中小學(xué)教學(xué)環(huán)境監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

季鑄　包依勤

摘 要：中小學(xué)是學(xué)生生長發(fā)育的重要階段，良好的教學(xué)和生活環(huán)境不僅有利于學(xué)生的身心健康，同時(shí)也為其一生的發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。近年來，各地學(xué)生的體質(zhì)與健康雖有所改善，但問題仍然較多，部分地區(qū)學(xué)生視力不良及肥胖率上升，易感冒且免疫力下降，齲齒患病率反彈等，嚴(yán)重影響著下一代接班人的成長和祖國安全。對(duì)中小學(xué)教學(xué)環(huán)境進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測與預(yù)警是本項(xiàng)目研究的目標(biāo)。本系統(tǒng)可通過數(shù)據(jù)采集器對(duì)校園環(huán)境的六個(gè)傳感器進(jìn)行監(jiān)測，并經(jīng)過網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)街悄芙K端，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測與預(yù)警。只要有智能終端上網(wǎng)就能實(shí)時(shí)了解教學(xué)環(huán)境現(xiàn)狀，及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在問題并提出指導(dǎo)意見，從而促進(jìn)學(xué)生身心健康的全面發(fā)展。

關(guān)鍵詞：生活環(huán)境；環(huán)境監(jiān)測；預(yù)警；傳感器

中圖分類號(hào)：X830 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2016）04-0-04

0 引 言

環(huán)境安全是環(huán)境領(lǐng)域與安全領(lǐng)域交叉產(chǎn)生的新概念，是國家安全、國際安全的重要組成部分，是近十幾年發(fā)展起來的一門新興科學(xué)，也有人稱之為綠色安全或生態(tài)安全。一般來說，環(huán)境安全指人類賴以生存發(fā)展的生態(tài)環(huán)境處于一種不受污染和破壞的安全狀態(tài)。對(duì)環(huán)境安全的理解包括兩個(gè)方面：一是免于因環(huán)境惡化而造成對(duì)人類生存的威脅；二是免于因環(huán)境爭端或沖突而形成對(duì)國家關(guān)系或群際關(guān)系的威脅。

近年來，各地學(xué)生體質(zhì)與健康狀況總體有所改善，但學(xué)生體質(zhì)健康方面存在的問題仍然較多，部分地區(qū)中小學(xué)生視力不良及肥胖檢出率持續(xù)上升，學(xué)生易感冒免疫力下降，齲齒患病率出現(xiàn)反彈等，嚴(yán)重影響下一代接班人的成長和祖國安全。有害環(huán)境對(duì)人的身體影響很大，比如今年被高度關(guān)注的PM2.5。PM2.5是指大氣中直徑小于或等于2.5微米的顆粒物，也被稱作入肺顆粒物。PM2.5的危害很大，除了會(huì)引發(fā)心臟病、動(dòng)脈硬化外，還會(huì)造成肺癌、支氣管炎、哮喘等疾病。除此之外，甲醛對(duì)人體的影響也不容忽視。甲醛濃度在每立方米空氣中達(dá)到0.06～0.07 mg/m3時(shí)，兒童就會(huì)發(fā)生輕微氣喘；當(dāng)室內(nèi)空氣中甲醛含量為0.1 mg/m3時(shí)，就有異味和不適感；達(dá)到0.5 mg/m3時(shí)，可刺激眼睛引起流淚；達(dá)到0.6 mg/m3時(shí)就會(huì)出現(xiàn)咽喉不適或疼痛。當(dāng)濃度更高時(shí)，可以引起惡心、嘔吐、咳嗽、胸悶、氣喘甚至肺水腫。中小學(xué)教學(xué)環(huán)境監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)能夠動(dòng)態(tài)采集傳感器的數(shù)據(jù)，若監(jiān)測數(shù)據(jù)超過一定范圍，則進(jìn)行預(yù)警，系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)下列環(huán)境指標(biāo)的采集：

（1）照明強(qiáng)度： 平均照明度不低于150 L。

（2）室內(nèi)空氣質(zhì)量： CO2 濃度<=0.15%，CO 濃度<=10 mg/m3。

（3）室內(nèi)溫度：冬天溫度在16～18 攝氏度之間。

（4）噪聲：室外噪聲<=50 分貝。

（5）甲醛濃度：≤0.08 mg/m3。

（6）PM2.5值：24 小時(shí)平均濃度小于75 mg/m3。

1 教學(xué)環(huán)境監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)的架構(gòu)

中小學(xué)教學(xué)環(huán)境監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)提供教學(xué)環(huán)境空氣質(zhì)量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查詢監(jiān)測預(yù)警，并對(duì)各個(gè)教學(xué)環(huán)境進(jìn)行集中管理。環(huán)境監(jiān)測平臺(tái)和移動(dòng)手持設(shè)備可實(shí)現(xiàn)教學(xué)環(huán)境的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測及自動(dòng)化監(jiān)控和數(shù)據(jù)自動(dòng)采集與存貯、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸和數(shù)據(jù)顯示，使家長及學(xué)校管理部門對(duì)教學(xué)環(huán)境進(jìn)行有效的監(jiān)控與管理、為校園提高空氣質(zhì)量、為凈化教學(xué)環(huán)境提供真實(shí)數(shù)據(jù)。

本系統(tǒng)是一個(gè)基于智能終端的教學(xué)環(huán)境空氣質(zhì)量管理系統(tǒng)，通過ARM嵌入式網(wǎng)關(guān)、甲醛傳感器、PM2.5傳感器、CO2傳感器、光照傳感器、溫度傳感器、聲音傳感器、EasyARM2131板以及Android/iOS智能終端構(gòu)成整個(gè)環(huán)境系統(tǒng)，主要綜合了教學(xué)環(huán)境空氣質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)控監(jiān)督、危險(xiǎn)預(yù)警等功能。本系統(tǒng)基于局域網(wǎng)，以TCP/IP協(xié)議和Modbus規(guī)約傳輸多種控制信號(hào)，易于Internet連接和訪問。教學(xué)環(huán)境監(jiān)管與預(yù)警系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集器由EasyARM2131和6個(gè)傳感器組成，EasyARM2131將Philips公司的LPC2131作為主控制器，LPC2131具有片內(nèi)8 KB的RAM和片內(nèi)64 K的程序Flash，具有2個(gè)串口，多個(gè)I2C和SPI接口，有64個(gè)管腳。數(shù)據(jù)采集器的LPC2131串口COM1與嵌入式物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)連接，串口COM0首先通過RS 232/RS 485轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成RS 485，再通過RS 485總線與六個(gè)傳感器連接。由于6個(gè)傳感器是不同型號(hào)并來自不同家廠，所以在選擇傳感器型號(hào)時(shí)必須考慮傳感器應(yīng)具備串行接口的特點(diǎn)。但不同的傳感器規(guī)約是不一樣的，需要LPC2131分別來處理。最后統(tǒng)一成一個(gè)Modbus規(guī)約，實(shí)現(xiàn)與ARM嵌入式網(wǎng)關(guān)的通訊。ARM嵌入式網(wǎng)關(guān)與移動(dòng)終端通訊采用TCP Socket通訊，也統(tǒng)一采用一個(gè)Modbus規(guī)約。

采集器的通訊分上、下行通訊，傳感器與數(shù)據(jù)采集器通訊是下行通訊，數(shù)據(jù)采集器與ARM嵌入式網(wǎng)關(guān)的通訊是上行通訊。在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時(shí)，下行通訊時(shí)各個(gè)傳感器不一致，如光照強(qiáng)度通訊格式如表1所列，而甲醛通訊格式如表2所列。這些需要在設(shè)計(jì)通訊程序時(shí)進(jìn)行處理。而上行通訊統(tǒng)一了規(guī)約，采用Modbus規(guī)約，便于網(wǎng)關(guān)的實(shí)時(shí)采集，同時(shí)，也保證了系統(tǒng)的可靠性。Modbus規(guī)約幀格式如表3所列； 功能碼如表4所列。由于將每個(gè)傳感器值作為寄存器，所以定義是多路寄存器，在設(shè)計(jì)中采用功能碼為10，數(shù)據(jù)格式如表5所列。

由于傳感器都是RS 232異步傳輸，所以需要采用232轉(zhuǎn)485技術(shù)，將6個(gè)傳感器并聯(lián)到485總線，再將總線接到EasyARM2131上。也有采用ZegBee技術(shù)與傳感器實(shí)現(xiàn)相聯(lián)的，但系統(tǒng)中考慮到傳感器與采集器比較靠近，成本問題及有線比無線更可靠。所以采用RS 485總路線通訊方式。

由于 6個(gè)傳感器的規(guī)約不一致，并且還有的是主動(dòng)上報(bào)方式，有的是查詢方式通訊，這些都需要ARM來處理，實(shí)現(xiàn)中主要采用如下方法：

（1）有5個(gè)傳感器，分別為溫度、光照強(qiáng)度、甲醛、PM2.5、噪聲傳感器，這些傳感器將實(shí)時(shí)上傳傳感器當(dāng)前值，采集器串口中斷方式接收數(shù)據(jù)并保存。

（2）有一個(gè)傳感器，不會(huì)主動(dòng)上報(bào)CO2當(dāng)前值，需要ARM每秒向CO2發(fā)送讀數(shù)據(jù)指令，采用串口查詢方式，才能讀取數(shù)據(jù)。

（3）ARM通過每個(gè)傳感器上傳的幀格式，采用不同的解析方式，識(shí)別傳來的數(shù)據(jù)究竟是哪一個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)。

（4）將ARM串口下行通訊獲得的數(shù)據(jù)保存到指定的Modbus寄存器，方便嵌入式網(wǎng)關(guān)格式讀取。

通過ARM定時(shí)1秒向CO2傳感器發(fā)送讀取指令，加上其他5個(gè)傳感器是主動(dòng)上報(bào)數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)了6個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)采集。

3 ARM嵌入式網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)

3.1 功能要求

ARM嵌入式網(wǎng)關(guān)采用TINY210板，基于Android操作系統(tǒng)，TINY210具備多個(gè)串口和一個(gè)無線網(wǎng)口。串口與數(shù)據(jù)采集器相聯(lián)，WiFi無線網(wǎng)口與互聯(lián)網(wǎng)相聯(lián)，通過軟件技術(shù)完成網(wǎng)關(guān)通訊的功能，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。ARM嵌入式網(wǎng)關(guān)主要具有管理用戶登陸、注冊、通訊設(shè)置、通訊、日志等功能。功能主要實(shí)現(xiàn)方法如下：

（1）TINY210是一個(gè)ARM開發(fā)平臺(tái)，它采用Android操作系統(tǒng)。

（2）ARM嵌入式網(wǎng)關(guān)選擇一個(gè)串口與數(shù)據(jù)采集器相連，動(dòng)態(tài)采集數(shù)據(jù)采集器中的傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并將各傳感器的數(shù)值存儲(chǔ)。當(dāng)有移動(dòng)終端訪問時(shí)，可直接向移動(dòng)終端返回實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

（3）ARM嵌入式網(wǎng)關(guān)除了向客戶端回應(yīng)傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)外，還具備用戶注冊、登錄、找回密碼等功能。

（4）用戶注冊：如果該用戶名沒有進(jìn)行過注冊，服務(wù)器會(huì)將傳來的用戶信息保存到數(shù)據(jù)庫（這里使用SQLite數(shù)據(jù)庫），然后向客戶端返回注冊成功的標(biāo)志。

（5）用戶登錄：如果密碼不對(duì)就返回登錄失敗，否則返回登錄成功并將該用戶的信息封裝好返回給客戶端。

（6）用戶找回密碼：服務(wù)器根據(jù)該用戶的手機(jī)號(hào)，通過“互億短信驗(yàn)證平臺(tái)”向該用戶手機(jī)發(fā)送一個(gè)隨機(jī)驗(yàn)證碼，該用戶能且僅能憑借該驗(yàn)證碼修改密碼。

（7）用戶操作請(qǐng)求4個(gè)開關(guān)，需要有一定權(quán)限才可操作。

3.2 軟件主界面

網(wǎng)關(guān)Android的主界面如圖3所示，通過設(shè)置界面按鈕，選擇串口0～串口4，通過通訊日志可以查看上行通訊和下行通訊的日志內(nèi)容，通過服務(wù)狀態(tài)開關(guān)，可開通和關(guān)閉網(wǎng)關(guān)服務(wù)。

4 智能終端軟件的設(shè)計(jì)

4.1 功能要求

移動(dòng)終端軟件分為Android系統(tǒng)與iOS系統(tǒng)軟件，設(shè)計(jì)功能要求如圖4所示，它具有下列功能：

（1）手機(jī)終端具備的功能。手機(jī)終端具備注冊，登錄，環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測，歷史數(shù)據(jù)查詢，智能控制，設(shè)置功能。

（2） 注冊。字段包括用戶名，手機(jī)號(hào)，權(quán)限和密碼。管理員注冊需要序列號(hào)用戶名，是用戶的唯一標(biāo)識(shí)符；密碼是用戶登錄的驗(yàn)證機(jī)制；權(quán)限有2種，分為普通用戶和管理員，其中，普通用戶只能查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，不能控制4個(gè)開關(guān)（電燈、風(fēng)扇、凈化器、報(bào)警器）和設(shè)置傳感器的閾值；手機(jī)號(hào)用于用戶找回密碼，服務(wù)器通過“互億短信驗(yàn)證平臺(tái)”的接口向該用戶發(fā)送含有驗(yàn)證碼的短信，該用戶能且僅能憑借該驗(yàn)證碼修改密碼。

（3）登錄。手機(jī)終端發(fā)送該用戶的用戶名和密碼給服務(wù)器，如果密碼正確，服務(wù)器會(huì)返回登錄成功標(biāo)志。

（4） 找回密碼。移動(dòng)終端向服務(wù)器發(fā)送該用戶的手機(jī)號(hào)，服務(wù)器通過“互億短信驗(yàn)證平臺(tái)”的接口向該用戶發(fā)送含有驗(yàn)證碼的短信，該用戶能且僅能憑借該驗(yàn)證碼修改密碼。

（5）環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測。手機(jī)終端每秒向服務(wù)器發(fā)送獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的請(qǐng)求碼，服務(wù)器會(huì)返回當(dāng)前各傳感器的值，分裝好返回給手機(jī)終端。

（6）歷史數(shù)據(jù)查詢。手機(jī)終端將每秒得到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫（SQLite），當(dāng)用戶查詢時(shí)就從數(shù)據(jù)庫（SQLite）中取出歷史數(shù)據(jù)形成曲線顯示。歷史查詢還可以根據(jù)選擇時(shí)段來顯示歷史數(shù)據(jù)（時(shí)間段可以選擇過去1小時(shí)或過去2小時(shí)）。

（7）智能控制。只有管理員才可以控制開關(guān)（電燈，風(fēng)扇，凈化器，報(bào)警器）。

（8）設(shè)置功能。自動(dòng)設(shè)置時(shí)需要管理員權(quán)限，在自動(dòng)控制狀態(tài)下，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)處理以下狀況：①甲醛超標(biāo)時(shí)開風(fēng)扇、開凈化器、開報(bào)警器；②PM2.5超標(biāo)時(shí)開風(fēng)扇、開凈化器、開報(bào)警器；③CO2超標(biāo)時(shí)開風(fēng)扇、開凈化器、開報(bào)警器；④光照超標(biāo)時(shí)開電燈、開報(bào)警器；⑤溫度超標(biāo)時(shí)開報(bào)警器。閾值設(shè)置指甲醛、PM2.5、CO2、光照、溫度、聲音閾值設(shè)置。

4.2 移動(dòng)終端

移動(dòng)終端（iOS和Android系統(tǒng)）的軟件流程圖如圖5所示。移動(dòng)終端主界面如圖6所示，6個(gè)傳感器值實(shí)時(shí)顯示，異常值用紅色顯示。

5 系統(tǒng)主要特點(diǎn)

該系統(tǒng)主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）系統(tǒng)采用Modbus通信協(xié)議。Modbus安全可靠、通俗易懂，作為本系統(tǒng)的統(tǒng)一的通信協(xié)議，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)來說，穩(wěn)定性、可靠性、可擴(kuò)展性更好。

（2）系統(tǒng)采用嵌入式網(wǎng)關(guān)技術(shù)，嵌入式網(wǎng)關(guān)具有服務(wù)器的功能，移動(dòng)終端連接網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和通訊功能，也可實(shí)現(xiàn)參數(shù)的設(shè)定、數(shù)據(jù)的顯示和曲線的查詢等功能。

（3）系統(tǒng)采用移動(dòng)終端技術(shù)，可通過iOS和Android這兩個(gè)移動(dòng)平臺(tái)對(duì)教學(xué)環(huán)境情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與管理，從而采取有效的治理措施，使教學(xué)環(huán)境得到有效改善。

6 結(jié) 語

本文對(duì)中小學(xué)教學(xué)環(huán)境監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行了研究與探討，分析了環(huán)境監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)的架構(gòu)和Modbus規(guī)約，提出了一套基于智能終端平臺(tái)的中小學(xué)教學(xué)環(huán)境監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用嵌入式網(wǎng)關(guān)技術(shù)和移動(dòng)終端技術(shù)，該技術(shù)應(yīng)用在中小學(xué)教學(xué)環(huán)境監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)中具有諸多顯著特點(diǎn)。在應(yīng)用中選擇具有基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和可靠的嵌入式等特點(diǎn)的移動(dòng)終端技術(shù)，使中小學(xué)教學(xué)環(huán)境監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)具有智能化和可移動(dòng)性?；谥悄芙K端平臺(tái)的中小學(xué)教學(xué)環(huán)境監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)在學(xué)校中的應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)，使學(xué)校管理部門對(duì)教學(xué)環(huán)境管理有了高效的監(jiān)管手段，對(duì)中小學(xué)教學(xué)環(huán)境監(jiān)測提供了可靠的真實(shí)數(shù)據(jù)，達(dá)到控制教學(xué)環(huán)境空氣質(zhì)量的目的，從而創(chuàng)建綠色校園、智慧校園、和諧校園。

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