基于物聯(lián)網(wǎng)與云計(jì)算的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

徐玲+胡海榮

摘 要：國(guó)內(nèi)對(duì)室內(nèi)居住環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究還停留在初級(jí)階段，室內(nèi)居住環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用普及率不高。并且目前的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還存在成本高、測(cè)量誤差較大等弊端，為實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化和實(shí)時(shí)性，文中設(shè)計(jì)了一種基于云計(jì)算與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)將物聯(lián)網(wǎng)與云計(jì)算技術(shù)相結(jié)合，用于室內(nèi)居住環(huán)境的監(jiān)測(cè)，并借助云計(jì)算信息技術(shù)平臺(tái)，建立綜合、通用的室內(nèi)居住環(huán)境云監(jiān)測(cè)平臺(tái)，對(duì)居住環(huán)境監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)和分析居住人員的舒適性具有重大意義。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)成本低、功耗小，使用簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定，測(cè)量精度較高，具有較好的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；云計(jì)算；舒適性評(píng)價(jià)模型；環(huán)境監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2017）04-00-02

0 引 言

電光源在室內(nèi)照明時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量，并對(duì)人體的熱舒適產(chǎn)生一定的影響，同時(shí)，室內(nèi)光源色溫的變化會(huì)引起人們心理對(duì)熱環(huán)境感受的差異。有些住宅由于燈光組合設(shè)計(jì)單一，住戶在夏季最炎熱時(shí)，往往通過減少室內(nèi)照明電光源的開啟數(shù)量以達(dá)到舒適要求，但降低了室內(nèi)照度，影響了光環(huán)境的質(zhì)量。而由于燈光設(shè)計(jì)缺乏足夠的應(yīng)變功能，當(dāng)家庭團(tuán)聚、會(huì)客或冬季較冷時(shí)又會(huì)感到燈光有些昏暗。為建立和諧的光和熱室內(nèi)居住環(huán)境，設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不僅讓人們擁有生理上的舒適感，還需滿足心理舒適的特殊要求[1]。但目前的室內(nèi)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)多數(shù)為有線方式，需要大量布線，影響室內(nèi)美觀，且系統(tǒng)維護(hù)和管理極為不便。而應(yīng)用較廣的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要針對(duì)戶外環(huán)境惡劣、條件復(fù)雜的區(qū)域，這些系統(tǒng)需考慮數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)及數(shù)據(jù)管理等關(guān)鍵問題。但對(duì)于特定的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)而言，這些系統(tǒng)顯得過于復(fù)雜且實(shí)用性較低[2]。

本文利用物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算技術(shù)設(shè)計(jì)了一種室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)方式的局域性和區(qū)域性，具有移動(dòng)性強(qiáng)、簡(jiǎn)單、可靠等優(yōu)點(diǎn)[3]。重點(diǎn)研究了影響室內(nèi)居住人員舒適性的各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)，建立了舒適性評(píng)價(jià)模型，并可根據(jù)建立的模型分析采集的數(shù)據(jù)，得出各項(xiàng)舒適性評(píng)價(jià)模型值。通過與室內(nèi)居住人員的舒適性主觀評(píng)價(jià)進(jìn)行對(duì)比和驗(yàn)證，證明該系統(tǒng)能夠有效監(jiān)測(cè)與室內(nèi)居住環(huán)境要素相關(guān)的參數(shù)指標(biāo)，并給出可以參考的使室內(nèi)舒適度最高的環(huán)境參數(shù)值。

1 室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 前端物聯(lián)網(wǎng)采集終端系統(tǒng)

前端物聯(lián)網(wǎng)采集終端設(shè)備主要由負(fù)責(zé)采集功能的終端控制器和負(fù)責(zé)匯總采集數(shù)據(jù)功能的終端協(xié)調(diào)器組成。采集數(shù)據(jù)包括溫濕度、可吸入顆粒物、噪聲、光照度。設(shè)備的采集、轉(zhuǎn)換、算法如圖1所示。

從圖1可知，主控制模塊可以根據(jù)相應(yīng)的規(guī)定算法將采集到的感知數(shù)據(jù)的真實(shí)值轉(zhuǎn)化為程序規(guī)定值，再將采集到的感知數(shù)據(jù)融合匯總，程序轉(zhuǎn)化值按1 Byte、2 Byte、4 Byte進(jìn)行分類融合匯總，以節(jié)省傳輸數(shù)據(jù)，減輕采集設(shè)備的負(fù)擔(dān)，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性[4]。

1.2 后端云監(jiān)測(cè)信息服務(wù)平臺(tái)

后端監(jiān)測(cè)信息服務(wù)平臺(tái)如圖2所示。后端監(jiān)測(cè)信息服務(wù)平臺(tái)結(jié)構(gòu)主要由Web云服務(wù)器、消息中間件、數(shù)據(jù)庫(kù)、終端設(shè)備等部分組成[5]。該后端監(jiān)測(cè)信息服務(wù)平臺(tái)負(fù)責(zé)存儲(chǔ)終端協(xié)調(diào)器上傳的匯總后的各房間的環(huán)境采集數(shù)據(jù)，并能分析、智能管理采集數(shù)據(jù)，通過舒適性評(píng)價(jià)模型計(jì)算出室內(nèi)居住環(huán)境的舒適性評(píng)價(jià)值。

2 室內(nèi)環(huán)境要素舒適性評(píng)價(jià)模型研究

根據(jù)參考文獻(xiàn)[6]提出一種簡(jiǎn)化的空氣環(huán)境舒適性評(píng)價(jià)方法，以綜合指標(biāo)對(duì)熱環(huán)境、聲環(huán)境和光環(huán)境舒適性進(jìn)行評(píng)價(jià)。建立空氣溫度舒適性評(píng)價(jià)模型PMVTMP和光環(huán)境舒適性評(píng)價(jià)模型PMVLU。

用室內(nèi)居住人員的主觀評(píng)價(jià)對(duì)評(píng)價(jià)模型進(jìn)行驗(yàn)證。將舒適性評(píng)價(jià)模型值“0”，“1”，“2”，“3”分別與室內(nèi)居住人員的主觀評(píng)價(jià)“舒適”，“稍不舒適”，“不舒適”，“極不舒適”對(duì)應(yīng)。

2.1 熱環(huán)境舒適性評(píng)價(jià)模型PMVTE

（1）空氣溫度舒適性評(píng)價(jià)模型PMVTMP

空氣溫度舒適性評(píng)價(jià)模型定義：當(dāng)空氣溫度為19～24℃時(shí)，居住人員感覺舒適，即PMVTMP=0，當(dāng)室內(nèi)空氣溫度低于11 ℃或高于32 ℃時(shí)，室內(nèi)居住人員感覺不舒適，即PMVTMP=2，因此關(guān)鍵點(diǎn)分別取11 ℃、24 ℃、32 ℃，熱環(huán)境的環(huán)境參數(shù)室內(nèi)空氣溫度自變量XTMP，定義空氣溫度舒適性評(píng)價(jià)模型PMVTMP如下：

當(dāng)XTMP=11，XTMP=24，XTMP=32，由式（1）和式（2）計(jì)算得到室內(nèi)空氣溫度的舒適性評(píng)價(jià)模型PMVTMP=2，PMVTMP=0，PMVTMP=2。

（2）熱環(huán)境舒適性評(píng)價(jià)模型PMVTE

熱環(huán)境舒適性評(píng)價(jià)模型PMVTE定義：分別對(duì)空氣溫度、空氣相對(duì)濕度建立了空氣溫度舒適性評(píng)價(jià)模型、空氣相對(duì)濕度舒適性評(píng)價(jià)模型，并用綜合指標(biāo)為熱環(huán)境舒適性建立評(píng)價(jià)模型。依據(jù)PMVTMP和PMVRH模型定義熱環(huán)境舒適性評(píng)價(jià)模型PMVTE如下：

2.2 光環(huán)境舒適性評(píng)價(jià)模型PMVLU

光環(huán)境舒適性評(píng)價(jià)PMVLU定義：通常室內(nèi)照度為400lx，當(dāng)照度達(dá)到700 lx時(shí)，室內(nèi)居住人員感覺不舒適，因此對(duì)室內(nèi)光環(huán)境照度環(huán)境參數(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)取為400lx和700lx，當(dāng)照度不小于400lx時(shí)，光環(huán)境的環(huán)境參數(shù)照度自變量為XLU，定義光環(huán)境舒適性評(píng)價(jià)模型PMVLU如下：

當(dāng)照度小于400lx時(shí)，光環(huán)境的環(huán)境參數(shù)照度自變量為XLU，定義光環(huán)境舒適性評(píng)價(jià)模型PMVLU如下：

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和舒適性評(píng)價(jià)

3.1 熱環(huán)境舒適性評(píng)價(jià)模型分析

在低中溫度下，室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)的空氣溫度的舒適性評(píng)價(jià)模型PMVTMP與室內(nèi)居住人員舒適性主觀評(píng)價(jià)的關(guān)系見表1所列。

根據(jù)居住環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集到的空氣溫度環(huán)境參數(shù)指標(biāo)信息，通過空氣溫度綜合指標(biāo)建立熱環(huán)境舒適性評(píng)價(jià)模型，驗(yàn)證熱環(huán)境舒適性評(píng)價(jià)模型PMVTE與居住人員舒適性主觀評(píng)價(jià)的關(guān)系，熱環(huán)境的空氣溫度環(huán)境參數(shù)指標(biāo)數(shù)據(jù)見表2所列。

室內(nèi)熱環(huán)境的舒適性評(píng)價(jià)模型PMVTE與室內(nèi)居住人員舒適性主觀評(píng)價(jià)值的對(duì)比關(guān)系如圖3所示。

從圖3可以看出，熱環(huán)境舒適性評(píng)價(jià)模型PMVTE與居住人員舒適性主觀評(píng)價(jià)值的對(duì)應(yīng)關(guān)系基本一致。為了營(yíng)造居住人員舒適性主觀評(píng)價(jià)高的室內(nèi)居住環(huán)境，應(yīng)將空氣溫度控制在28 ℃以下、空氣相對(duì)濕度控制在64%以下，對(duì)應(yīng)的空氣溫度舒適性評(píng)價(jià)模型PMVTMP=1、空氣相對(duì)濕度舒適性評(píng)價(jià)模型PMVRH=1。

3.2 光環(huán)境舒適性評(píng)價(jià)模型分析

在低中光照度情況下，光環(huán)境舒適性評(píng)價(jià)模型PMVLU與居住人員舒適性主觀評(píng)價(jià)的關(guān)系見表3所列。

光環(huán)境舒適性評(píng)價(jià)模型PMVLU與居住人員舒適性評(píng)價(jià)值的對(duì)比關(guān)系如圖4所示。

從圖4中看出，光環(huán)境舒適性評(píng)價(jià)模型PMVLU與居住人員舒適性主觀評(píng)價(jià)值的對(duì)應(yīng)關(guān)系基本一致。為了營(yíng)造居住人員舒適性主觀評(píng)價(jià)高的居住環(huán)境，應(yīng)該將光照度控制在100～700 lx范圍內(nèi)，對(duì)應(yīng)的聲環(huán)境舒適性評(píng)價(jià)模型PMVvo≤1，對(duì)于居住人員舒適性主觀評(píng)價(jià)更高的室內(nèi)居住環(huán)境，應(yīng)該將光照度控制在300～500 lx范圍內(nèi)，對(duì)應(yīng)的光環(huán)境舒適性評(píng)價(jià)模型PMVLU≤0.5。

4 結(jié) 語(yǔ)

利用建立的舒適度模型可對(duì)設(shè)備采集到的熱環(huán)境和光環(huán)境的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和分析，并給出環(huán)境舒適度較高的環(huán)境參數(shù)的參考，如有異常情況出現(xiàn)，住所主人可在測(cè)試平臺(tái)上實(shí)時(shí)觀察，以便及時(shí)采取措施。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，該系統(tǒng)靈敏度高、運(yùn)行穩(wěn)定、實(shí)時(shí)性強(qiáng)，且成本低、功耗小，易于擴(kuò)展。

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