趙曉慶，閆卓宜，劉世兵，劉 波

（山東工商學(xué)院 信息與電子工程學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264005）

0 引 言

近年來(lái)，校園、小區(qū)等小環(huán)境內(nèi)的空氣污染愈發(fā)嚴(yán)重，對(duì)人們的日常生活造成了極大危害，快速部署小型空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)有害氣體進(jìn)行監(jiān)測(cè)尤為重要[1]。目前大部分空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用的方法是部署包括自建服務(wù)器在內(nèi)的一整套獨(dú)立系統(tǒng)[2]，但針對(duì)區(qū)域內(nèi)的空氣監(jiān)測(cè)，采用該方法存在系統(tǒng)部署難、維護(hù)成本高等問(wèn)題[3]。

隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)和云平臺(tái)技術(shù)成為解決小環(huán)境內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)的重要手段之一[4-6]。借助云平臺(tái)管理監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，快速部署小環(huán)境內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，構(gòu)建“端-網(wǎng)-云-用”智能結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)集聚生態(tài)。

本文基于透?jìng)髟破脚_(tái)設(shè)計(jì)了一種小型空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)小環(huán)境內(nèi)的可吸入顆粒物（PM2.5）、總揮發(fā)性有機(jī)物（TVOC）、甲醛（CH2O）、等效二氧化碳（eCO2），設(shè)備便攜且監(jiān)測(cè)誤差小。系統(tǒng)通過(guò)傳感器采集局部區(qū)域內(nèi)有害氣體的濃度，利用低功耗無(wú)線傳輸技術(shù)將監(jiān)測(cè)值發(fā)送至接入的云端服務(wù)器，采用瀏覽器及移動(dòng)APP客戶端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，不受地區(qū)限制。

1 透?jìng)髟?/h2>

1.1 云平臺(tái)

云平臺(tái)是以互聯(lián)網(wǎng)為核心，面向物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)者、軟件開(kāi)發(fā)者和企業(yè)客戶的物聯(lián)網(wǎng)軟硬件平臺(tái)。云平臺(tái)提供多種接入?yún)f(xié)議和方案，完成硬件設(shè)備與云端的數(shù)據(jù)交互；提供自動(dòng)處理和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)等服務(wù)，實(shí)現(xiàn)零編程處理；提供客戶端二次開(kāi)發(fā)接口，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)快速應(yīng)用。

云平臺(tái)種類繁多，目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上應(yīng)用較多的有QQ物聯(lián)、機(jī)智云、百度智能云、阿里云、中國(guó)移動(dòng)OneNET和有人透?jìng)髟频取Q物聯(lián)必須關(guān)聯(lián)手機(jī)QQ客戶端，進(jìn)行用戶與設(shè)備、設(shè)備與設(shè)備之間的互聯(lián)互通，對(duì)脫離QQ軟件的用戶而言使用不便[7]；機(jī)智云在進(jìn)行移動(dòng)客戶端開(kāi)發(fā)時(shí)，手機(jī)和硬件設(shè)備必須連接同一網(wǎng)絡(luò)，對(duì)使用不同網(wǎng)絡(luò)的用戶而言使用不便[8]；針對(duì)小環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)，百度智能云、阿里云、中國(guó)移動(dòng)OneNET的使用和維護(hù)費(fèi)用較高；有人透?jìng)髟篇?dú)立于其他軟件，避免了網(wǎng)絡(luò)共用，能有效降低研發(fā)成本，在小型物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有更好的應(yīng)用前景。

1.2 透?jìng)髟苹驹?/h3>

透?jìng)髟剖怯腥宋锫?lián)網(wǎng)技術(shù)有限公司打造的一站式云服務(wù)系統(tǒng)[9]，其核心是面向用戶和設(shè)備的云組態(tài)模塊，可自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)，并提供多種設(shè)備接入?yún)f(xié)議和用戶開(kāi)發(fā)接口，實(shí)現(xiàn)設(shè)備與云平臺(tái)和用戶與云平臺(tái)的交互。云組態(tài)模塊的基本工作原理如圖1所示。

圖1 云組態(tài)模塊的基本工作原理

1.2.1 設(shè)備通信協(xié)議

為適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，透?jìng)髟瓶刹捎肎PRS/2G/3G/4G、NB-IoT等組網(wǎng)方式，及CoAP、LoRaWAN等接入?yún)f(xié)議和方案，將設(shè)備快速接入云平臺(tái)。CoAP主要適用于NB-IoT方式組網(wǎng)，LoRaWAN主要適用于LoRa方式組網(wǎng)。

1.2.2 客戶端通信協(xié)議

透?jìng)髟破脚_(tái)提供API，以便用戶與云平臺(tái)交互。API基于超文本傳輸安全協(xié)議（HTTPS）和消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸協(xié)議（MQTT），提供包括登錄、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)點(diǎn)管理、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)訪問(wèn)、數(shù)據(jù)流訂閱/推送等訪問(wèn)接口，實(shí)現(xiàn)云平臺(tái)與用戶之間的業(yè)務(wù)邏輯。

2 空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

基于透?jìng)髟频目諝赓|(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由監(jiān)測(cè)終端、透?jìng)髟坪涂蛻舳私M成，系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)依據(jù)云組態(tài)原理，將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)通信模塊組幀上傳至云端；客戶端從云服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)云端與用戶交互，并實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測(cè)信息。

圖2 空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

監(jiān)測(cè)終端以GD32作為微處理器，通過(guò)單片機(jī)定時(shí)機(jī)制以較高頻率收集數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)濾波處理，以較低的頻率在LCD顯示屏顯示。終端采用PM2.5粉塵傳感器收集固體顆粒的濃度值，采用VOC模組傳感器收集TVOC、eCO2和CH2O等有毒氣體的濃度，并通過(guò)UART串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給NB-IoT模塊。

NB-IoT屬于低功耗廣域網(wǎng)，和其他組網(wǎng)方式相比，具有成本低、覆蓋能力廣和連接能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)選擇有人公司出品的WH-NB75模塊作為NB-IoT通信模塊，該模塊內(nèi)嵌通信接口，可自動(dòng)封裝、上傳數(shù)據(jù)至透?jìng)髟品?wù)器。

客戶端使用透?jìng)髟铺峁┑腁PI接口，實(shí)現(xiàn)Web和移動(dòng)APP客戶端對(duì)監(jiān)測(cè)終端的信息管理和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理。云平臺(tái)與客戶端之間采用JSON格式進(jìn)行數(shù)據(jù)請(qǐng)求交互。

3 設(shè)備連接透?jìng)髟?/h2>

依據(jù)設(shè)備通信協(xié)議提供的解決方案，可以方便地完成接入配置。通過(guò)配置設(shè)備信息，設(shè)置通信參數(shù)等，將監(jiān)測(cè)因子、監(jiān)測(cè)終端和網(wǎng)絡(luò)加入云服務(wù)器，并通過(guò)有人透?jìng)髟贫ㄖ频腗odbus協(xié)議設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)幀，將數(shù)據(jù)封裝后傳送至透?jìng)髟啤?/p>

3.1 接入配置

接入配置包括對(duì)監(jiān)測(cè)因子數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)終端信息以及網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊參數(shù)的配置。配置監(jiān)測(cè)因子數(shù)據(jù)完成監(jiān)測(cè)氣體的接入，在數(shù)據(jù)管理中添加數(shù)據(jù)模板，其中數(shù)據(jù)點(diǎn)信息即監(jiān)測(cè)因子信息，需根據(jù)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行配置，如圖3所示。配置監(jiān)測(cè)終端完成設(shè)備的接入，在設(shè)備管理模塊中添加若干設(shè)備，其中必須包含1個(gè)設(shè)備號(hào)為1的從機(jī)，并關(guān)聯(lián)上述數(shù)據(jù)點(diǎn)名稱。配置WH-NB75模塊，完成網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊的接入，該模塊內(nèi)嵌3種工作模式，與CMD指令模式和簡(jiǎn)單透?jìng)髂Ｊ较啾?，CoAP透?jìng)髂Ｊ骄哂泄潭ǖ氖瞻l(fā)機(jī)制，操作簡(jiǎn)單，可自動(dòng)完成數(shù)據(jù)傳送過(guò)程中的協(xié)議轉(zhuǎn)換等。選擇此模式，將CoAP服務(wù)器地址默認(rèn)為117.60.157.137，目標(biāo)端口默認(rèn)為5683，下載模塊的傳輸參數(shù)后，該傳輸模塊將自動(dòng)重啟完成初始化。

圖3 監(jiān)測(cè)因子數(shù)據(jù)配置界面

3.2 數(shù)據(jù)幀

采集的數(shù)據(jù)依據(jù)透?jìng)髟浦С值腗odbus協(xié)議設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)幀，該協(xié)議為有人擴(kuò)展指令（非Modbus RTU標(biāo)準(zhǔn)，僅適用于設(shè)備與透?jìng)髟凭W(wǎng)絡(luò)通信的規(guī)則）[10]。

Modbus協(xié)議請(qǐng)求數(shù)據(jù)幀格式見(jiàn)表1所列，Modbus協(xié)議響應(yīng)數(shù)據(jù)幀格式見(jiàn)表2所列。

表1 Modbus協(xié)議請(qǐng)求數(shù)據(jù)幀格式

表2 Modbus協(xié)議響應(yīng)數(shù)據(jù)幀格式

3.3 數(shù)據(jù)采集上傳

微處理器通過(guò)UART串口將數(shù)據(jù)傳送給WH-NB75模塊，該模塊讀取采集的濃度值，并將數(shù)據(jù)封裝成表1所列數(shù)據(jù)幀，以10 s間隔上傳給服務(wù)器，流程如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集上傳流程

4 客戶端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

客戶端通信協(xié)議提供登錄、信息顯示、訂閱和推送等接口，所有的API均需通過(guò)身份認(rèn)證才能繼續(xù)實(shí)現(xiàn)接口功能。獲取認(rèn)證信息必須去有人透?jìng)髟乒倬W(wǎng)注冊(cè)賬戶，該賬戶作為登錄模塊的請(qǐng)求參數(shù)進(jìn)行身份認(rèn)證，驗(yàn)證成功后得到用戶通行證token。

4.1 登錄模塊

登錄模塊是系統(tǒng)入口，將用戶名和密碼作為請(qǐng)求參數(shù)發(fā)送至用戶登錄接口https：//cloudapi.usr.cn/usrCloud/user/login，返回的數(shù)據(jù)包含狀態(tài)碼和token等，token有效期為2 h。本系統(tǒng)采用Cookie方法將token值保存在本地瀏覽器端，解決HTTPS協(xié)議出現(xiàn)的“短連接”問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)流程如圖5所示。移動(dòng)APP客戶端的登錄模塊與Web客戶端的實(shí)現(xiàn)原理基本相同，不同之處是對(duì)“短連接”問(wèn)題的處理，移動(dòng)APP客戶端將token緩存在SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)中[11]。

圖5 登錄模塊流程

4.2 監(jiān)測(cè)終端顯示模塊

監(jiān)測(cè)終端顯示模塊利用2個(gè)接口實(shí)現(xiàn)：設(shè)備接口獲取設(shè)備信息，數(shù)據(jù)點(diǎn)接口獲取監(jiān)測(cè)因子信息。設(shè)備信息獲取需將token作為請(qǐng)求參數(shù)發(fā)送至設(shè)備接口https：//cloudapi.usr.cn/usrCloud/dev/getDevs，返回?cái)?shù)據(jù)包含設(shè)備id、在線狀態(tài)和設(shè)備類型等信息，需在token的有效期內(nèi)將其解析并實(shí)時(shí)顯示，實(shí)現(xiàn)流程如圖6所示。數(shù)據(jù)點(diǎn)接口的調(diào)用與設(shè)備接口相同。移動(dòng)APP客戶端的監(jiān)測(cè)終端顯示模塊與Web客戶端模塊的實(shí)現(xiàn)原理基本相同，不同之處是對(duì)返回信息的處理。在SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)中，建立2個(gè)表分別存儲(chǔ)設(shè)備信息和數(shù)據(jù)點(diǎn)信息，存儲(chǔ)時(shí)采用單例類方法解決訪問(wèn)服務(wù)器時(shí)因相同數(shù)據(jù)多次下載造成的時(shí)效低下等問(wèn)題。

圖6 設(shè)備信息實(shí)現(xiàn)流程

4.3 數(shù)據(jù)顯示模塊

數(shù)據(jù)顯示模塊實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)因子濃度值的實(shí)時(shí)顯示。有人透?jìng)髟铺峁┯嗛啓C(jī)制，可自動(dòng)推送信息，實(shí)現(xiàn)流程如圖7所示。API提供客戶端與服務(wù)器建立連接認(rèn)證的USR_Connect接口、訂閱某臺(tái)設(shè)備解析數(shù)據(jù)后的USR_SubscribeDevParsed接口，以及一系列回調(diào)函數(shù)，包含連接回調(diào)USR_onConnAck、訂閱響應(yīng)回調(diào)USR_onSubscribeAck和接收數(shù)據(jù)點(diǎn)變化推送USR_onRcvParsedDataPointPush等。移動(dòng)APP客戶端與Web客戶端的實(shí)現(xiàn)原理相同，可實(shí)現(xiàn)多參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和顯示。

圖7 數(shù)據(jù)顯示模塊流程

5 系統(tǒng)測(cè)試

選擇山東工商學(xué)院東校區(qū)進(jìn)行系統(tǒng)功能測(cè)試，將監(jiān)測(cè)終端分別部署在室內(nèi)、交通主干道、食堂附近和新鋪設(shè)塑膠跑道的操場(chǎng)進(jìn)行有害氣體的實(shí)時(shí)采集，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的直線距離超500 m。圖8所示為監(jiān)測(cè)終端LCD顯示界面，圖9所示為移動(dòng)APP客戶端數(shù)據(jù)顯示界面，圖10所示為Web客戶端數(shù)據(jù)顯示界面。監(jiān)測(cè)終端采集和顯示功能均正常。

圖8 監(jiān)測(cè)終端LCD顯示界面

圖9 移動(dòng)APP客戶端數(shù)據(jù)顯示界面

圖10 Web客戶端數(shù)據(jù)顯示界面

終端設(shè)備接入正常，NB-IoT模塊和有人透?jìng)髟仆ㄐ耪?，客戶端能夠從云服?wù)器端獲取信息并正常顯示。

每隔1 h對(duì)室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行1次監(jiān)測(cè)，通過(guò)對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)儀器與本系統(tǒng)采集的4種污染因子的濃度值，對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)精度進(jìn)行檢驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3所列。

由表3可知，通過(guò)對(duì)幾組數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，CH2O的濃度值相對(duì)誤差最大不超過(guò)0.19%，TVOC的濃度值相對(duì)誤差最大不超過(guò)0.30%，eCO2的濃度值相對(duì)誤差最大不超過(guò)0.02%，PM2.5的濃度值相對(duì)誤差最大不超過(guò)0.46%。系統(tǒng)最大相對(duì)誤差不超過(guò)0.46%，滿足系統(tǒng)1%監(jiān)測(cè)精度的要求。

表3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

6 結(jié) 語(yǔ)

設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于透?jìng)髟频男⌒涂諝赓|(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以對(duì)街道、校區(qū)等日常生活的小環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的在線監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)監(jiān)測(cè)終端借助接入?yún)f(xié)議通過(guò)基礎(chǔ)模式自動(dòng)連接透?jìng)髟?，?shí)現(xiàn)了底層設(shè)備與物聯(lián)網(wǎng)云端的數(shù)據(jù)交互，Web客戶端和移動(dòng)APP客戶端從云服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)并進(jìn)行實(shí)時(shí)展示，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的快速搭建。該系統(tǒng)為解決區(qū)域內(nèi)小型監(jiān)測(cè)系統(tǒng)部署難、平臺(tái)開(kāi)發(fā)慢、維護(hù)成本高以及經(jīng)濟(jì)效益低等問(wèn)題提供了一種選擇，具有一定的借鑒意義。