基于OneNET云平臺的多種有害氣體監測分析系統*

*基金項目:大學(xué)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，現代人全天約有超過(guò)80% 以上的時(shí)間在室內工作、學(xué)習或休息，由于室內環(huán)境是相對封閉的，所以室內的環(huán)境質(zhì)量將對人們的身體狀況產(chǎn)生重大影響。隨著(zhù)人們對生活品質(zhì)要求的不斷提高，高效且直觀(guān)的室內有害氣體監測分析系統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(zhù)社會(huì )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(lái)越多人的喜愛(ài)，但同時(shí)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，室內裝修殘留的甲醛和氨氣等物質(zhì)由于長(cháng)期可揮發(fā)的特性也對人們的身體造成了長(cháng)久的傷害。隨著(zhù)人們對生活高品質(zhì)以及舒適度追求的提高，室內環(huán)境的監測與分析成為領(lǐng)域內的一項研究重點(diǎn)。

在室內有害氣體的無(wú)線(xiàn)監測應用中，陳兆剛^[1]針對室內主要的污染氣體一氧化碳、甲醛、臭氧和二氧化硫通過(guò)LabVIEW 建立了上位機監測系統，實(shí)現了數據虛擬儀器的顯示；齊麗靜等^[2]對于家居環(huán)境的有害氣體設計了一套監測分析系統，可對監測數據分析，實(shí)現了宜居等級的判定和污染源定位的功能；于瑩^[3]針對各類(lèi)有害氣體的監測設計了PC 用戶(hù)監控軟件，并分為用戶(hù)管理模塊、TCP 通信模塊、狀態(tài)更新模塊等五大模塊進(jìn)行管理；劉俊琪等^[4]針對室內有害氣體利用手機或上位機完成監測，上位機設計采用VB 開(kāi)發(fā)，完成數據的接收；武士濤^[5]基于OneNET 云平臺完成有毒有害氣體數據的接收儲存，建立了相關(guān)的數據界面，可查看氣體的具體檢測數據和歷史變化趨勢；呂斌等^[6]對于室內有害氣體的監測采用了云端服務(wù)器設計，通過(guò)將數據存入數據庫，實(shí)現了通過(guò)HTTP 鏈接訪(fǎng)問(wèn)實(shí)時(shí)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實(shí)現了對數據的實(shí)時(shí)監測和自動(dòng)化數據處理。上述方法都在不同程度上完成了有害氣體數據的監測，少數具有后續的數據分析處理，但都缺乏完善的評價(jià)系統，對于室內有害氣體的監控與管理仍然有限。

針對目前相關(guān)研究的不足，從實(shí)際應用角度出發(fā)，文章基于OneNET 云平臺設計并實(shí)現了一種多種有害氣體監測分析系統，針對室內常見(jiàn)的4 種有害氣體濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，基于綜合指數法建立空氣質(zhì)量評分標準，通過(guò)可視化頁(yè)面的設計完成實(shí)時(shí)數據與空氣質(zhì)量評價(jià)的直觀(guān)顯示，實(shí)現了室內四大有害氣體的監測分析與評價(jià)，對于室內環(huán)境的監測具有較高的實(shí)際應用價(jià)值。

1   系統設計

基于OneNET 云平臺的多種有害氣體監測分析系統整體結構框圖如圖1 所示，系統由3 個(gè)環(huán)境終端傳感器采集數據，通過(guò)模塊化設計分布于室內各處，由核心控制元件處理后通過(guò)Wi-Fi 模塊傳至OneNET 云平臺上，由OneNET 云平臺將數據存儲，利用綜合指數法完成室內空氣質(zhì)量的評定，最終在設計的可視化頁(yè)面上呈現監測數據與評價(jià)，直觀(guān)明了地完成了室內多種有害氣體監測與分析的設計。

圖1 中，環(huán)境監測終端設備主要負責采集有害氣體數據信息，通過(guò)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 單片機處理數據，通過(guò)Wi-Fi 通信模塊完成數據傳輸，供電模塊供電；在OneNET 云平臺上對采集得到的氣體數據進(jìn)行接收與儲存，人們可以對云平臺數據庫進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)或對相關(guān)的數據進(jìn)行下載及歷史數據的回放；建立可視化的數據顯示頁(yè)面，系統通過(guò)空氣質(zhì)量評分模型自動(dòng)對監測數據打分評價(jià)，從而完成室內有害氣體的監測與分析工作。

圖1 系統整體結構框圖

2   室內有害氣體監測分析系統的實(shí)現

2.1 OneNET云平臺的介紹

OneNET 云平臺由中國移動(dòng)打造，是一種把應用服務(wù)的運行和開(kāi)發(fā)環(huán)境作為服務(wù)提供的商業(yè)模式，通過(guò)在物聯(lián)網(wǎng)應用和真實(shí)設備之間搭建起高效、穩定、安全的應用平臺，節約了開(kāi)發(fā)者完成產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和部署的時(shí)間、成本。

首先在OneNET 云平臺上注冊賬號、用戶(hù)登錄、新建項目、新增設備和數據流。單片機接入OneNET 云平臺后，能利用提供的網(wǎng)絡(luò )傳輸服務(wù)實(shí)現信息傳遞，被賦予了遠程監控功能。采用HTTP 協(xié)議傳輸傳感器采集的有害氣體數據，然后將數據上傳到OneNET 云平臺。其中，傳感器檢測到的各類(lèi)氣體濃度數據是不同的數據流，具體每個(gè)時(shí)刻的數據為數據點(diǎn)，數據流會(huì )傳輸到設備對應的數據流中，管理者可以在OneNET 云平臺官網(wǎng)的開(kāi)發(fā)者中心查看并下載記錄，完成多種有害氣體濃度數據的采集與回放。OneNET 云平臺的數據處理如圖2 所示。

圖2 OneNET數據處理

2.2 終端傳感器設計

系統的環(huán)境終端監測設備主要用來(lái)采集數據，選擇了3 種傳感器檢測室內的有害氣體，選用51 單片機同各類(lèi)傳感器進(jìn)行有效對接；數據上傳功能則通過(guò)使用ESP8266 模塊實(shí)現；基于HTTP 協(xié)議將數據傳送至云平臺上。HTTP（Hyper Text Transfer Protocol）協(xié)議的應用特點(diǎn)為只能用于數據上報，而不能下發(fā)命令，是一種應用層協(xié)議，適合本系統的使用。

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(shí)時(shí)地監測煤氣泄露的情況；將ZE08-CH₂O 甲醛傳感器、MQ-137 氨氣傳感器放置在室內裝修不久后的或者長(cháng)期停留的房間內，以便對裝修殘留的物質(zhì)進(jìn)行更有效的檢測；房間之間設置路由節點(diǎn)作為中繼模塊完成數據的傳遞。

圖3 HTTP協(xié)議應用框架

2.3 評分模型

在對室內空氣環(huán)境評分時(shí)，首先需建立評分標準，文章使用綜合指數法完成對空氣環(huán)境的評價(jià)。綜合指數法在各類(lèi)評價(jià)方法中的優(yōu)勢在于方法簡(jiǎn)單并且容易理解。通過(guò)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(lái)反映有害氣體造成的空氣污染，之后根據計算得到的指數I 即可評價(jià)室內氣體環(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(gè)有害氣體指數的算術(shù)平均值。

步驟4：綜合考慮求得的最大因子指數和算數平均指數，并突出最大因子指數。

表1 室內空氣品質(zhì)分級描述

2.4 數據可視化

JS（JavaScript）是一種解釋型或即時(shí)編譯型的高級編程語(yǔ)言，主要用于開(kāi)發(fā)交互式的Web 頁(yè)面，可以給網(wǎng)頁(yè)增加各種動(dòng)態(tài)效果。同時(shí)它也是一種面向對象的編程語(yǔ)言，提供了一系列的方法和函數來(lái)對網(wǎng)頁(yè)中的標簽進(jìn)行操作。利用JavaScript 制作可視化網(wǎng)頁(yè)界面，使用CSS(Cascading Style Sheets) 用來(lái)美化Web 頁(yè)面的顏色、背景、邊框、字體等HTML 元素的外觀(guān)，將檢測得到的實(shí)時(shí)數據通過(guò)歷史數據折線(xiàn)圖與質(zhì)量評價(jià)結果可視化顯示出來(lái)。

3   系統測試

進(jìn)行測試時(shí)，先將系統硬件搭建好，再調試好軟件。在給系統通電以后，就可以進(jìn)行一系列測試，測試電路實(shí)物圖如圖4 所示。通過(guò)系統測試，基于51 單片機連接多種傳感器采集室內有害氣體數據完成室內有害氣體檢測系統硬件設備的搭建，采用ESP8266 通信模塊，以固定間隔時(shí)間每5 s 向OneNET 平臺上傳1 次采集到的環(huán)境數據，通過(guò)可視化頁(yè)面顯示監測數據，如圖5。測試結果表明，該系統實(shí)現了對室內有害氣體參數的實(shí)時(shí)監測和可視化顯示功能，系統對監測數據的自動(dòng)分析完成了室內氣體質(zhì)量的評定，較好地完成了室內有害氣體的監測與分析一體化設計，為進(jìn)一步優(yōu)化室內的空氣質(zhì)量監測系統提供了參考。

圖4 測試電路實(shí)物圖

圖5 可視化頁(yè)面設計

4   結束語(yǔ)

良好的室內環(huán)境不僅為人們帶來(lái)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(mǎn)意度。文章設計了一種基于OneNET 云平臺的多種有害氣體監測分析系統，與現有的室內環(huán)境監測相比增加了評價(jià)分析系統，功能更加完善。系統利用OneNET 云平臺存儲檢測得到的室內相關(guān)環(huán)境數據，即作為系統的數據管理中樞，通過(guò)綜合指數法建立室內氣體環(huán)境評分模型完成監測數據的分析與評價(jià)，并以可視化的方式顯示出來(lái)，有利于管理人員對室內有害氣體數據的掌握與控制，進(jìn)一步促進(jìn)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(shí)保障。

參考文獻：

[1] 陳兆剛.室內有害氣體監測系統設計研究[J].機械設計與制造工程,2015,44(6):82-85.

[2] 于瑩.一種有害氣體智能監測系統設計[J].數字技術(shù)與應用,2016(5):192.

[3] 齊麗靜,戴靜.家居環(huán)境監測分析系統設計[J].科技與創(chuàng )新,2016(24):89-90.

[4] 劉俊琪,王黎明,侯亮,等.基于有害氣體的物聯(lián)網(wǎng)檢測系統設計[J].無(wú)線(xiàn)互聯(lián)科技,2017(11):33-34.

[5] 武士濤. 基于云平臺的有毒有害氣體監測系統設計[D].哈爾濱:哈爾濱理工大學(xué),2019.

[6] 呂斌,孫玉國.室內有害氣體云端監測系統設計[J].軟件,2019,40(12):158-162.

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

[8] GB/T 18883-2002,室內空氣質(zhì)量標準[S].

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年1月期）