基于物联网的室内微型健康环境监测分析系统
发布时间：2019-11-19
摘 要: 本系统是基于一种基于物联网技术的室内微型健康环境监测分析系统，包括室内温度传感器、甲醛传感器、PM2.5 \10 传感器、中央核心处理网关、网络服务器、B/S 结构( Browser/Server，浏览器/服务器模式) 等组成，所述的各种室内传感器采集的环境数据通过 Zigbee 无线接口传送至室内中央核心处理网关，网关经过识别处理后，通过通信网络传送至网络服务器( 可采用云平台服务器) 。通过物联网技术对室内的各种环境数据进行识别、记录、存储，并形成环境数据分析报告，实时获取室内环境情况，提供给人们进行实时管理居室环境。同时云平台服务器集数据汇集、统计分析为一体，可以独立记录单点居室数据，未来推广后也可做为汇聚层收集多个居室，跨区域居室的数据，有效了解城市不同区域环境情况，提供大数据分析参考依据。本系统具有效率高、成本低、使用便捷、推广前景广阔等优点。将来还可以构建智能家居管理平台，利用无线通信、自动控制技术、红外控制等有关技术进行功能拓展，通过现有室内家居的智能化实现家居、家电各设施的互联控制，实现健康、环保、节能的居住环境改善。
关键词: 物联网; 大数据; B/S 结构; 微型环境监测分析; 智能家居; Zigbee; 环境数据分析
1 概述
近来，空气环境质量一直是个热点话题。据调查京津冀周边地区是全国环境空气质量最差的地区，河北、山西、天津、河南、山东 5 省(市)优良天气比例仍不到 60%。河南省在 2017 年新建了 915 个城市建成区网格微型监测站治理空气污染，并陆续出台了废气监测、工地扬尘治理等举措。就在前不久，国家生态环境部也启动“蓝天保卫战强化督查”，针对公众场合大气污染治理不断出台措施。同时由于人们大部分时间呆在室内，所以对办公室内及居室环境关注更多。比如室内空气长时间不流通，或者房屋装修后和购买新家具时会带来的甲醛污染等，如果无法及时掌握室内空气数据，会对人身健康带来较大危害。该系统能够实时采集室内空气数据，并可随时在智能终端上展现，提醒人们启动干预措施，创造出舒适、安全、环保的室内环境。该系统推广后可利用成熟的物联网技术，把采集的数据上传到云服务器，这样形成大数据后就能起到类似政府建设网格监测站的作用，统计分析出各小区或城市不同区域大概的室内空气数据，对政府将来制定空气治理措施也有参考意义。
2 系统概述
本系统涉及物联网、大数据应用领域，是指一种基于物联网、大数据的室内微型健康环境监测分析系统。系统采用物联网技术对房间内外的温度、甲醛传感器、PM2.5 \10 数据进行识别、记录、存储，并形成房间内外环境数据分析报告和图例，实时获取居室环境情况。同时利用网络物联网服务器集数据采集、汇集为一体，可以独立记录单点居室数据，也可做为汇聚层收集多个居室，跨区域居室的数据，有效了解城市不同区域环境情况，提供环境大数据分析参考依据。未来还可以利用家居设备设施的智能化实现进行实时管理居室环境。
3 系统调研及可行性分析
3.1 系统调研
以往的空气环境监测更偏重于室外，但由于人们大多数时间是在室内，而且近期媒体传播的室内空气污染如甲醛等层出不穷，人们对室内环境的了解需求更迫切。本系统设计要实现的功能大致如下:
(1)实现房间的温度、甲醛、PM2.5 \ 10 各项传感器数据的采集、上传。
(2)实现通过云端服务器平台对传感器各项数据进行识别、记录、存储。
(3)实现通过系统数据展现功能形成房间内外环境数据分析报告，实时获取居室环境情况，提供给人们进行实时管理居室环境。
(4)实现网络物联网服务器集数据采集、汇集为一体，可以独立记录单点居室数据，未来推广后也可做为汇聚层收集多个居室，跨区域居室的数据，有效了解城市不同区域内环境情况，提供环境大数据分析参考依据。
(5)将来还可以以此为基础，构建智能家居管理平台，利用无线通信、自动控制技术、红外控制等有关技术进行功能拓展，利用家居设施的智能化实现进行实时管理居室环境。
3.2 系统总体目标
本系统通过独特的视角提醒人们关注日常居室环境，避免室内污染对身体健康在不被感知的情况下造成的损害。采用方便、简单的设计实现室内环境数据的采集和呈现，并通过共享到云服务器为环境大数据分析提供依据。同时也考虑后期维护上比较容易，成本低、效率高。
3.3 技术可行性分析
本系统是一个以传感器数据采集、物联网窄带通信传输、数据库应用、网络平台分享为一体的数据采集、分析管理系统。通过各类传感器数据采集后进行汇聚，采用 PHP+MYSQL 技术实现本系统的开发。PHP 语言简单、功能强大，而 MYSQL 是一个非常优秀的网络数据库系统，方便使用，性能稳定。国内外许多知名网站和应用均使用该数据库作为数据的存储。
4 系统分析
4.1 系统需求
分析经过上述对系统调研及可行性分析后，下面将对系统在功能设计上进行进一步的需求分析。 4.1.1 功能需求
(1)系统管理功能。系统管理功能初期设计的较为简单，以主要实现基本信息的管理以及系统参数设置，主要包括传感器信息、位置信息、区域信息、居室信息、用户信息等，可以对其各项信息进行添加、修改、删除操作。
(2)数据前台展示功能。通过 WEB 应用服务器将设备数据存储至数据库中，并对各类数据，环境信息进行分析处理，形成区域、单居室、各小区的大数据环境平台。通过应用服务器将这些数据展现于互联网，供查看某区域、某居室、某小区的环境信息和设备状态，同时也可通过应用服务器一对一的远程控制设备的运行状态。
4.1.2 性能需求
设备 需 求: PC 机，Winxp、win7、win8、win10 操 作 系 统、 android、ios 系统智能手机、平板终端。
服务 器: 云 服 务 器，Windows2008Server 服 务 器 系 统 和 Apache 为平台，MYSQL 数据库系统。
4.2 系统架构图
5 系统设计
5.1 概要设计
5.1.1 系统功能模块图
5.1.2 功能模块简介
(1)登录模块。可根据需要设置用户名和密码验证，根据用户输入的帐号信息与数据库中进行匹配。
(2)系统管理。可根据需要设置不同的用户权限，进入相匹配的管理界面进行操作。
(3)数据前台展示功能。可根据需要显示给不同权限的用户不同的权限信息供其访问操作。一般用户为例可展现如下信息:
(4)系统管理模块设计。管理员可以对用户信息、传感器信息、区域信息、位置信息等进行添加、修改、删除、汇总分类等操作。
5.2 数据库设计
5.3 详细设计
5.3.1 感知控制层
该层的主要作用是感知居室环境相关参数，记录电气设备的工作状态。主要设备包括温度传感器、湿度传感器、甲醛传感器、PM2.5 \10 传感器等装置。这些设备采集的数据通过 Zigbee、Wifi 方式上传到中央核心处理单元。
5.3.2 接入层
该层的主要设备是室内核心处理单元，它主要负责将感知控制层的各种传感器数据进行搜集，将终端发送来的数据转发给服务器或者向终端转发服务器的远程控制命令。
5.3.3 互联网层
该层主要是将室内中央核心处理单元网关联入互联网进行数据传输。
5.3.4 服务管理层
该层主要作用是物联网服务器，功能包括 Web 服务器、数据库服务器、应用服务器。应用服务器负责与各个室内中央核心处理单元网关定时通信，通过各室内中央核心处理单元获取各个传感器采集的数据，并及时按照一定格式保存至数据库服务器中。而 Web 服务器负责将这些数据进行处理分析并展现到互联网上，通过手机、计算机、平板等终端查看相关信息。未来经过功能拓展之后，Web 服务器还可以将相关控制指令的发送写入数据库服务器，然后由应用服务器将其从数据库取出后发送给对应的室内中央核心处理单元网关，最后由室内中央核心处理单元负责将指令、命令转发给被控设备进行相关智能家居设施的控制。
5.3.5 应用层
该层主要包括服务器、计算机、平板电脑以及智能手机等智能终端设备。
一是通过浏览器实现可以与系统进行远程交互的人机接口。如果是通过浏览器查看居室内的相关信息并进行控制。
二是通过应用服务器对数据库服务器中存储的各传感器数据从多个维度进行分析，将数据进行处理分析并展现到互联网上、微信等手机 APP。
6 系统实现
在房间居室内安装的温度传感器、湿度传感器、甲醛传感器、PM2.5 \10 传感器实时将各项数据通过传送至家庭中央核心处理网关，网关经过识别处理后传送至互联网应用服务器，形成居室的数据分析报告等信息。该信息的获取与设备的控制通过互联网传输，使人们通过终端设备如计算机、智能手机、平板电脑即可随时随地及时了解居室内环境情况。本系统经过推广后，他的另外一个主要特点就是能够将住室内的各种环境数据采集连接至互联网并进行数据的存储、分析、处理、展现。通过 WEB 应用服务器将设备数据存储至数据库中，并对各类数据，环境信息进行分析处理，形成区域、单居室、各小区的大数据环境平台。通过应用服务器将这些数据展现于互联网，供查看某区域、某居室、某小区的环境信息和设备状态，同时也可通过应用服务器一对一的远程控制设备的运行状态。未来通过功能拓展可以通过应用服务器下发指令至网关，网关下发控命令到红外控制器实现设备的控制等功能。未来即可以利用住宅家居的智能化实现进行实时管理居室环境。
我们以 Windows2008Server 为服务器系统和 Apache 为平台，MYSQL 为数据库系统，基于 PHP:Hypertext Preprocessor 的动态网页技术开发了一个智能室内环境检测物联网平台。平台设计可以由 Socket API 通信接口、系统配置、远程监控、规则管理、故障日志、分析模组等功能，初期为便于展现尽量简化设计。授权用户登录后只能各自查看各自居室内的情况，并根据用户的授权与否决定是否展现于大数据分析处理平台。
系统研制成功后模拟在一些居室、办公场所内安装试用，每处场所至少安装一个中央核心处理单元网关，根据需求安装适当的传感器，如:温度传感器、湿度传感器、甲醛传感器、PM2. 5 \10 传感器等。
本平台采用轻量化设计，特别是初期仅用于展现设计思路，所以应用服务器、数据库服务器和 Web 服务器均采用租用云服务器方式解决。
7 结语
本文基于现代人们对于室内空气环境质量的关心，设计了一种基于物联网的微型室内健康环境监测分析系统，主要体现了一种利用成熟的物联网技术对各类的室内空气环境数据进行采集、分析并形成大数据为政府治理提供参考的一种思路。弥补了现在各地方政府大量建设网格监测站只能监测室外环境的不足，通过将来对该系统的推广，可以统计分析出各小区或城市不同区域大概的室内空气质量数据，对政府将来制定空气治理措施也有参考意义。
未来还可以以此为基础构建智能家居管理平台，利用无线通信、自动控制技术、红外控制等有关技术进行功能拓展，利用家居设备的智能化实现家居净化设备、家电各设施的互联控制，进行实时管理居室环境。尤其在一些新建校园、刚装修完毕的室内环境进行自动干预控制，实现健康、环保、节能的居住环境改善。
基于物联网的室内微型健康环境监测分析系统相关论文期刊推荐：《电子技术与软件工程》(半月刊)创刊于2012年，由中国电子学会主办。旨在全方位推广信息时代下电气、电力、电工科学意识;关注电子各专业技术以及最新科研成果和进展;介绍软件工程、科技、信息技术在社会各领域的应用，关注科技传播与公民科学文化素质的提升。有投稿需求的，可以直接与在线编辑联系。
