冉卓衡

（天津工業(yè)大學(xué)，天津 300387）

0 引 言

2020年初，全球范圍內(nèi)爆發(fā)的新冠疫情改變了許多家庭的生活方式。伴隨著國內(nèi)外疫情形勢的進一步惡化，人們居家時間變得更長，因而室內(nèi)的環(huán)境狀況對人們?nèi)粘Ｉ畹挠绊懸仓饾u凸顯。PM是室內(nèi)空氣中主要的污染微粒之一。北京協(xié)和醫(yī)院的一項研究結(jié)果表明：PM短期暴露濃度每增加10 μg/m，心腦血管疾病患者的相關(guān)死亡風(fēng)險增加0.63%。同時液化氣、苯、烷等可燃氣體的泄露也會給室內(nèi)環(huán)境帶來一定的危險。此外溫度、濕度等常見的環(huán)境參數(shù)對人體也具有重要意義。參考相關(guān)研究數(shù)據(jù)可以得出：在人們所處環(huán)境中普遍存在著特定范圍的溫度和濕度舒適區(qū)，當(dāng)人體脫離這個舒適區(qū)后就會感到一定的不適。正是人們對于周圍環(huán)境的這些實時感知需求，使得智能化環(huán)境檢測系統(tǒng)開始逐步走入千家萬戶。用戶在使用這類設(shè)備時只需插上插銷，就能實時地自動采集周圍環(huán)境數(shù)據(jù)。操作系統(tǒng)在對采集數(shù)據(jù)進行分析之后，會將處理結(jié)果實時地顯示在屏幕中。同時還基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺實現(xiàn)了數(shù)據(jù)在云端的可視化，方便用戶能夠在任何設(shè)備或大屏上直接獲取簡潔明了的環(huán)境信息。

1 主要硬件設(shè)計

1.1 主控開發(fā)板

本系統(tǒng)所使用的開發(fā)板型號為中移OneNET麒麟座V3.0開發(fā)板，該開發(fā)板采用STM32F103RET6作為其主控芯片。連接好所有外設(shè)后的系統(tǒng)實物圖如圖1所示。

圖1 連接好外設(shè)后的系統(tǒng)實物圖

由圖1可知，中移麒麟座開發(fā)板不但板載資源豐富，而且引出了大量的通用模塊接口。其中板載的M6312通信模組與蜂鳴器主要負責(zé)數(shù)據(jù)通信與報警功能；板載的三軸加速度傳感器用于檢測設(shè)備的擺放是否符合要求，否則將不會進行數(shù)據(jù)采集；板載的光照傳感器和溫濕度傳感器用于采集光照和溫濕度數(shù)據(jù)。所用到的外部傳感器模塊包括夏普GP2Y1014AU粉塵測量模塊和MQ-2氣體測量模塊，這些模塊都具有超低功耗、測量精度高等諸多優(yōu)勢。

1.2 M6312工業(yè)級GSM/GPRS通信模組

GPRS有著較快的數(shù)據(jù)傳輸速度，該技術(shù)可以穩(wěn)定地傳送大容量的高質(zhì)量音頻與視頻文件，因而被廣泛用于數(shù)據(jù)通信、遠程監(jiān)測、信息查詢等領(lǐng)域。M6312通信模組在插入了物聯(lián)網(wǎng)SIM卡后即可快速實現(xiàn)數(shù)據(jù)的聯(lián)網(wǎng)傳輸，不但能帶給設(shè)備一定的便攜性，也為設(shè)備與云端之間提供了快速且穩(wěn)定的數(shù)據(jù)交互環(huán)境。

1.3 夏普PM2.5測量模塊

系統(tǒng)中所使用的PM測量模塊是由夏普公司開發(fā)的型號為GP2Y1014AU的粉塵微粒檢測模塊。模塊的中部有一個空氣采樣孔，內(nèi)部還有一組紅外發(fā)光二極管與光電晶體管。紅外發(fā)光二極管會一直以特定頻率向外輻射紅外射線，當(dāng)空氣采樣孔內(nèi)流通的氣體里有微粒阻礙紅外射線傳播時就會產(chǎn)生漫反射現(xiàn)象。當(dāng)光電晶體管接收到經(jīng)反射后的紅外射線時，輸出引腳所對應(yīng)的電壓信號就會隨之改變。該模組可在供電電壓為5～7 V和環(huán)境溫度為-10～65 ℃時正常工作，能夠偵測到粉塵顆粒的最小直徑為0.8 μm。環(huán)境中的微粒濃度每變化0.1 mg/m，所對應(yīng)輸出電壓的變化大小就為0.5 V。

1.4 DHT11溫濕度測量模塊

DHT11是一款較為常用的溫濕度測量傳感器，它具有成本低、體積小和高精度等諸多優(yōu)勢。傳感器在0～50 ℃溫度范圍內(nèi)與5%～95%RH范圍內(nèi)正常工作，溫濕度的測量精度分別為±2 ℃和±5%RH。該模塊基于IC協(xié)議與單片機進行數(shù)據(jù)通信，一次需發(fā)送40位的溫濕度測量數(shù)據(jù)。其中前16位數(shù)據(jù)與環(huán)境中的濕度測量結(jié)果相關(guān)，中間16位數(shù)據(jù)與環(huán)境中的溫度測量結(jié)果相關(guān)，其余8位數(shù)據(jù)用來校驗溫濕度測量結(jié)果是否準(zhǔn)確。如果校驗不通過，則代表模塊傳輸?shù)臄?shù)值為錯誤的數(shù)值，單片機則不會進行一次采樣。通過這種方式對環(huán)境中的溫度和濕度參數(shù)進行采集與上傳，極大地增加了本系統(tǒng)的可靠性。

1.5 MQ-2氣體測量模塊

MQ-2氣體傳感器通常可用于家庭和工廠的氣體泄漏監(jiān)測裝置，所探測的范圍包括液化氣、氫氣、苯和烷等有害與可燃氣體，具有較好的重復(fù)性和穩(wěn)定性。當(dāng)傳感器與氣體接觸時，晶粒間界處的勢壘會隨著氣體濃度的改變而發(fā)生變化，最終轉(zhuǎn)換成導(dǎo)電率的變化來實現(xiàn)對氣體參數(shù)的測量。該傳感器可在3.0～5.5 V電壓和-20～50℃溫度條件下正常工作。氣體的濃度越大，導(dǎo)電率越高，會使輸出電阻越低，從而使引腳輸出較大的模擬信號值。

2 軟件設(shè)計

2.1 操作系統(tǒng)的軟件設(shè)計

本系統(tǒng)中的軟件部分基于Keil5集成開發(fā)系統(tǒng)和Windows操作系統(tǒng)開發(fā)。在搭建好相應(yīng)的的軟件開發(fā)環(huán)境后，就可以開始進一步地對軟件程序進行規(guī)劃與設(shè)計。

2.1.1 μC/OS-III工程的移植

在移植操作系統(tǒng)代碼之前，首先需要在其官方網(wǎng)站中獲取到μC/OS-III的源碼包。下載源碼包后需要對包中的文件進行分析，結(jié)合本系統(tǒng)實際情況按需配置最適合的工程文件。添加完所需要的文件后將頭文件路徑添加到工程中，這樣整體的工程就移植完畢了。

2.1.2 劃分任務(wù)的優(yōu)先級

在本系統(tǒng)所建立的μC/OS-III工程中，各個任務(wù)的優(yōu)先級劃分由先到后應(yīng)遵循如下三大原則：對于實時性要求高的任務(wù)應(yīng)該分配較高的優(yōu)先級；對于運行速度較快的任務(wù)應(yīng)該分配較高的優(yōu)先級；任務(wù)在邏輯之前的要分配較高的優(yōu)先級。在遵循這三個原則的前提下，本系統(tǒng)中任務(wù)的優(yōu)先級劃分情況見表1所列。

表1 本系統(tǒng)中任務(wù)的優(yōu)先級劃分情況

2.1.3 事件標(biāo)志組的創(chuàng)建

當(dāng)操作系統(tǒng)中的任務(wù)需要與多個事件同步發(fā)生時，就可以使用事件標(biāo)志組。事件標(biāo)志組同步任務(wù)的過程如圖2所示。通過設(shè)立不同的優(yōu)先級并運用事件標(biāo)志組的方法，就可以輕易地對不同報警信息的緊急程度加以區(qū)分。在需要同時進行的任務(wù)較多時，可實現(xiàn)“有次序、有先后”地進行任務(wù)處理。同時，事件標(biāo)志組內(nèi)還可以設(shè)置不同的邏輯關(guān)系。例如“或”同步和“與”同步就是當(dāng)操作系統(tǒng)中任意事件發(fā)生和全部事件發(fā)生時任務(wù)才被同步的兩種不同的邏輯處理機制。事件標(biāo)志組在本系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用，例如當(dāng)溫度和濕度數(shù)值同時超過一定范圍時，出行推薦指數(shù)才會下降；而當(dāng)PM數(shù)值超過一定范圍時，無論溫濕度數(shù)值范圍是多大，出行推薦指數(shù)都會直接清零，表示當(dāng)前極不適合出行。此外還有大量的類似于這樣的同步任務(wù)存在于本系統(tǒng)中，但在編輯和添加這些任務(wù)時僅需更改幾個邏輯字母就完成事件標(biāo)志組的重組與建立，而不需要大量復(fù)雜的條件函數(shù)或者邏輯指令。設(shè)置簡便和容易編輯的特點也是開發(fā)者們選擇μC/OS-III操作系統(tǒng)進行開發(fā)的重要原因之一。

圖2 事件標(biāo)志組的任務(wù)同步過程

2.2 云平臺應(yīng)用的建立

在開啟了基站定位服務(wù)后，通過OneNET平臺可方便快捷地建立網(wǎng)頁端、手機端和公共大屏中豐富的可視化應(yīng)用。

2.2.1 開啟基站定位服務(wù)（LBS）

基站定位服務(wù)是指設(shè)備不需要增加額外的外設(shè)硬件，而是通過設(shè)備板載的通信模組將周邊基站信息上傳給云端后即可實現(xiàn)位置信息的獲取，從而達到簡化硬件設(shè)計和降低設(shè)備功耗的效果。當(dāng)開啟了這項服務(wù)之后就可以結(jié)合已構(gòu)建好的數(shù)據(jù)可視化應(yīng)用，對設(shè)備當(dāng)前的位置和歷史軌跡進行查詢與回溯?；径ㄎ环?wù)不但覆蓋三大運營商的基站信息，而且在2G、3G、4G等網(wǎng)絡(luò)信號下均可實現(xiàn)位置信息的獲取。這項服務(wù)的覆蓋區(qū)域除了中國大陸之外，還包含了港澳臺地區(qū)。

2.2.2 網(wǎng)頁端應(yīng)用的構(gòu)建

OneNET網(wǎng)頁應(yīng)用編輯器為開發(fā)者提供了曲線圖和柱狀圖、位置軌跡、開關(guān)按鈕、儀表盤等虛擬圖表和儀器，為感知層所上傳的數(shù)據(jù)流提供初步的數(shù)據(jù)可視化功能。只有當(dāng)傳感器所采集的數(shù)據(jù)流成功上傳至OneNET云平臺后，開發(fā)者所建立的相關(guān)可視化網(wǎng)頁應(yīng)用才能正常工作和顯示。對于氣體傳感器所采集的參數(shù)，本系統(tǒng)在OneNET網(wǎng)頁應(yīng)用端開發(fā)了如圖3所示的警告次數(shù)與氣體濃度參數(shù)折線圖面板。當(dāng)有害或可燃氣體的濃度過大時，μC/OS-III操作系統(tǒng)會通過事件標(biāo)志組執(zhí)行上傳超標(biāo)參數(shù)值的任務(wù)。警告次數(shù)也會隨著每一次警告信息的產(chǎn)生而累計加1，并可以通過物理按鍵來清零，表示用戶已經(jīng)知曉相關(guān)的警告信息。

圖3 警告信息的可視化

除了上傳警告信息與相關(guān)參數(shù)之外，本系統(tǒng)在OneNET網(wǎng)頁應(yīng)用端還基于感知層所采集的光照、溫濕度和操作系統(tǒng)智能分析出的推薦指數(shù)等信息，擴展開發(fā)了出行建議助手功能。將設(shè)備放在陽臺附近后，通過數(shù)據(jù)可視化的方式，用戶不但能夠得出目前周圍環(huán)境的具體參數(shù)細節(jié)，還能得出當(dāng)前出行的推薦指數(shù)，是用戶制定出行計劃的好幫手。推薦指數(shù)總共分為三等，數(shù)值越高則代表當(dāng)前環(huán)境狀況越適宜出行。相關(guān)功能的可視化效果如圖4所示。

圖4 參數(shù)折線圖與推薦指數(shù)的可視化效果

2.2.3 手機端應(yīng)用的構(gòu)建

開發(fā)者不但可以構(gòu)建和編輯網(wǎng)頁端的可視化應(yīng)用，還可以將構(gòu)建好的相關(guān)組件移植至手機端頁面，通過中國移動開發(fā)的設(shè)備云APP進行手機端環(huán)境信息的可視化。在本系統(tǒng)所構(gòu)建的手機端可視化應(yīng)用中，可以像在網(wǎng)頁端一樣看到數(shù)值的歷史變化趨勢以及虛擬儀表顯示的瞬時值。但不同于網(wǎng)頁端的是，手機端物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用在設(shè)計時需盡可能使界面更加緊湊，以更好地貼合手機用戶的視窗大小與瀏覽習(xí)慣。開發(fā)完成的手機端可視化界面如圖5所示。

圖5 手機端的數(shù)據(jù)流與可視化應(yīng)用界面

2.2.4 數(shù)據(jù)可視化View平臺

除了構(gòu)建簡單的網(wǎng)頁和手機應(yīng)用外，還可基于中國移動數(shù)據(jù)可視化View平臺開發(fā)更為復(fù)雜的可視化應(yīng)用，以實現(xiàn)在公共區(qū)域內(nèi)更大的屏幕中展現(xiàn)更為豐富的數(shù)據(jù)可視化內(nèi)容?；赩iew平臺為公共大屏開發(fā)的可視化應(yīng)用界面如圖6所示。

圖6 在公共大屏上實現(xiàn)的數(shù)據(jù)可視化應(yīng)用界面

3 運行調(diào)試

連接好開發(fā)板的電源與相關(guān)傳感器模塊后，登錄中國移動OneNET云平臺，進入本產(chǎn)品的詳細界面，選擇本設(shè)備并進入數(shù)據(jù)流查看界面。打開供電開關(guān)并運行開發(fā)板上的程序后，會看到數(shù)據(jù)流中的相關(guān)參數(shù)正在動態(tài)地變化。只要所上傳的數(shù)據(jù)流結(jié)果是準(zhǔn)確的，基于這些數(shù)據(jù)流所構(gòu)建的OneNET云平臺應(yīng)用就一定能夠正常工作與顯示。

當(dāng)點開如圖7所示的“Warning”數(shù)據(jù)流后可以看出，在此時刻內(nèi)警告次數(shù)為3次。此外還可通過點擊“導(dǎo)出”按鈕將所上傳的數(shù)據(jù)流導(dǎo)出，所導(dǎo)出的數(shù)據(jù)包含了上傳時間、環(huán)境參數(shù)等數(shù)值。在得到這些詳細數(shù)據(jù)后，還可以結(jié)合其他大數(shù)據(jù)分析方法使導(dǎo)出的數(shù)據(jù)產(chǎn)生進一步的價值，從而為用戶和企業(yè)提供參考。

圖7 實時上報名稱為“Warning”的數(shù)據(jù)流

4 結(jié) 語

本文基于μC/OS-III操作系統(tǒng)和中國移動OneNET云平臺設(shè)計了一款實用的智能環(huán)境助手。該系統(tǒng)的感知層基于中移麒麟座開發(fā)板開發(fā)，并在其外部連接了用于測量PM、溫濕度、氣體濃度等參數(shù)的傳感器模塊，通過μC/OS-III操作系統(tǒng)采集和處理環(huán)境數(shù)據(jù)信息。網(wǎng)絡(luò)層包括GPRS通信模組和中國移動物聯(lián)網(wǎng)SIM卡，作用是將感知層實時收集的環(huán)境信息，通過MQTT協(xié)議傳輸至中國移動OneNET物聯(lián)網(wǎng)云平臺。在應(yīng)用層中通過對網(wǎng)頁端應(yīng)用、手機端應(yīng)用和View應(yīng)用的構(gòu)建，向用戶呈現(xiàn)了多種方式的數(shù)據(jù)可視化效果，實現(xiàn)用戶對周圍的環(huán)境數(shù)值變化與相關(guān)警告提示進行及時感知。該系統(tǒng)經(jīng)測試后成功實現(xiàn)了傳感器的采集、云平臺的可視化等功能，滿足了用戶對環(huán)境監(jiān)測智能化和可視化的現(xiàn)實需求，具有較高研究價值和廣泛的應(yīng)用前景。