基于NB-IoT的室外環(huán)境空氣質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

董 瑩，孫擁軍

(1.山東省濰坊生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，山東 濰坊 261041；2.濰坊市工業(yè)發(fā)展促進(jìn)中心，山東 濰坊 261041)

0 引言

空氣質(zhì)量可以反映出大氣污染程度，它是依據(jù)空氣中污染性物質(zhì)的濃度高低水平來(lái)作出判斷的。從宏觀角度來(lái)講，空氣污染是一種極為復(fù)雜的環(huán)境現(xiàn)象，在所選監(jiān)測(cè)區(qū)域中，空氣污染物濃度受到多種因素的共同影響[1]。在對(duì)室外環(huán)境空氣質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，如何精準(zhǔn)計(jì)量污染性氣體的濃度水平，是一項(xiàng)亟待解決的應(yīng)用難題。傳統(tǒng)遠(yuǎn)距離多通道型監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用氣體檢測(cè)傳感器，完成空氣樣本選型，再根據(jù)PAMS標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)試氣體樣本的表征性能，分析已獲取樣本中污染性氣體顆粒的濃度水平[2]。然而隨著溫度、濕度條件的改變，利用該系統(tǒng)所得到的污染性氣體濃度測(cè)量值并不能真實(shí)反映出室外環(huán)境的空氣質(zhì)量水平，這就導(dǎo)致所選用系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)對(duì)室外環(huán)境空氣質(zhì)量的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。

為提升室外環(huán)境空氣質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)精度，引入NB-IoT技術(shù)來(lái)精準(zhǔn)計(jì)量污染性氣體在室外環(huán)境中的濃度水平。在互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)中，基于NB-IoT(narrow band internet of things, 窄帶物聯(lián)網(wǎng))密鑰的數(shù)據(jù)信息連接帶寬能夠達(dá)到180 kHz，并可以根據(jù)頻譜資源的存儲(chǔ)數(shù)值，調(diào)節(jié)連接協(xié)議的部署形式。為保證NB-IoT密鑰的穩(wěn)定作用能力，在部署互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)時(shí)，需要Stand-alone協(xié)議、Guard-band協(xié)議的共同配合[3]。Stand-alone協(xié)議占用NB-IoT密鑰中未被使用的信息頻段，在網(wǎng)絡(luò)主機(jī)長(zhǎng)時(shí)間保持正常運(yùn)轉(zhuǎn)行為的情況下，該類型應(yīng)用協(xié)議對(duì)于基站設(shè)備的要求相對(duì)較高，只有當(dāng)下級(jí)連接資源塊能夠完全負(fù)載傳輸信息參量時(shí)，才有可能確保主機(jī)與負(fù)載設(shè)備之間連接關(guān)系的穩(wěn)定性[4]。Guard-band協(xié)議具有擴(kuò)展非連續(xù)接收、間歇性接收兩種作用模式，在前一種執(zhí)行狀態(tài)下，互聯(lián)網(wǎng)主機(jī)可以直接存儲(chǔ)數(shù)據(jù)信息參量，并可以借助寄存器設(shè)備，更改信息文本的傳輸目的地；在后一種執(zhí)行狀態(tài)下，互聯(lián)網(wǎng)主機(jī)具有一定的信息過(guò)濾能力，可以將完成刪減處理的數(shù)據(jù)包文件反饋給寄存器芯片，以供其對(duì)這些數(shù)據(jù)信息參量進(jìn)行深度處理與分析。

為此，以NB-IoT密鑰協(xié)議為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一種新型的室外環(huán)境空氣質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并通過(guò)比對(duì)實(shí)驗(yàn)的方式，突出該系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 空氣質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)終端硬件設(shè)計(jì)

室外環(huán)境空氣質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件終端平臺(tái)由電源電路、微控制器、溫濕度傳感器、細(xì)顆粒物濃度傳感器、二氧化碳濃度傳感器五部分共同組成，本章節(jié)將針對(duì)上述幾類應(yīng)用結(jié)構(gòu)的具體連接形式展開(kāi)研究。

1.1 電源電路

電源電路能夠?yàn)槭彝猸h(huán)境空氣質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電量供應(yīng)，在+VCC端口、-VDD端口之間，可以借助IC1設(shè)備，對(duì)電量信號(hào)進(jìn)行整合處理，一方面穩(wěn)定溫濕度傳感器、細(xì)顆粒物濃度傳感器等硬件設(shè)備兩端的負(fù)載電壓數(shù)值，另一方面也可以避免因電量信號(hào)堆積而造成的污染性氣體實(shí)測(cè)濃度失準(zhǔn)的問(wèn)題[5]。在室外環(huán)境空氣質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，一個(gè)電量信號(hào)對(duì)應(yīng)一個(gè)污染性氣體實(shí)測(cè)濃度數(shù)據(jù)，當(dāng)監(jiān)測(cè)主機(jī)進(jìn)入快速運(yùn)行狀態(tài)后，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)由微控制器元件向著溫濕度傳感器、細(xì)顆粒物濃度傳感器、二氧化碳濃度傳感器不斷傳輸，此時(shí)電源電路中的電信號(hào)輸出量也會(huì)不斷增大，理論上來(lái)講，二者的數(shù)值水平始終相等。為避免電量信號(hào)、污染性氣體實(shí)測(cè)濃度數(shù)據(jù)之間的數(shù)值匹配關(guān)系出現(xiàn)變化，IC1設(shè)備也必須具有一定的電信號(hào)寄存能力[6]。完整的電源電路連接結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電源電路結(jié)構(gòu)圖

電量控制器負(fù)責(zé)接收DB元件輸出的電信號(hào)參量，然而隨著氣體實(shí)測(cè)濃度數(shù)據(jù)傳輸量的改變，二者之間的實(shí)時(shí)連接關(guān)系也會(huì)出現(xiàn)變化。

1.2 微控制器

微控制器模塊作為電源電路的下級(jí)連接結(jié)構(gòu)，其執(zhí)行能力決定了系統(tǒng)主機(jī)對(duì)于室外環(huán)境空氣質(zhì)量的監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性。在室外環(huán)境空氣質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，微控制器設(shè)備負(fù)責(zé)將電量信號(hào)與污染性氣體實(shí)測(cè)濃度數(shù)據(jù)匹配起來(lái)，由于系統(tǒng)主機(jī)只能直接控制電量信號(hào)的輸出量數(shù)值，所以在采集濃度數(shù)據(jù)樣本時(shí)，還需根據(jù)EEPROM芯片的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，來(lái)判斷監(jiān)測(cè)指令的當(dāng)前執(zhí)行強(qiáng)度[7]。EEPROM芯片具有全雙工、半雙工兩種運(yùn)行模式，如圖2所示。

圖2 微控制器模塊的運(yùn)行模式

當(dāng)EEPROM芯片處于全雙工運(yùn)行模式時(shí)，微控制器設(shè)備開(kāi)始全面接收傳感器元件輸出的污染性氣體實(shí)測(cè)濃度數(shù)據(jù)，當(dāng)前情況下，電源電路中的IC1結(jié)構(gòu)不斷釋放暫存于其內(nèi)部的電量信號(hào)；當(dāng)EEPROM芯片處于半雙工運(yùn)行模式時(shí)，微控制器設(shè)備主要負(fù)責(zé)記錄傳感器元件輸出的污染性氣體實(shí)測(cè)濃度數(shù)據(jù)，當(dāng)前情況下，電源電路中的IC1結(jié)構(gòu)停止電量信號(hào)釋放行為，直至系統(tǒng)監(jiān)測(cè)主機(jī)能夠?qū)F(xiàn)有氣體濃度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與電量信號(hào)完全匹配起來(lái)[8]。

1.3 溫濕度傳感器

溫濕度傳感器由核心傳感元件、CRC接線過(guò)渡裝置兩部分共同組成。核心傳感元件包含溫度轉(zhuǎn)換器、濕度轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換設(shè)備和數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)器。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，溫度轉(zhuǎn)換器與溫度數(shù)據(jù)采集器相連、濕度轉(zhuǎn)換器與濕度數(shù)據(jù)采集器相連，兩者都可以感知室外環(huán)境中的空氣質(zhì)量水平，并可以將采集到的數(shù)據(jù)信息參量以樣本文件的形式反饋給A/D轉(zhuǎn)換設(shè)備[9-10]。本文采用OM-TH-B801型溫濕度傳感器，數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)器負(fù)責(zé)暫時(shí)存儲(chǔ)污染性氣體實(shí)測(cè)濃度數(shù)據(jù)，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換設(shè)備接收到電量輸出信號(hào)時(shí)，已被存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)信息參量自發(fā)回流至微控制器模塊，以供其對(duì)已制定監(jiān)測(cè)指令的真實(shí)性進(jìn)行核實(shí)，可以設(shè)置溫濕度上下閾值范圍來(lái)進(jìn)行報(bào)警設(shè)置。A/D轉(zhuǎn)換設(shè)備實(shí)現(xiàn)了由文本信息到數(shù)據(jù)包文件的轉(zhuǎn)換。CRC接線過(guò)渡裝置提供了時(shí)鐘線、數(shù)據(jù)線、擴(kuò)展接口三類接線節(jié)點(diǎn)，可以將溫濕度傳感器設(shè)備與微控制器模塊、細(xì)顆粒物濃度傳感器、二氧化碳濃度傳感器連接起來(lái)。溫濕度傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 溫濕度傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

由于溫濕度傳感器可以同時(shí)監(jiān)測(cè)室外環(huán)境空氣質(zhì)量的溫度與濕度變化情況，所以A/D轉(zhuǎn)換設(shè)備應(yīng)對(duì)采集得到的數(shù)據(jù)信息參量所屬類別進(jìn)行辨別。

1.4 細(xì)顆粒物濃度傳感器

細(xì)顆粒物濃度傳感器負(fù)責(zé)提取室外環(huán)境中具有污染性的顆粒狀物質(zhì)，可以借助外部傳感網(wǎng)絡(luò)將記錄到的數(shù)據(jù)信息樣本反饋給系統(tǒng)監(jiān)測(cè)主機(jī)，以供其對(duì)室外環(huán)境空氣質(zhì)量水平進(jìn)行精準(zhǔn)評(píng)估[11-12]。本文采用APM10-激光顆粒物檢測(cè)傳感器，由于空氣環(huán)境中細(xì)顆粒污染物粒子很難被肉眼直接觀察到，所以為使傳感器元件能夠得到精準(zhǔn)的樣本提取物，還需在實(shí)施監(jiān)測(cè)時(shí)，借助紅外設(shè)備投射出的光線，標(biāo)記顆粒污染物的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡。細(xì)顆粒物濃度傳感器模塊的內(nèi)部元件連接原理如圖4所示。

圖4 細(xì)顆粒物濃度傳感器內(nèi)部原理圖

在監(jiān)測(cè)細(xì)顆粒污染物時(shí)，為避免多余紅外光線對(duì)空氣環(huán)境造成二次污染，還需設(shè)置獨(dú)立的光電二極管裝置，用于吸收紅外設(shè)備發(fā)出的照射光線。

1.5 二氧化碳濃度傳感器

二氧化碳是造成溫室效應(yīng)的主要?dú)怏w，在大氣環(huán)境中，若二氧化碳濃度過(guò)高，不但會(huì)造成空氣質(zhì)量水平的大幅下降，還會(huì)隨著氣體流通作用，將這種區(qū)域性污染擴(kuò)散至周圍環(huán)境中[13]。針對(duì)二氧化碳?xì)怏w的監(jiān)測(cè)需要借助COZIR-W設(shè)備(監(jiān)測(cè)原理如圖5所示)，將其與濾波電容元件直接相連，不但可以根據(jù)碳元素與氧元素的含量水平，計(jì)算二氧化碳?xì)怏w的濃度數(shù)值，還可以感知溫度、濕度等環(huán)境因素的變化情況。

從知識(shí)可視化的概念分析中可以看到，知識(shí)可視化的目的并不是用視覺(jué)手段去表示知識(shí)，而是用視覺(jué)手段去傳遞知識(shí)，在信息海洋中，減少受眾的認(rèn)知負(fù)荷，讓受眾能夠快速地感知信息，獲得知識(shí)。因此，知識(shí)可視化的目的就是要實(shí)現(xiàn)知識(shí)的快速傳播，在傳播中快速地被感知，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的傳遞，讓知識(shí)在交流中不斷被建構(gòu)，形成新的知識(shí)，即知識(shí)創(chuàng)造。

圖5 二氧化碳濃度傳感器監(jiān)測(cè)原理

為將傳感器元件所監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)信息參量反饋給系統(tǒng)主機(jī)，COZIR-W設(shè)備所采集到的二氧化碳濃度數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)換成.txt文本的存儲(chǔ)形式[14]。

2 基于NB-IoT的室外環(huán)境空氣質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安全機(jī)制可以協(xié)調(diào)硬件終端設(shè)備之間的連接關(guān)系，本章節(jié)將從NB-IoT密鑰文本、空口協(xié)議棧兩個(gè)角度，通過(guò)NB-IoT密鑰同時(shí)獲取硬件傳感器模塊單元、微控制器模塊輸出的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)信息文本，能夠?qū)崿F(xiàn)海量數(shù)據(jù)的安全傳輸，提升室外環(huán)境空氣質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力。設(shè)計(jì)main函數(shù)、數(shù)據(jù)信息采集函數(shù)、監(jiān)測(cè)任務(wù)函數(shù)表達(dá)式，實(shí)現(xiàn)室外環(huán)境空氣質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)。

2.1 NB-IoT密鑰

對(duì)于室外環(huán)境空氣質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)而言，NB-IoT密鑰可以約束傳感器模塊單元與電源電路之間的實(shí)時(shí)連接關(guān)系，其作用行為包含數(shù)據(jù)信息加密、監(jiān)測(cè)指令調(diào)節(jié)兩個(gè)環(huán)節(jié)，在室外環(huán)境空氣質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，NB-IoT密鑰的作用對(duì)象并不局限于一種或幾種終端設(shè)備，而是會(huì)隨著系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的改變，來(lái)回作用于所有處于連接狀態(tài)的終端設(shè)備元件。

(1)

監(jiān)測(cè)指令調(diào)節(jié)處理階段的NB-IoT密鑰作用表達(dá)式定義為：

(2)

Q(α)=P(α)×δ(α)

(3)

2.2 空口協(xié)議棧

空口協(xié)議棧是在NB-IoT密鑰基礎(chǔ)上，定義的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)選擇算法，能夠準(zhǔn)確判定溫濕度傳感器、細(xì)顆粒物濃度傳感器、二氧化碳濃度傳感器三類傳感器模塊所采集到的數(shù)據(jù)信息參量是否滿足系統(tǒng)主機(jī)的監(jiān)測(cè)需求，并可以借助微控制器設(shè)備，將滿足協(xié)議棧判別需求的數(shù)據(jù)信息參量輸入至系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)之中，以供監(jiān)測(cè)主機(jī)的調(diào)取與利用[17-18]。設(shè)ε1、ε2是兩個(gè)隨機(jī)選取的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)樣本，w1表示基于樣本數(shù)據(jù)ε1的NB-IoT密鑰選值特征，w2表示基于樣本數(shù)據(jù)ε2的NB-IoT密鑰選值特征，ΔY表示空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的單位監(jiān)測(cè)量。

聯(lián)立式(3)，可將基于NB-IoT密鑰的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)空口協(xié)議棧表達(dá)式定義為：

(4)

采用NB-IoT密鑰及空口協(xié)議棧算法，能夠?qū)崿F(xiàn)室外環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)傳輸，保障微控制器、溫濕度傳感器等多個(gè)系統(tǒng)應(yīng)用模塊的數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確性。

3 應(yīng)用函數(shù)設(shè)計(jì)

在NB-IoT密鑰體系的基礎(chǔ)上，求解main函數(shù)、數(shù)據(jù)信息采集函數(shù)、監(jiān)測(cè)任務(wù)函數(shù)表達(dá)式，并根據(jù)具體計(jì)算數(shù)值，調(diào)節(jié)室外環(huán)境空氣質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)備之間的實(shí)時(shí)連接關(guān)系。

3.1 main函數(shù)

main函數(shù)負(fù)責(zé)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的所有數(shù)據(jù)初始化與主任務(wù)創(chuàng)建工作，能夠根據(jù)NB-IoT密鑰表達(dá)式，調(diào)節(jié)微控制器終端模塊對(duì)于空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的采集能力，一方面使得系統(tǒng)傳感器單元能夠準(zhǔn)確感知室外環(huán)境中的空氣質(zhì)量水平，另一方面也可以避免電信號(hào)參量出現(xiàn)過(guò)度輸出的行為[19-20]。由于NB-IoT密鑰體系可以同時(shí)作用于微控制器、溫濕度傳感器等多個(gè)系統(tǒng)應(yīng)用模塊，所以在求解main函數(shù)時(shí)，要求空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)在系統(tǒng)各個(gè)模塊單元中的傳輸速率必須保持一致。設(shè)q表示基于NB-IoT密鑰的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)采集向量，t表示時(shí)間系數(shù)的初始賦值，η表示空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)在系統(tǒng)監(jiān)測(cè)主機(jī)中的傳輸效率，f表示監(jiān)測(cè)執(zhí)行任務(wù)的初始化系數(shù)，γ表示室外環(huán)境中的氣體污染特征。聯(lián)立上述物理量，可將室外環(huán)境空氣質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的main函數(shù)表達(dá)式定義為：

(5)

由于空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的傳輸速率不可能為零，所以main函數(shù)的求解結(jié)果也不可能等于零。

3.2 數(shù)據(jù)信息采集函數(shù)

對(duì)于在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行主機(jī)而言，數(shù)據(jù)信息采集函數(shù)可以判斷傳感器模塊是否已經(jīng)完成對(duì)空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的提取與處理[21]。若將main函數(shù)看作一個(gè)既定已知條件，則可認(rèn)為數(shù)據(jù)信息采集函數(shù)取值大于零，則表示系統(tǒng)傳感器模塊已經(jīng)完成對(duì)空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的提取，且計(jì)算數(shù)值越大，代表傳感器模塊對(duì)于數(shù)據(jù)信息的處理速度越快；若數(shù)據(jù)信息采集函數(shù)取值小于零，則表示系統(tǒng)傳感器模塊尚未完成對(duì)空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的提取，微控制器設(shè)備還需繼續(xù)對(duì)電量信號(hào)與數(shù)據(jù)信息參量進(jìn)行匹配處理[22]。按照NB-IoT密鑰作用標(biāo)準(zhǔn)，可將在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息采集函數(shù)表示為：

(6)

3.3 監(jiān)測(cè)任務(wù)函數(shù)

監(jiān)測(cè)任務(wù)函數(shù)決定了系統(tǒng)主機(jī)對(duì)于室外環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理能力。從宏觀角度來(lái)講，監(jiān)測(cè)任務(wù)函數(shù)影響了傳感器模塊對(duì)于空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的提取速率，且在既定取值區(qū)間內(nèi)，數(shù)據(jù)信息參量的賦值情況會(huì)直接影響函數(shù)表達(dá)式的求解結(jié)果[23-24]。設(shè)?表示空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)指令賦值向量，且?≠0的不等式條件恒成立，c、x表示兩個(gè)不相等的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)提取度量值，θ表示瞬時(shí)取值向量，bθ表示基于向量θ的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)權(quán)值，聯(lián)立上述物理量，可將監(jiān)測(cè)任務(wù)函數(shù)定義為：

(7)

main函數(shù)、數(shù)據(jù)信息采集函數(shù)、監(jiān)測(cè)任務(wù)函數(shù)均可以約束室外環(huán)境空氣質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行能力，故而在NB-IoT密鑰安全機(jī)制的基礎(chǔ)上，為實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的按需提取與處理，應(yīng)綜合考慮各項(xiàng)應(yīng)用函數(shù)表達(dá)式的實(shí)際計(jì)算取值結(jié)果。

4 實(shí)驗(yàn)分析

4.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為保障室外環(huán)境中的空氣質(zhì)量水平，就必須對(duì)污染性氣體的濃度水平進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)量。本次實(shí)驗(yàn)以二氧化氣體作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，將溫度傳感器、濕度傳感器、監(jiān)測(cè)芯片安裝在一臺(tái)搭載Windows 10操作系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)主機(jī)中，分別利用基于NB-IoT的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、遠(yuǎn)距離多通道型監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)所選實(shí)驗(yàn)主機(jī)進(jìn)行控制，其中前者作為實(shí)驗(yàn)組、后者作為對(duì)照組。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)工業(yè)倉(cāng)庫(kù)環(huán)境空氣質(zhì)量的在線監(jiān)測(cè)。設(shè)置系統(tǒng)的各個(gè)模塊設(shè)備型號(hào)，應(yīng)用NB-IoT技術(shù)獲取所有處于連接狀態(tài)的終端設(shè)備元件的采集數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)建立。系統(tǒng)建立完畢，將進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，以檢測(cè)倉(cāng)庫(kù)中的環(huán)境。觀察12小時(shí)，每2小時(shí)記錄一次，獲取工業(yè)倉(cāng)庫(kù)環(huán)境空氣質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

表1反映了本次實(shí)驗(yàn)所選實(shí)驗(yàn)儀器的具體型號(hào)。

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本次實(shí)驗(yàn)必須嚴(yán)格控制濾膜網(wǎng)眼大小，在保證二氧化碳?xì)怏w順利進(jìn)入采樣設(shè)備的同時(shí)，過(guò)濾其他類型的氣體分子。

4.2 實(shí)驗(yàn)流程

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，首先調(diào)節(jié)溫度傳感器，使實(shí)驗(yàn)溫度分別等于40 ℃、50 ℃、60 ℃，記錄在兩種不同溫度條件下，二氧化碳?xì)怏w的實(shí)測(cè)濃度數(shù)值；然后調(diào)節(jié)濕度傳感器，使實(shí)驗(yàn)濕度分別等于30%、40%、50%，記錄在兩種不同濕度條件下，二氧化碳?xì)怏w的實(shí)測(cè)濃度數(shù)值；最后，將所得二氧化碳?xì)怏w的實(shí)驗(yàn)數(shù)值與真實(shí)濃度數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，總結(jié)實(shí)驗(yàn)規(guī)律。

表2給出了不同溫濕度條件下二氧化碳?xì)怏w的真實(shí)濃度數(shù)值。

表2 二氧化碳?xì)怏w的真實(shí)濃度

分析表2可知，隨著溫度水平的升高，二氧化碳?xì)怏w在室外空氣環(huán)境中的濃度數(shù)值會(huì)不斷增大；隨著濕度水平的升高，二氧化碳?xì)怏w在室外空氣環(huán)境中的濃度數(shù)值也會(huì)不斷增大。

4.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

表3反映了不同溫度條件下，二氧化碳?xì)怏w的實(shí)測(cè)濃度數(shù)值。

表3 溫度條件對(duì)二氧化碳?xì)怏w濃度的影響

分析表3可知，當(dāng)實(shí)驗(yàn)溫度等于40 ℃、50 ℃、60 ℃時(shí)，實(shí)驗(yàn)組二氧化碳?xì)怏w濃度實(shí)測(cè)均值分別為357 ppm、371 ppm、385 ppm，與其真實(shí)濃度之間的差值分別為2 ppm、0 ppm、0 ppm，對(duì)照組二氧化碳?xì)怏w濃度實(shí)測(cè)均值分別為365 ppm、367 ppm、380 ppm，與其真實(shí)濃度之間的差值分別為6 ppm、4 ppm、5 ppm。

表4反映了不同濕度條件下，二氧化碳?xì)怏w的實(shí)測(cè)濃度數(shù)值。

表4 濕度條件對(duì)二氧化碳?xì)怏w濃度的影響

分析表4可知，當(dāng)實(shí)驗(yàn)濕度等于30%、40%、50%時(shí)，實(shí)驗(yàn)組二氧化碳?xì)怏w濃度實(shí)測(cè)均值分別為706 ppm、714 ppm、725 ppm，與其真實(shí)濃度之間的差值分別為1 ppm、1 ppm、1 ppm，對(duì)照組二氧化碳?xì)怏w濃度實(shí)測(cè)均值分別為713 ppm、720 ppm、731 ppm，與其真實(shí)濃度之間的差值分別為6 ppm、5 ppm、13 ppm。

所選系統(tǒng)的精確度量差σ可表示為：

(8)

其中：ω1表示二氧化碳?xì)怏w實(shí)測(cè)濃度，ω0表示二氧化碳?xì)怏w真實(shí)濃度。

利用所記錄濃度指標(biāo)的平均值對(duì)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)精確度量差σ進(jìn)行計(jì)算，具體數(shù)值如表5所示。

表5 σ指標(biāo)數(shù)值統(tǒng)計(jì)

分析表5可知，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)組σ指標(biāo)平均值為0.16%，對(duì)照組σ指標(biāo)平均值為1.23%，高于實(shí)驗(yàn)組數(shù)值。由于本次實(shí)驗(yàn)是為了準(zhǔn)確檢測(cè)二氧化碳?xì)怏w濃度，故應(yīng)該將監(jiān)測(cè)精確度量差控制在較低的數(shù)值水平，即實(shí)驗(yàn)組系統(tǒng)更符合檢測(cè)需求。

綜上可知，利用基于NB-IoT的室外環(huán)境空氣質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所測(cè)得的二氧化碳?xì)怏w濃度數(shù)值與其真實(shí)濃度更加接近，故該系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)室外環(huán)境空氣質(zhì)量方面的應(yīng)用能力更強(qiáng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

室外環(huán)境空氣質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以NB-IoT密鑰體系作為完善系統(tǒng)安全機(jī)制的主要方法，聯(lián)合微控制器、溫濕度傳感器等多個(gè)終端模塊，確定main函數(shù)、數(shù)據(jù)信息采集函數(shù)、監(jiān)測(cè)任務(wù)函數(shù)的實(shí)際約束作用能力。與遠(yuǎn)距離多通道型監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可將監(jiān)測(cè)精確度量差數(shù)值控制在1%以下，這在精準(zhǔn)計(jì)量污染性氣體在室外環(huán)境中的濃度含量可以起到一定的促進(jìn)性影響作用。