基于云计算的室内环境监测系统的研究

摘 要：室内环境的质量直接或者间接影响着人们的身心健康。本文以云计算为设想，主要以arduino 2560主控模块、网络传输模块、传感器检测模块、电平转换模块等把实时监测、处理、报警结合成一体。另外，在嵌入式系统下设计嵌入式Web服务器，并在LCD显示屏、网页等平台上显示信息，提高了环境质量监测的可靠性、实时性，希望可以提高、改善环境质量。

关键词：云计算；监测系统；嵌入式系统

1 系统的总体设计

根据实际情况，我们设计了基于单片机的小型系统，结构图如图1所示，该系统采用arduino2560芯片，传感器采集到信息后，单片机经过A/D D/A转换后，在LCD显示器显示的同时通过W5100模块传输到我们的查询平台，如果传感器采集的值超过预定的阈值，则通过串口报警模块发短信报警。

2 硬件设计

室内环境监测仪实现自动对家居环境中的温度、湿度、一氧化碳浓度、烟雾浓度、甲烷浓度等进行数据采集，对采集的数据进行处理、指示分析，将监测的指标信息显示在液晶屏上，并将数据传输到云端进行存储，用户通过信息平台可及时获取室内环境的指标，掌握室内环境的状况。当某些检测参数超过域值时，例如甲醛浓度、一氧化碳浓度、甲烷浓度、烟雾浓度、有害气体浓度超标时，首先进行本地声光报警提示并发送远程报警信息到指定的手机上。我们将GPS/GPRS模块应用到系统上，实现基于GPS/GPRS的环境监测，当检测室内各种有害气体超标时，发短信到用户手机，做到实时信息传递。本着以人为本的思想，经过初步计算设计了环境监测系统图，如图2所示。

核心控制采用意大利的arduino mega 2560，它有着开放的源代码以及电路图，操作简单，提供免费的下载接口，支持ISP在线烧等等很多优点。

温湿度传感器模块：DHT11温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，其湿度测量范围为10%～90%，温度测量范围为0～50℃，误差范围5%，完全适合我们的要求，它内部采用了但总线传输结构，便于与各种MCU连接，并且信号传输距离远。PM2.5粉尘传感器采用粒子计数，可以灵敏的监测出直径在1微米以上的粒子，尺寸小，质量轻而且易于安装传感器的特性曲线如图3所示。

W5100是多功能的网络接口芯片，内部集成了10/100Mbps以太网控制器，主要应用于高集成、高性能、高稳定和低成本的嵌入式系统中。W5100与 IEEE802.3 10BASE-T和802.3u 100BASE-TX兼容。W5100内部集成了全硬件的、且经过多年市场验证的TCP/IP协议栈、以太网介质传输层（MAC）和物理层（PHY）。W5100内部还集成有16KB存储器用于数据传输。使用W5100不需要考虑以太网的控制，只需要进行简单的端口编程。如下实例：

byte mac[] = {

0xDE， 0xAD， 0xBE， 0xEF， 0xFE， 0xED

}；//设置路由器mac地址

IPAddress ip（192，168，1， 15）；//设置本主机ip地址

EthernetServer server（80）；//设置浏览器端口号

client.println（\"HTTP/1.1 200 OK\"）；//写入HTTP协议

3 软件设计

本设计是利用跨平台的java语言写的web网页前端，mysql语句操作后台数据库，当软件接收到w5100通过网络发送过来的数据包后，进行解压分组，用数据库语句处理分组后的数据，判断是否合理，如果合理则存入数据库中，否则丢弃。我们还进一步对数据进行了处理，将采集到的数据进行处理画出对应的折线图，以便客户更好地了解室内环境各物质浓度的变化情况，具体原理图如图4所示。硬件采集的数据也会有偶然误差，效果不是百分之百的准确，为了解决这个问题，就要利用到滤波算法，滤波算法有很多，经过比较我才用了数字滤波算法和算术平均值滤波算法，有效地提高了数据的可靠性和真实性。具体算法原理如下：连续采集N个样本，存入数组中，数组的长度固定，然后去除其中的最大值和最小值而取剩余的N-2个A/D转换值的平均值，N一般取5～10。大量实验证明，在没有采用滤波算法前，系统稳定状态下会产生误差，传感器读数波动比较大；采用滤波算法后，传感器读数波动明显变小，特别是变化缓慢的环境下，读数基本保持稳定，自动控制系统没有误动作。

4 结束语

伴随着人们生活水平的提高，室内环境的质量是人们比较在意的一个话题，环境的好与坏直接影响的是人们的生活质量，本项目主要研究对家居环境中的甲醛浓度、苯及苯蒸气浓度、天然气浓度、一氧化碳浓度、烟雾浓度、温度、湿度等有害污染物进行的监测、显示并在污染物浓度超标时，发出报警信息，提示用户及时应对处理，经过检测与使用，得出结论系统不仅适合家庭、学校还适合工厂等与环境监测相关的领域，实现了环境的远程实时监测，采集的数据精度较高，克服了环境监测的局域性和区域性，不但提高了效率，而且提高了环境监测的信息化和自动化水平。

参考文献

[1]崔曼，薛惠锋，卜凡彪，等.基于物联网与云计算的环境监测系统研究[J].西安工业大学学报，2013（7）.

[2]李国刚，李旭文，温香彩.物联网技术发展与环境自动监控系统建设[J].中国环境监测，2011（1）.

[3]贾益刚.物联网技术在环境监测和预警中的应用研究[J].上海建设科技，2010（6）.

[4]郭文强，张玉杰，侯勇严，等.无线传感器网络在环境监测系统中的设计与应用[J].陕西科技大学学报（自然科学版），2012（4）.

[5]董文宇.一种基于物联网云计算的无线室内空气质量监测技术[J].中国新通信，2012（24）.