室內(nèi)有害氣體云端監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

摘 ?要： 設(shè)計了一種基于STM32F103C8T6單片機的室內(nèi)有害氣體云端監(jiān)測系統(tǒng)。硬件部分包括環(huán)境參數(shù)感知單元、報警與控制單元、無線數(shù)據(jù)傳輸單元;軟件部分包括云服務(wù)器設(shè)計，數(shù)據(jù)庫交互，監(jiān)測界面設(shè)計。硬件部分采用ESP8266的透傳模式進行wifi傳輸，并使用Json打包技術(shù)保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性。云服務(wù)器端使用jsonToBean對json包進行解析，并使用Springboot和mybatis框架對接收數(shù)據(jù)進行控制和處理，前端采用http協(xié)議和thymeleaf模板實時展示數(shù)據(jù)庫存儲的數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞： 有害氣體檢測;無線數(shù)據(jù)傳輸;云服務(wù)器;數(shù)據(jù)庫

中圖分類號： TP311 ? ?文獻標(biāo)識碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.12.035

本文著錄格式：呂斌，孫玉國. 室內(nèi)有害氣體云端監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J]. 軟件，2019，40（12）：158162

Design of Cloud Monitoring System for Indoor Hazardous Gases

LV Bin， SUN Yu-guo*

（School of Optical-Electrical and Computer Engineering， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093）

【Abstract】： A cloud monitoring system for indoor hazardous gases based on STM32F103C8T6 microcontroller is designed. The hardware part includes the environmental parameter perception unit， the alarm and control unit， the wireless data transmission unit， and the software part includes the cloud server design， the database interaction， and the monitoring interface design. The hardware portion uses ESP8266's transmission mode for wifi transmission and uses Json packaging technology to ensure the accuracy and completeness of the data. The cloud server ?uses jsonToBean to parse the json package， controling and processing the receiving data using the Springboot and mybatis frameworks， with the front end using http protocols and thymeleaf templates to present the data stored in the database in real time.

【Key words】： Harmful gas detection; Wireless data transmission; Cloud servers; Database

0 ?引言

隨著人們生活水平日漸提高，室內(nèi)裝飾材料及家具的污染是目前造成室內(nèi)空氣污染的主要方面，主要包括甲醛、苯、甲苯、乙醇、氯仿等有機蒸 ? ? 氣[1-4]。同時，室內(nèi)烹飪與吸煙的燃燒產(chǎn)物具有致癌性。因此，如何可靠、及時、安全地監(jiān)測出有毒有害氣體，并及時為監(jiān)測人員提供決策依據(jù)顯得尤為關(guān)鍵。

為了解決上述問題，提出了有害氣體云端監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)想，該系統(tǒng)是將傳感器、無線通信技術(shù)、計算機軟件編程等技術(shù)融為一體，以科學(xué)的方法監(jiān)測有害氣體濃度值變化。云平臺可以保證24小時對應(yīng)用服務(wù)的運維監(jiān)控，公共外網(wǎng)可以實現(xiàn)隨時隨地

對服務(wù)器端進行http請求，并查詢數(shù)據(jù)庫。云平臺具有多地域、全方位、立體式、智能化的IT運維監(jiān)控的特點[5]。本文借助云平臺搭建了一套全方位發(fā)揮作用的高效、準(zhǔn)確、實時的有害氣體云端監(jiān)測 ? 系統(tǒng)。

1 ?整體設(shè)計框圖

有害氣體濃度檢測報警系統(tǒng)框圖如圖1有害氣體監(jiān)測系統(tǒng)所示：系統(tǒng)由一個負(fù)責(zé)與PC機通信的主機節(jié)點和多個采集數(shù)據(jù)節(jié)點模塊組成檢測網(wǎng)絡(luò)，每個數(shù)據(jù)采集節(jié)點通過MQ系列的氣體傳感器采集甲醛氣體、CO等氣體濃度數(shù)據(jù)。整個監(jiān)測系統(tǒng)主要由監(jiān)測終端模塊、WiFi模塊、數(shù)據(jù)處理單元、主機

服務(wù)器和遠程云服務(wù)器構(gòu)成。

數(shù)據(jù)處理單元接收各采集節(jié)點傳輸來的數(shù)據(jù)，接收到數(shù)據(jù)之后，微處理器MCU對有效數(shù)據(jù)進行處理，并送至PC服務(wù)器和云服務(wù)器。在瀏覽器中輸入網(wǎng)址即可。

將室內(nèi)環(huán)境參數(shù)實時顯示給用戶。同時，當(dāng)室內(nèi)的有害氣體濃度高于設(shè)定的安全值時，數(shù)據(jù)處理單元會對數(shù)據(jù)進行分析并觸發(fā)報警系統(tǒng)，以便降低有害氣體帶來的危害。

圖1 ?有害氣體監(jiān)測系統(tǒng)

Fig.1 ?Hazardous Gas Monitoring System

系統(tǒng)軟件部分基于javaSocket編程，結(jié)合springBoot框架，在云端部署了一套java代碼，可以隨時隨地通過url訪問檢測到的氣體濃度，服務(wù)器監(jiān)測端如圖2所示。

圖2 ?服務(wù)器監(jiān)測端

Fig.2 ?Server Monitoring End

2 ?系統(tǒng)硬件設(shè)計

硬件設(shè)計部分由5部分組成，分別為環(huán)境參數(shù)感知單元、人機交互單元、無線數(shù)據(jù)傳輸單元、報警與控制單元和數(shù)據(jù)處理單元，如圖3系統(tǒng)硬件設(shè)計示意圖所示。

本系統(tǒng)檢測的氣體分別為一氧化碳、甲醛、甲烷、油煙和空氣質(zhì)量傳感器。傳感器選擇MQ系列的半導(dǎo)體氣體傳感器，因為其反應(yīng)速度快，結(jié)構(gòu)簡單、檢測靈敏度高的特點[6]，能夠保證參數(shù)獲取的精準(zhǔn)性和穩(wěn)定性。 室內(nèi)有害氣體經(jīng)由傳感器感知的電壓值，傳遞給數(shù)據(jù)處理單元的MCU接收處理，進行相應(yīng)的AD轉(zhuǎn)換。然后，在MCU內(nèi)部經(jīng)修正、分析、判斷后，按照空氣質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)判定出空氣質(zhì)量的評價等級，若數(shù)據(jù)超過一定指標(biāo)，則立即發(fā)出聲光報警同時，MCU通過wifi模塊，將數(shù)據(jù)傳送給java服務(wù)器端主程序。

2.1 ?環(huán)境參數(shù)感知單元

環(huán)境感知單元由氣體傳感器組成，分析比較了以下四類傳感器的優(yōu)缺點后，選擇了半導(dǎo)體氣體傳感器半導(dǎo)體氣體傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、檢測靈敏、反應(yīng)時間短以及成本低廉等優(yōu)點[7]。

本系統(tǒng)選擇了MQ系列的半導(dǎo)體傳感器，分別為一氧化碳（MQ7）、甲醛（MQ135）、甲烷（MQ4）、油煙（MQ-5）。

2.2 ?報警與控制單元單元

報警與控制單元的氣體濃度報警閾值參考國家室內(nèi)統(tǒng)計監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)GB50325設(shè)計完成[8]，具體指標(biāo)如表1室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)一覽表所示。

表1 ?室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)一覽表

Tab.1 ?List of indoor air quality standards

氣體名稱 標(biāo)準(zhǔn)值/（mg/m3） 氣體名稱 標(biāo)準(zhǔn)值/（mg/m3）

甲醛 0.08 氨 0.20

PM10 0.15 苯 0.11

二氧化硫 0.50 一氧化碳 10

二氧化氮 0.15 二氧化碳 1260

蜂鳴器驅(qū)動電路由蜂鳴器、電阻和三級晶體管構(gòu)成。使用STM32的定時模式設(shè)置參數(shù)，產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)電平，使蜂鳴器的周期為400 us。其后，通過晶體管組成的放大電路讓蜂鳴器工作。收集到的氣體濃度信號由數(shù)字處理單元的A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，由處理單元分析處理，判斷相應(yīng)氣體濃度是否符合正常范圍。若超出表2所述范圍，輸出電壓驅(qū)動蜂鳴器警報。

2.3 ?無線數(shù)據(jù)傳輸單元

無線通信技術(shù)選用wifi傳輸技術(shù)，成本低、覆蓋范圍廣、速度快[9]。無線數(shù)據(jù)傳輸單元選擇ESP8266模塊。

在ESP8266模塊的串口透傳功能下有3種工作模式[10]，如表2所示。

表2 ?ESP8266透傳的3種工作模式

Tab.2 ?Three modes of operation for

ESP8266 transmission

模式 充當(dāng)角色 作用

STA模式 路由器 通過互聯(lián)網(wǎng)對設(shè)備遠程控制

AP模式 熱點 直接與模塊通信

STA+AP模式 共存 共存

本系統(tǒng)使用STA+AP模式，進行數(shù)據(jù)透傳。數(shù)據(jù)處理單元將處理好的數(shù)據(jù)進行json格式打包，發(fā)送給java服務(wù)器。

3 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計

服務(wù)器端采用socket網(wǎng)絡(luò)編程，接收Esp8266發(fā)送的json包，實現(xiàn)對遠程數(shù)據(jù)進行解析、處理和實時查詢、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。

相較于傳統(tǒng)的C/S模式，本文采用了B/S模式。云服務(wù)端采用springboot微服務(wù)框架和mybatis實現(xiàn)了一個統(tǒng)一的http數(shù)據(jù)請求接口服務(wù)。在此基礎(chǔ)上，采用了thymeleaf前端開發(fā)框架對數(shù)據(jù)請求頁面進行布局和渲染。軟件設(shè)計系統(tǒng)整體框圖如圖3所示。

圖3 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計框圖

Fig.3 ?System Software Design Frame

3.1 ?云服務(wù)器端設(shè)計

本文STM32單片機與服務(wù)器之間的交互通訊采用java socket網(wǎng)絡(luò)編程來實現(xiàn)。如果把單片機作為客戶端，網(wǎng)絡(luò)上的兩端通過一個單向的連接，即客戶端向服務(wù)器實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞，這條鏈路的java服務(wù)器端稱為Socket[11]。在Java環(huán)境下，套接字Socket主要是指基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)編程，一個Socket由一個IP地址和一個端口號唯一確定。依據(jù)TCP協(xié)議，在瀏覽器-服務(wù)器模式架構(gòu)的通訊過程中，服務(wù)器的Socket動作如下：

（1）服務(wù)器端，自行設(shè)置一個端口來實例化一個 ServerSocket對象，這個端口號一般選擇8080以上的閑置端口號。端口設(shè)置完畢后，服務(wù)器就開始時刻監(jiān)聽這個端口從wifi模塊發(fā)送來的連接請求。

（2）調(diào)用ServerSocket的accept方法，開始監(jiān)聽從端口上發(fā)來的連接請求[12]。

（3）利用accept方法返回的客戶端的Socket對象，進行讀寫IO的操作。

通訊完成后，關(guān)閉打開的流和Socket對象。Socket通信模型如圖4所示。

圖4 ?socket通信模型圖

Fig.4 ?Socket communication model diagram

服務(wù)器程序使用阿里巴巴開發(fā)的開源fastjson jar包對json格式的數(shù)據(jù)進行實體類轉(zhuǎn)換，如圖5所示并存入數(shù)據(jù)庫。

圖5 ?json數(shù)據(jù)存儲展示圖

參考文獻

[1]Cincinelli A， Martellini T. Indoor Air Quality and Health[J].

Atmospheric Environment， 2017， 14（11）： 4535-4564.

[2]Afshari A， Anderson H R， Cohen A， et al. WHO guidelines for indoor air quality： dampness and mould[M]. World Health

Organization， 2009.

[3]藺雪芹， 王岱. 中國城市空氣質(zhì)量時空演化特征及社會經(jīng)濟驅(qū)動[J]. 地理學(xué)報， 2016， 71（08）： 1357-1371.

[4]吳娜. 甲醛氣敏元件研制及靈敏度特性研究[D].大連理工大學(xué)， 2006.

[5]何東， 寧文慧. 基于云服務(wù)器和Zig Bee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的茶園遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)， 2018， 46（10）： 189-190.

[6]馬戎， 周王民， 陳明. 氣體傳感器的研究及發(fā)展方向[J]. 航空計測技術(shù)， 2004， 04： 1-4.

[7]閆軍. 工作區(qū)有害氣體檢測的五種常用傳感器[J]. 儀器儀表與分析監(jiān)測. 2001， （2）： 6-7.

[8]徐驁博. 室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)的研究[D]. 黑龍江大學(xué)， 2016.

[9]夏少波， 許娥. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN探究[J]. 通信技術(shù)， 2010， 08： 0018-0020.

[10]程傳明， 王平， 施文灶， 等. 有害氣體監(jiān)測中無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 電子測量技術(shù)， 2009， 01： 154-157.

[11]CameronWalker， Mlehae1OSullivan， TimothyThomPson， A mixed-integer approach to Core-Edge design of Storagearea networks[J]. Computers & Operations Research 34（2007）： 2976-3000.

[12]方騰飛， 魏鵬， 程曉明. Java 并發(fā)編程的藝術(shù)[M] . 北京： 機械工業(yè)出版社， 2015.

[13]陳瑞. 基于springBoot高并發(fā)Java Web開發(fā)模式[J]. 軟件開發(fā)與應(yīng)用， 2019， 4（009）： 27-30.

[14]楊慧. 基于Spring MVC與iBATIS框架的企業(yè)工單管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D]. 北京： 中國科學(xué)院大學(xué)（工程管理與信息技術(shù)學(xué)院）， 2015.