基于OneNET云平臺的多種有害氣體監(jiān)測分析系統(tǒng)*

*基金項目:大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目,項目編號:D202203101138308908

0   引言

研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)代人全天約有超過80% 以上的時間在室內(nèi)工作、學習或休息，由于室內(nèi)環(huán)境是相對封閉的，所以室內(nèi)的環(huán)境質量將對人們的身體狀況產(chǎn)生重大影響。隨著人們對生活品質要求的不斷提高，高效且直觀的室內(nèi)有害氣體監(jiān)測分析系統(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。

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和環(huán)境保護的需要，以煤氣、甲烷等可燃氣體為代表的清潔能源受到越來越多人的喜愛，但同時也產(chǎn)生了很多安全隱患，如因可燃氣體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由于長期可揮發(fā)的特性也對人們的身體造成了長久的傷害。隨著人們對生活高品質以及舒適度追求的提高，室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測與分析成為領域內(nèi)的一項研究重點。

在室內(nèi)有害氣體的無線監(jiān)測應用中，陳兆剛^[1]針對室內(nèi)主要的污染氣體一氧化碳、甲醛、臭氧和二氧化硫通過LabVIEW 建立了上位機監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)虛擬儀器的顯示；齊麗靜等^[2]對于家居環(huán)境的有害氣體設計了一套監(jiān)測分析系統(tǒng)，可對監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)了宜居等級的判定和污染源定位的功能；于瑩^[3]針對各類有害氣體的監(jiān)測設計了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行管理；劉俊琪等^[4]針對室內(nèi)有害氣體利用手機或上位機完成監(jiān)測，上位機設計采用VB 開發(fā)，完成數(shù)據(jù)的接收；武士濤^[5]基于OneNET 云平臺完成有毒有害氣體數(shù)據(jù)的接收儲存，建立了相關的數(shù)據(jù)界面，可查看氣體的具體檢測數(shù)據(jù)和歷史變化趨勢；呂斌等^[6]對于室內(nèi)有害氣體的監(jiān)測采用了云端服務器設計，通過將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了通過HTTP 鏈接訪問實時氣體濃度；馬晨瑄^[7]對于廚房有害氣體的泄露基于阿里云平臺系統(tǒng)實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測和自動化數(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，少數(shù)具有后續(xù)的數(shù)據(jù)分析處理，但都缺乏完善的評價系統(tǒng)，對于室內(nèi)有害氣體的監(jiān)控與管理仍然有限。

針對目前相關研究的不足，從實際應用角度出發(fā)，文章基于OneNET 云平臺設計并實現(xiàn)了一種多種有害氣體監(jiān)測分析系統(tǒng)，針對室內(nèi)常見的4 種有害氣體濃度進行實時監(jiān)測，基于綜合指數(shù)法建立空氣質量評分標準，通過可視化頁面的設計完成實時數(shù)據(jù)與空氣質量評價的直觀顯示，實現(xiàn)了室內(nèi)四大有害氣體的監(jiān)測分析與評價，對于室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測具有較高的實際應用價值。

1   系統(tǒng)設計

基于OneNET 云平臺的多種有害氣體監(jiān)測分析系統(tǒng)整體結構框圖如圖1 所示，系統(tǒng)由3 個環(huán)境終端傳感器采集數(shù)據(jù)，通過模塊化設計分布于室內(nèi)各處，由核心控制元件處理后通過Wi-Fi 模塊傳至OneNET 云平臺上，由OneNET 云平臺將數(shù)據(jù)存儲，利用綜合指數(shù)法完成室內(nèi)空氣質量的評定，最終在設計的可視化頁面上呈現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)與評價，直觀明了地完成了室內(nèi)多種有害氣體監(jiān)測與分析的設計。

圖1 中，環(huán)境監(jiān)測終端設備主要負責采集有害氣體數(shù)據(jù)信息，通過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、氨氣濃度測量傳感器，利用STC89C52RC 單片機處理數(shù)據(jù)，通過Wi-Fi 通信模塊完成數(shù)據(jù)傳輸，供電模塊供電；在OneNET 云平臺上對采集得到的氣體數(shù)據(jù)進行接收與儲存，人們可以對云平臺數(shù)據(jù)庫進行訪問或對相關的數(shù)據(jù)進行下載及歷史數(shù)據(jù)的回放；建立可視化的數(shù)據(jù)顯示頁面，系統(tǒng)通過空氣質量評分模型自動對監(jiān)測數(shù)據(jù)打分評價，從而完成室內(nèi)有害氣體的監(jiān)測與分析工作。

圖1 系統(tǒng)整體結構框圖

2   室內(nèi)有害氣體監(jiān)測分析系統(tǒng)的實現(xiàn)

2.1 OneNET云平臺的介紹

OneNET 云平臺由中國移動打造，是一種把應用服務的運行和開發(fā)環(huán)境作為服務提供的商業(yè)模式，通過在物聯(lián)網(wǎng)應用和真實設備之間搭建起高效、穩(wěn)定、安全的應用平臺，節(jié)約了開發(fā)者完成產(chǎn)品開發(fā)和部署的時間、成本。

首先在OneNET 云平臺上注冊賬號、用戶登錄、新建項目、新增設備和數(shù)據(jù)流。單片機接入OneNET 云平臺后，能利用提供的網(wǎng)絡傳輸服務實現(xiàn)信息傳遞，被賦予了遠程監(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。其中，傳感器檢測到的各類氣體濃度數(shù)據(jù)是不同的數(shù)據(jù)流，具體每個時刻的數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)點，數(shù)據(jù)流會傳輸?shù)皆O備對應的數(shù)據(jù)流中，管理者可以在OneNET 云平臺官網(wǎng)的開發(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 終端傳感器設計

系統(tǒng)的環(huán)境終端監(jiān)測設備主要用來采集數(shù)據(jù)，選擇了3 種傳感器檢測室內(nèi)的有害氣體，選用51 單片機同各類傳感器進行有效對接；數(shù)據(jù)上傳功能則通過使用ESP8266 模塊實現(xiàn)；基于HTTP 協(xié)議將數(shù)據(jù)傳送至云平臺上。HTTP（Hyper Text Transfer Protocol）協(xié)議的應用特點為只能用于數(shù)據(jù)上報，而不能下發(fā)命令，是一種應用層協(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，可以更加準確、實時地監(jiān)測煤氣泄露的情況；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期停留的房間內(nèi)，以便對裝修殘留的物質進行更有效的檢測；房間之間設置路由節(jié)點作為中繼模塊完成數(shù)據(jù)的傳遞。

圖3 HTTP協(xié)議應用框架

2.3 評分模型

在對室內(nèi)空氣環(huán)境評分時，首先需建立評分標準，文章使用綜合指數(shù)法完成對空氣環(huán)境的評價。綜合指數(shù)法在各類評價方法中的優(yōu)勢在于方法簡單并且容易理解。通過借助檢測得到的有害氣體濃度與標準設定的有害氣體濃度的比值來反映有害氣體造成的空氣污染，之后根據(jù)計算得到的指數(shù)I 即可評價室內(nèi)氣體環(huán)境等級，具體計算步驟如下所示。

步驟1：計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表示標準有害氣體的濃度。

步驟2：計算多種有害氣體指標中的最大值。

步驟3：計算各個有害氣體指數(shù)的算術平均值。

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)空氣品質分級描述

2.4 數(shù)據(jù)可視化

JS（JavaScript）是一種解釋型或即時編譯型的高級編程語言，主要用于開發(fā)交互式的Web 頁面，可以給網(wǎng)頁增加各種動態(tài)效果。同時它也是一種面向對象的編程語言，提供了一系列的方法和函數(shù)來對網(wǎng)頁中的標簽進行操作。利用JavaScript 制作可視化網(wǎng)頁界面，使用CSS(Cascading Style Sheets) 用來美化Web 頁面的顏色、背景、邊框、字體等HTML 元素的外觀，將檢測得到的實時數(shù)據(jù)通過歷史數(shù)據(jù)折線圖與質量評價結果可視化顯示出來。

3   系統(tǒng)測試

進行測試時，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，就可以進行一系列測試，測試電路實物圖如圖4 所示。通過系統(tǒng)測試，基于51 單片機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)有害氣體檢測系統(tǒng)硬件設備的搭建，采用ESP8266 通信模塊，以固定間隔時間每5 s 向OneNET 平臺上傳1 次采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)，通過可視化頁面顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)，如圖5。測試結果表明，該系統(tǒng)實現(xiàn)了對室內(nèi)有害氣體參數(shù)的實時監(jiān)測和可視化顯示功能，系統(tǒng)對監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動分析完成了室內(nèi)氣體質量的評定，較好地完成了室內(nèi)有害氣體的監(jiān)測與分析一體化設計，為進一步優(yōu)化室內(nèi)的空氣質量監(jiān)測系統(tǒng)提供了參考。

圖4 測試電路實物圖

圖5 可視化頁面設計

4   結束語

良好的室內(nèi)環(huán)境不僅為人們帶來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。文章設計了一種基于OneNET 云平臺的多種有害氣體監(jiān)測分析系統(tǒng)，與現(xiàn)有的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測相比增加了評價分析系統(tǒng)，功能更加完善。系統(tǒng)利用OneNET 云平臺存儲檢測得到的室內(nèi)相關環(huán)境數(shù)據(jù)，即作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理中樞，通過綜合指數(shù)法建立室內(nèi)氣體環(huán)境評分模型完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析與評價，并以可視化的方式顯示出來，有利于管理人員對室內(nèi)有害氣體數(shù)據(jù)的掌握與控制，進一步促進了人們對美好生活的向往，為人們的生命財產(chǎn)安全提供了堅實保障。

參考文獻：

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[7] 馬晨瑄.廚房有害氣體的泄露報警器設計[J].電子技術,2021,50(11):12-13.

[8] GB/T 18883-2002,室內(nèi)空氣質量標準[S].

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年1月期）