基于阿里云IOT的簡(jiǎn)易遠(yuǎn)程室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

◆呂琪

安全模型、算法與編程

基于阿里云IOT的簡(jiǎn)易遠(yuǎn)程室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

◆呂琪

（江蘇科技大學(xué)（鎮(zhèn)江）深藍(lán)學(xué)院 江蘇 212003）

本文針對(duì)室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)復(fù)雜度高和互動(dòng)性低等問題，設(shè)計(jì)一種基于阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的簡(jiǎn)易遠(yuǎn)程室內(nèi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以含有WiFi模塊的Arduino（ESP-32）單片機(jī)為核心，通過信息采集和顯示模塊，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)室內(nèi)環(huán)境參數(shù)變化，并依托阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)（IOT），設(shè)計(jì)一個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)交互界面，遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)室內(nèi)環(huán)境。實(shí)驗(yàn)表明，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以有效監(jiān)測(cè)室內(nèi)環(huán)境，并遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、反饋環(huán)境信息，達(dá)到功能設(shè)計(jì)要求。該系統(tǒng)成本低，簡(jiǎn)單實(shí)用，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

Arduino；阿里云（IOT）；遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)

濕度是影響人體感官的重要環(huán)境因素之一。長(zhǎng)期暴露于低相對(duì)濕度的環(huán)境會(huì)導(dǎo)致人體淚膜穩(wěn)定性下降，進(jìn)而致使眼睛干燥，出現(xiàn)高滲和炎癥反應(yīng)；較高濕度的環(huán)境則可以改善用戶睡眠，減少聲帶負(fù)擔(dān)[1]。此外，相對(duì)高的濕度條件能在一定程度上抑制新型冠狀病毒（COVID-19）的有效繁殖，從而降低其傳播率[2]。但是，過高的相對(duì)濕度會(huì)導(dǎo)致室內(nèi)出現(xiàn)霉菌污染物，從而影響用戶的健康。因此，世界衛(wèi)生組織建議將室內(nèi)相對(duì)濕度保持在75%以下[3]。采用室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境參數(shù)，及時(shí)反饋給用戶，可以有效預(yù)知因相對(duì)濕度問題而出現(xiàn)人體不適的情形。

傳統(tǒng)的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)通常需要復(fù)雜電路和諸多設(shè)備器件，并輔以精密的操作，監(jiān)測(cè)結(jié)果往往并不能給予用戶及時(shí)的反饋，從成本和效用角度來看極為浪費(fèi)且煩瑣。隨著智能技術(shù)的發(fā)展，逐漸出現(xiàn)了以集成傳感器和計(jì)算機(jī)技術(shù)為主的溫濕度監(jiān)測(cè)方式，此種方式大幅簡(jiǎn)化電路，提高了測(cè)量精度[4]。

物聯(lián)網(wǎng)（IOT）可實(shí)現(xiàn)用戶、物理對(duì)象之間不受時(shí)空限制互聯(lián)互通。通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行信息交換和通信，可以實(shí)現(xiàn)物與物、物與人的泛在連接，從而能夠智能化感知、識(shí)別和管理物體和過程。目前，IOT在智能家居、智能交通、公共安全、智能停車場(chǎng)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[5]。

因此，本系統(tǒng)依托于阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，以Arduino單片機(jī)和集成傳感器為基礎(chǔ)，構(gòu)建一種簡(jiǎn)單實(shí)用，遠(yuǎn)程交互的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。當(dāng)用戶可以通過阿里云IOT交互界面設(shè)定環(huán)境參數(shù)值后，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)殘疾室內(nèi)環(huán)境，比較環(huán)境參數(shù)，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)指示，以及通過釘釘機(jī)器人遠(yuǎn)程反饋給用戶，從而有效預(yù)知不適當(dāng)?shù)氖覂?nèi)環(huán)境。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由圖1所示構(gòu)成，包含了信息監(jiān)測(cè)模塊，信息反饋模塊和阿里云IOT平臺(tái)三部分，其中信息監(jiān)測(cè)模塊負(fù)責(zé)傳感器監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)上傳，信息反饋模塊負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)，從硬件上做出反饋。阿里云IOT平臺(tái)負(fù)責(zé)接收記錄監(jiān)測(cè)終端上傳的數(shù)據(jù)信息以及向用戶端發(fā)送監(jiān)測(cè)結(jié)果信息。用戶可以使用手機(jī)或電腦等終端設(shè)備在任意地點(diǎn)通過網(wǎng)頁方式實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)溫濕度監(jiān)測(cè)結(jié)果的查看。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件部分主要由ESP32主控模塊、紅色食人魚LED模塊和DHT11數(shù)字溫濕度傳感器模塊構(gòu)成。如圖2所示。

DFRobotFireBeetle系列的FireBeetle Board-ESP32為智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主板，其超低功耗的外圍硬件、小尺寸的兼容性設(shè)計(jì)以及豐富的外設(shè)，同時(shí)編程方式對(duì)于Arduino IDE編程的完全兼容，促使其成為IOT應(yīng)用于低功耗項(xiàng)目的最優(yōu)選擇。

圖2 系統(tǒng)硬件部分

紅色食人魚LED模塊使用食人魚LED，光衰小，視角大，散熱好，使用壽命長(zhǎng)，且發(fā)光強(qiáng)度高，適合用于室內(nèi)智能監(jiān)測(cè)的要求，同時(shí)維修成本低，降低了使用復(fù)雜度。另外，當(dāng)結(jié)合Arduino專用傳感器擴(kuò)展板和環(huán)境光線傳感器使用時(shí)，可實(shí)現(xiàn)與光線相關(guān)的互動(dòng)作品。

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器模塊是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，其傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，且與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接。其體積超小，功耗極低，加之?dāng)?shù)據(jù)傳輸距離超長(zhǎng)和長(zhǎng)期穩(wěn)定性卓越，另外還有響應(yīng)超快、抗干擾能力強(qiáng)，種種優(yōu)勢(shì)均使其成為智能監(jiān)測(cè)的最佳之選，其性價(jià)比極高，從而有效地減小了成本。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)主要分為監(jiān)測(cè)終端的軟件設(shè)計(jì)和反饋中心的軟件設(shè)計(jì)。

3.1 監(jiān)測(cè)終端軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)終端軟件流程如圖3所示。

圖3 監(jiān)測(cè)終端軟件流程圖

監(jiān)測(cè)終端基于Arduino軟件環(huán)境開發(fā)平臺(tái)，該平臺(tái)支持C語言或C++進(jìn)行編程。程序經(jīng)過驗(yàn)證無誤后即可上傳燒錄至硬件設(shè)備，繼而通過用戶的WiFi的通斷來控制硬件設(shè)備。先對(duì)模塊進(jìn)行初始化，設(shè)定數(shù)據(jù)采集接口，配置相關(guān)內(nèi)容，連接阿里云平臺(tái)，根據(jù)程序設(shè)定的上報(bào)信息和訂閱信息對(duì)接收到的信息進(jìn)行處理。當(dāng)接收到訂閱消息時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)函數(shù)的設(shè)置來控制硬件設(shè)備，同時(shí)將控制結(jié)果信息上報(bào)至云端，方便用戶通過移動(dòng)端查看監(jiān)測(cè)結(jié)果。圖4程序中，系統(tǒng)通過對(duì)燈的開關(guān)進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)LED燈亮暗的控制。

圖4 燈開關(guān)編程

3.2 反饋中心軟件設(shè)計(jì)

反饋中心基于阿里云IOT平臺(tái)，該平臺(tái)可以直接管理設(shè)備，并提供豐富的開發(fā)服務(wù)。在平臺(tái)的項(xiàng)目下創(chuàng)建產(chǎn)品，自定義產(chǎn)品的溫濕度監(jiān)測(cè)功能和提示燈的指示功能用于系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和反饋，在功能定義下具體設(shè)置溫濕度的取值范圍和數(shù)據(jù)類型來監(jiān)測(cè)所需范圍內(nèi)的環(huán)境因素及其精確度。另外，為產(chǎn)品配備設(shè)備以實(shí)現(xiàn)后續(xù)的節(jié)點(diǎn)操作。

在可視化Web應(yīng)用開發(fā)中，對(duì)監(jiān)測(cè)界面進(jìn)行設(shè)計(jì)，配置實(shí)時(shí)曲線和卡片以便觀察實(shí)時(shí)溫濕度及其一段時(shí)間內(nèi)的變化趨勢(shì)，同時(shí)按鈕標(biāo)簽組將溫濕度監(jiān)測(cè)結(jié)果合二為一，可以選擇觀測(cè)。另外，指示燈將硬件的反饋結(jié)果顯示在云端界面，實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)端的統(tǒng)一管理。

在業(yè)務(wù)邏輯服務(wù)中，通過編排設(shè)備觸發(fā)、路徑選擇、釘釘機(jī)器人和溫濕度監(jiān)測(cè)等節(jié)點(diǎn)形成一條編排流來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)反饋。如圖5所示，設(shè)置監(jiān)測(cè)選擇觸發(fā)條件為濕度，使用路徑選擇節(jié)點(diǎn)對(duì)輸入相對(duì)濕度變量進(jìn)行路徑配置從而達(dá)成相對(duì)濕度的范圍與反饋相匹配的結(jié)果。

圖5 編排流

4 系統(tǒng)調(diào)試與結(jié)果分析

通過放置該系統(tǒng)于室內(nèi)，驗(yàn)證其功能。

4.1 系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

由圖6，當(dāng)室內(nèi)相對(duì)濕度不小于75%RH時(shí)，硬件設(shè)備中LED燈亮；反之，LED燈滅。

圖6 硬件圖（左：相對(duì)濕度75%RH，右：相對(duì)濕度75%RH）

4.2 云端遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)

（1）云端數(shù)據(jù)顯示

當(dāng)相對(duì)濕度不小于75%RH時(shí)，如圖7所示，用戶界面中提示燈亮，提醒用戶濕度過大，及時(shí)通風(fēng)透氣祛濕，以保證相對(duì)濕度合理。相反，當(dāng)相對(duì)濕度小于75%時(shí)，由圖8可見，用戶界面中提示燈熄滅，表示相對(duì)濕度在適宜的范圍內(nèi)，可滿足日常的作息。

圖7 相對(duì)濕度75%RH用戶界面（左：相對(duì)濕度，右：溫度）

圖8 相對(duì)濕度75%RH用戶界面（左：相對(duì)濕度，右：溫度）

（2）用戶設(shè)定參數(shù)與信息反饋

用戶可在節(jié)點(diǎn)配置下的路徑配置中更改環(huán)境對(duì)比參數(shù)，由圖9所示，本系統(tǒng)設(shè)置判斷為相對(duì)濕度是否小于75%RH。

圖9 節(jié)點(diǎn)配置

當(dāng)相對(duì)濕度小于75%RH時(shí)，如圖10，釘釘機(jī)器人在群內(nèi)發(fā)出提醒“濕度在合理范圍！”；反之，硬件及監(jiān)測(cè)界面指示燈亮。

圖10 釘釘機(jī)器人提醒

由圖6至圖10可見，系統(tǒng)運(yùn)行正常，并且可以實(shí)時(shí)記錄室內(nèi)環(huán)境的溫度和相對(duì)濕度及其變化趨勢(shì)，進(jìn)而對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行處理反饋。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)的各項(xiàng)功能都達(dá)到了實(shí)用的要求。

5 結(jié)束語

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見，基于阿里云IOT的簡(jiǎn)易遠(yuǎn)程室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能較好地實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和上傳。系統(tǒng)以極少的硬件設(shè)備簡(jiǎn)化了用戶的管理和使用；以移動(dòng)端訪問形式精簡(jiǎn)了用戶獲取室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)結(jié)果的方式。同時(shí)免費(fèi)開放的服務(wù)平臺(tái)使技術(shù)開發(fā)的難度和成本都大幅度降低。憑借IOT技術(shù)的發(fā)展和阿里云IOT平臺(tái)的開放共享，系統(tǒng)將適應(yīng)未來自動(dòng)化智能家居技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

[1]PederWolkoff.Indoor air humidity，airquality，and health-Anoverview[J].International Journal of Sustainable Built Environment.2018.volumn 221，p.376-390.

[2]JingyuanWang，KeTang，KaiFeng，XinLin，WeifengLv，KunChen，F(xiàn)eiWang.High Temperature and High Humidity Reduce the Transmission of COVID-19[J/OL].http://dx.doi.org/10.2139/ssrn.3551767.

[3]H.Wu，J.W.C.Wong.Current challenges for shaping thesustainable and mold-free hygienic indoor environment in humid regions[J].Letters in Applied Microbiology.2020.volumn 70，p.396-406

[4]袁易君.無線溫度、濕度監(jiān)測(cè)儀研究[J].現(xiàn)代企業(yè)文化，2008（35）：101-102.

[5]劉陳，景興紅，董鋼.淺談物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)特點(diǎn)及其廣泛應(yīng)用[J].科學(xué)咨詢，2011（9）：86.