneNET 平臺的室內(nèi)有害氣體智能控制系統(tǒng)設(shè)計

隨著互聯(lián)網(wǎng)同物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)間相互融合與滲透的不斷深入，運營商管道為物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)向客戶端和應(yīng)用端的延伸提供了支撐，端（指感知網(wǎng)絡(luò)和終端）、管（指智能融合的網(wǎng)絡(luò)）、云（指業(yè)務(wù)云化的平臺）的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)正在不斷完善并為日常生產(chǎn)生活帶來了巨大的便利。呈現(xiàn)出層次化與多樣性特點的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用由包括智能設(shè)備和智能網(wǎng)關(guān)在內(nèi)的設(shè)備域（由傳感器、執(zhí)行器等集成）、平臺域（即物聯(lián)網(wǎng)開放平臺）、由開放平臺集中孵化的應(yīng)用域、各類應(yīng)用和管理服務(wù)（由豐富的服務(wù)終端承載）等構(gòu)成。以智能家居為例，現(xiàn)階段包括對人和物的各種應(yīng)用和傳感器終端在內(nèi)的家庭終端正逐步呈現(xiàn)出多樣性，在家庭端網(wǎng)絡(luò)中家庭網(wǎng)關(guān)在物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)下正在向業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān)發(fā)展。文中基于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用典型的三層框架通過OneNET 平臺和B/S 架構(gòu)的使用完成了室內(nèi)有害氣體檢測控制系統(tǒng)的設(shè)計，系統(tǒng)架構(gòu)示意圖如圖1 所示，室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)由分布于室內(nèi)的各個終端設(shè)備完成采集后同OneNET 平臺進行交互，由OneNET 平臺將接收到的環(huán)境數(shù)據(jù)推送給監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器，最終在用戶端的Web 頁面動態(tài)呈現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)，幫助用戶隨時隨地掌握室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)信息，并據(jù)此采取一系列的環(huán)境干預(yù)措施實現(xiàn)對室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量的有效控制，構(gòu)建起安全舒適的室內(nèi)環(huán)境[2-3]。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)示意圖

3 室內(nèi)有害氣體智能控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1 終端設(shè)計與標準化接入

系統(tǒng)設(shè)備端的主要功能在于實現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)到OneNET 平臺的傳送、接收指令及動作執(zhí)行3 大功能，選用了麒麟座V2.4 開發(fā)板（STM32系列芯片），能夠同各類傳感器進行有效對接，從而實現(xiàn)對室內(nèi)環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)（包括溫濕度、粉塵濃度等）進行實時準確的采集，數(shù)據(jù)上傳功能則通過使用ESP8266 模塊實現(xiàn)，通過驅(qū)動繼電器實現(xiàn)對接入智能家居系統(tǒng)內(nèi)的各種設(shè)備開關(guān)的有效控制，設(shè)備終端架構(gòu)示意圖如圖2 所示。OneNET 平臺的應(yīng)用架構(gòu)如圖3 所示，基于TCP 的增強型設(shè)備協(xié)議(EDP)作為物聯(lián)網(wǎng)平臺接入?yún)f(xié)議的一種，具有完全開放的特點，可有效滿足智能家居系統(tǒng)的通信需求，由于EDP 協(xié)議僅能確保數(shù)據(jù)包到目的地的傳輸，無法保證到達順序同傳輸順序相一致（如在客戶端有兩個請求同時發(fā)起的情況下難以保證服務(wù)器按照發(fā)起順序返回消息），需在上層邏輯實現(xiàn)事務(wù)機制?；贓DP SDK（由設(shè)備層提供，負責向OneNET 報告業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)點）實現(xiàn)EDP 協(xié)議，業(yè)務(wù)應(yīng)用層能夠?qū)ESTful API（基于HT-TP 協(xié)議）提供的設(shè)備、數(shù)據(jù)點、命令控制和其他資源管理在內(nèi)的資源進行操作，從而實現(xiàn)定制系統(tǒng)業(yè)務(wù)平臺的功能。

圖2 設(shè)備終端架構(gòu)示意圖

圖3 OneNET 平臺的應(yīng)用架構(gòu)

根據(jù)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)模型的分析結(jié)果，“設(shè)備-數(shù)據(jù)流-數(shù)據(jù)點”模型（由OneNET 平臺提供）更適用于文中所構(gòu)建系統(tǒng)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)存儲，系統(tǒng)的硬件設(shè)備（包括溫濕度/PM2.5/粉塵傳感器、ESP8266 模塊、蜂鳴器、LED 燈等）同STM32 開發(fā)板連接，STM32 主程序流程圖如圖4 所示，其需完成系統(tǒng)初始化（包括系統(tǒng)時鐘及外圍硬件、GPIO 和中斷結(jié)構(gòu)的初始化）、時鐘及中斷配置，并對環(huán)境數(shù)據(jù)進行循環(huán)上傳，在此基礎(chǔ)上監(jiān)聽上層發(fā)布的指令并據(jù)此作出相應(yīng)的響應(yīng)動作。系統(tǒng)時鐘配置為支持72 MHz 的STM32F103，可在顯著提高系統(tǒng)終端環(huán)境數(shù)據(jù)采集和上傳的實時性能的同時確保指令接收及執(zhí)行操作的準確性[4-5]。

圖4 STM32 主程序流程圖

3.2 基于OneNET 的控制系統(tǒng)的使用流程

OneNET 自帶的編排設(shè)計方法（模版式）為實現(xiàn)系統(tǒng)從設(shè)備端接入到應(yīng)用端提供了開發(fā)思路及技術(shù)支撐，有效提升了設(shè)備的上云速度及應(yīng)用的孵化速度，文中在設(shè)備端完成對訪問代碼的編寫，主要實現(xiàn)了協(xié)議封裝、數(shù)據(jù)采集于上傳等功能，以標準接入流程和設(shè)計方法（由OneNET 平臺提供）為依據(jù)完成設(shè)備到OneNET 平臺的有效接入，該過程主要包括登錄注冊、新建項目、新增設(shè)備和數(shù)據(jù)流、上傳并查看數(shù)據(jù)、新增應(yīng)用幾個主要步驟，需先在OneNET 平臺官網(wǎng)(http:∥open.iot.10086.cn)上完成用戶注冊后再接入檢測所需使用設(shè)備，并在設(shè)備下添加新數(shù)據(jù)流，用戶可根據(jù)實際需要在帳戶下添加新項目以及相應(yīng)的新設(shè)備[6-7]。終端數(shù)據(jù)成功上傳后即可在平臺相應(yīng)數(shù)據(jù)流中完成數(shù)據(jù)點的生成，用戶能夠定制個性化應(yīng)用程序（在應(yīng)用程序孵化器中發(fā)布）以便更直觀地呈現(xiàn)數(shù)據(jù)的變化情況。在OneNET 平臺官網(wǎng)開發(fā)者中心即可查看上傳的數(shù)據(jù)流，成功接入平臺后的數(shù)據(jù)顯示結(jié)果如圖5 所示（以濕度查看為例）。用戶通過瀏覽器應(yīng)用程序監(jiān)控溫濕度、粉塵及PM2.5 濃度等數(shù)據(jù)并查看設(shè)備端上傳數(shù)據(jù)的動態(tài)展示結(jié)果。服務(wù)器從OneNET 平臺中完成數(shù)據(jù)信息的拉取及控制信息的推送（通過API 接口完成），然后，在前端網(wǎng)頁上實時展現(xiàn)，以供用戶監(jiān)測、控制室內(nèi)環(huán)境使用。添加觸發(fā)器完成報警規(guī)則及異常環(huán)境數(shù)據(jù)閾值的設(shè)置，在檢測結(jié)果超過閾值時及時發(fā)出報警信息。綜合運用HTML、CSS 和bootstrap 框架完成瀏覽器頁面的設(shè)計，采用HTML 和CSS 設(shè)計實現(xiàn)的系統(tǒng)界面，以表盤+數(shù)據(jù)的形式直觀反應(yīng)數(shù)據(jù)的變化，應(yīng)用端展示通過直接嵌入OneNET 平臺中生成的應(yīng)用來實現(xiàn)，便于用戶監(jiān)測室內(nèi)環(huán)境，同時通過調(diào)用實時天氣控件展示室外天氣狀況[8-9]。

圖5 成功接入平臺后的數(shù)據(jù)顯示結(jié)果

4 系統(tǒng)功能測試

通過設(shè)計實驗檢測文中所設(shè)計的數(shù)據(jù)交換中心（基于OneNET 平臺）、設(shè)備端（用于采集與上傳環(huán)境數(shù)據(jù)）及應(yīng)用端（用于實時呈現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)）幾個主要模塊功能的有效性，室內(nèi)有害氣體檢測系統(tǒng)硬件設(shè)備搭建，分別為麒麟座V2.4 開發(fā)板整體（負責采集溫濕度數(shù)據(jù)并向OneNET 平臺上傳）、Arduino 開發(fā)板整體、光學粉塵濃度檢測傳感器（型號為GPYY1010AU0F，接入Arduino 開發(fā)板，負責對粉塵及PM2.5 濃度數(shù)據(jù)進行采集）、面包板（用于接入電阻和電容）、ESP8266 通信模塊，通過電腦顯示應(yīng)用端Web 界面[10-11]。設(shè)備端每隔5 s 向OneNET 平臺上傳一次采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)，通過查詢平臺上開發(fā)者中心驗證了該上傳頻率設(shè)置的有效性。在空氣加濕器上放置硬件采集設(shè)備，停留1～2 s 后產(chǎn)生波動的濕度數(shù)據(jù)采集結(jié)果如圖6 所示；在熱水杯旁邊放置硬件采集設(shè)備一段時間再挪開后的溫度數(shù)據(jù)采集結(jié)果如圖7 所示，溫度數(shù)據(jù)折線逐漸下降；濕度會隨著溫度的降低而升高，相應(yīng)變化情況如圖8 所示，體現(xiàn)了異常情況下溫、濕度的關(guān)系(溫度與濕度通常成正相關(guān))[12-13]。開發(fā)者可從溫濕度及粉塵濃度的表現(xiàn)規(guī)律出發(fā)提高火災(zāi)險情判斷的準確性。室內(nèi)粉塵及PM2.5 濃度測試結(jié)果如圖9 所示，當前可吸入顆粒物濃度維持在140 左右，室內(nèi)空氣質(zhì)量為優(yōu)。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)實現(xiàn)了對室內(nèi)環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)的實時檢測和顯示功能，實現(xiàn)了遠程實時在線監(jiān)測過程，根據(jù)觸發(fā)器設(shè)置報警規(guī)則，可在檢測結(jié)果超過預(yù)設(shè)閾值時（如室內(nèi)濕度超過60% RH）發(fā)出消息警報，同時，向用戶預(yù)留手機號碼中發(fā)送消息，可實時推送和發(fā)布報警信息，為進一步優(yōu)化智能家居的環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)提供參考，具有較好的普適性和推廣價值[14-15]。

圖6 濕度數(shù)據(jù)折線圖

圖7 溫度數(shù)據(jù)折線圖

圖8 伴隨溫度變化的濕度折線圖

圖9 粉塵及PM2.5濃度折線圖

5 結(jié)束語

不斷發(fā)展完善的物聯(lián)網(wǎng)開放平臺應(yīng)用服務(wù)體系為智能化感知、識別和管理物品過程在內(nèi)的智能家居的實現(xiàn)提供了有力的支撐，文中提出了一種室內(nèi)有害氣體智能檢測系統(tǒng)的設(shè)計方案，采用OneNET平臺作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換中樞，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r高效地完成對室內(nèi)相關(guān)環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)的采集和檢測，再將這些采集到的數(shù)據(jù)進行封裝打包處理，然后，以標準EDP 數(shù)據(jù)包形式通過網(wǎng)絡(luò)上傳到OneNET 平臺，通過OneNET 中的模板式組件實現(xiàn)對監(jiān)測應(yīng)用的快速開發(fā)，系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)器通過使用RESTful API便捷高效地獲取終端采集數(shù)據(jù)，并在應(yīng)用端頁面動態(tài)顯示數(shù)據(jù)信息[16]。