基于OneNET云平台的多种有害气体监测分析系统*
*基金项目:大学生创新创业训练项目,项目编号:D202203101138308908
0 引言
研究发现，现代人全天约有超过80% 以上的时间在室内工作、学习或休息，由于室内环境是相对封闭的，所以室内的环境质量将对人们的身体状况产生重大影响。随着人们对生活品质要求的不断提高，高效且直观的室内有害气体监测分析系统将成为提高工作和生活环境舒适性和健康性的重要手段。
随着社会经济的发展和环境保护的需要，以煤气、甲烷等可燃气体为代表的清洁能源受到越来越多人的喜爱，但同时也产生了很多安全隐患，如因可燃气体泄漏而造成的爆炸事故、煤气中毒等。另外，室内装修残留的甲醛和氨气等物质由于长期可挥发的特性也对人们的身体造成了长久的伤害。随着人们对生活高品质以及舒适度追求的提高，室内环境的监测与分析成为领域内的一项研究重点。
在室内有害气体的无线监测应用中，陈兆刚[1]针对室内主要的污染气体一氧化碳、甲醛、臭氧和二氧化硫通过LabVIEW 建立了上位机监测系统，实现了数据虚拟仪器的显示；齐丽静等[2]对于家居环境的有害气体设计了一套监测分析系统，可对监测数据分析，实现了宜居等级的判定和污染源定位的功能；于莹[3]针对各类有害气体的监测设计了PC 用户监控软件，并分为用户管理模块、TCP 通信模块、状态更新模块等五大模块进行管理；刘俊琪等[4]针对室内有害气体利用手机或上位机完成监测，上位机设计采用VB 开发，完成数据的接收；武士涛[5]基于OneNET 云平台完成有毒有害气体数据的接收储存，建立了相关的数据界面，可查看气体的具体检测数据和历史变化趋势；吕斌等[6]对于室内有害气体的监测采用了云端服务器设计，通过将数据存入数据库，实现了通过HTTP 链接访问实时气体浓度；马晨瑄[7]对于厨房有害气体的泄露基于阿里云平台系统实现了对数据的实时监测和自动化数据处理。上述方法都在不同程度上完成了有害气体数据的监测，少数具有后续的数据分析处理，但都缺乏完善的评价系统，对于室内有害气体的监控与管理仍然有限。
针对目前相关研究的不足，从实际应用角度出发，文章基于OneNET 云平台设计并实现了一种多种有害气体监测分析系统，针对室内常见的4 种有害气体浓度进行实时监测，基于综合指数法建立空气质量评分标准，通过可视化页面的设计完成实时数据与空气质量评价的直观显示，实现了室内四大有害气体的监测分析与评价，对于室内环境的监测具有较高的实际应用价值。
1 系统设计
基于OneNET 云平台的多种有害气体监测分析系统整体结构框图如图1 所示，系统由3 个环境终端传感器采集数据，通过模块化设计分布于室内各处，由核心控制元件处理后通过Wi-Fi 模块传至OneNET 云平台上，由OneNET 云平台将数据存储，利用综合指数法完成室内空气质量的评定，最终在设计的可视化页面上呈现监测数据与评价，直观明了地完成了室内多种有害气体监测与分析的设计。
图1 中，环境监测终端设备主要负责采集有害气体数据信息，通过MQ-9 气敏传感器、ZE08-CH2O 甲醛传感器、MQ-137 氨气传感器作为一氧化碳与甲烷、甲醛、氨气浓度测量传感器，利用STC89C52RC 单片机处理数据，通过Wi-Fi 通信模块完成数据传输，供电模块供电；在OneNET 云平台上对采集得到的气体数据进行接收与储存，人们可以对云平台数据库进行访问或对相关的数据进行下载及历史数据的回放；建立可视化的数据显示页面，系统通过空气质量评分模型自动对监测数据打分评价，从而完成室内有害气体的监测与分析工作。
图1 系统整体结构框图
2 室内有害气体监测分析系统的实现
2.1 OneNET云平台的介绍
OneNET 云平台由中国移动打造，是一种把应用服务的运行和开发环境作为服务提供的商业模式，通过在物联网应用和真实设备之间搭建起高效、稳定、安全的应用平台，节约了开发者完成产品开发和部署的时间、成本。
首先在OneNET 云平台上注册账号、用户登录、新建项目、新增设备和数据流。单片机接入OneNET 云平台后，能利用提供的网络传输服务实现信息传递，被赋予了远程监控功能。采用HTTP 协议传输传感器采集的有害气体数据，然后将数据上传到OneNET 云平台。其中，传感器检测到的各类气体浓度数据是不同的数据流，具体每个时刻的数据为数据点，数据流会传输到设备对应的数据流中，管理者可以在OneNET 云平台官网的开发者中心查看并下载记录，完成多种有害气体浓度数据的采集与回放。OneNET 云平台的数据处理如图2 所示。
图2 OneNET数据处理
2.2 终端传感器设计
系统的环境终端监测设备主要用来采集数据，选择了3 种传感器检测室内的有害气体，选用51 单片机同各类传感器进行有效对接；数据上传功能则通过使用ESP8266 模块实现；基于HTTP 协议将数据传送至云平台上。HTTP（Hyper Text Transfer Protocol）协议的应用特点为只能用于数据上报，而不能下发命令，是一种应用层协议，适合本系统的使用。
将MQ-9 气敏传感器放置在厨房煤气罐附近，可以更加准确、实时地监测煤气泄露的情况；将ZE08-CH2O 甲醛传感器、MQ-137 氨气传感器放置在室内装修不久后的或者长期停留的房间内，以便对装修残留的物质进行更有效的检测；房间之间设置路由节点作为中继模块完成数据的传递。
图3 HTTP协议应用框架
2.3 评分模型
在对室内空气环境评分时，首先需建立评分标准，文章使用综合指数法完成对空气环境的评价。综合指数法在各类评价方法中的优势在于方法简单并且容易理解。通过借助检测得到的有害气体浓度与标准设定的有害气体浓度的比值来反映有害气体造成的空气污染，之后根据计算得到的指数I 即可评价室内气体环境等级，具体计算步骤如下所示。
步骤1：计算单一有害气体的指数Ii ，如式(1) 所示，其中Ci表示有害气体的浓度， CBi表示标准有害气体的浓度。
步骤2：计算多种有害气体指标中的最大值。
步骤3：计算各个有害气体指数的算术平均值。
步骤4：综合考虑求得的最大因子指数和算数平均指数，并突出最大因子指数。
表1 室内空气品质分级描述
2.4 数据可视化
JS（JavaScript）是一种解释型或即时编译型的高级编程语言，主要用于开发交互式的Web 页面，可以给网页增加各种动态效果。同时它也是一种面向对象的编程语言，提供了一系列的方法和函数来对网页中的标签进行操作。利用JavaScript 制作可视化网页界面，使用CSS(Cascading Style Sheets) 用来美化Web 页面的颜色、背景、边框、字体等HTML 元素的外观，将检测得到的实时数据通过历史数据折线图与质量评价结果可视化显示出来。
3 系统测试
进行测试时，先将系统硬件搭建好，再调试好软件。在给系统通电以后，就可以进行一系列测试，测试电路实物图如图4 所示。通过系统测试，基于51 单片机连接多种传感器采集室内有害气体数据完成室内有害气体检测系统硬件设备的搭建，采用ESP8266 通信模块，以固定间隔时间每5 s 向OneNET 平台上传1 次采集到的环境数据，通过可视化页面显示监测数据，如图5。测试结果表明，该系统实现了对室内有害气体参数的实时监测和可视化显示功能，系统对监测数据的自动分析完成了室内气体质量的评定，较好地完成了室内有害气体的监测与分析一体化设计，为进一步优化室内的空气质量监测系统提供了参考。
图4 测试电路实物图
图5 可视化页面设计
4 结束语
良好的室内环境不仅为人们带来了健康舒适的生活条件，还提高了人们的工作效率和生活满意度。文章设计了一种基于OneNET 云平台的多种有害气体监测分析系统，与现有的室内环境监测相比增加了评价分析系统，功能更加完善。系统利用OneNET 云平台存储检测得到的室内相关环境数据，即作为系统的数据管理中枢，通过综合指数法建立室内气体环境评分模型完成监测数据的分析与评价，并以可视化的方式显示出来，有利于管理人员对室内有害气体数据的掌握与控制，进一步促进了人们对美好生活的向往，为人们的生命财产安全提供了坚实保障。
参考文献：
[1] 陈兆刚.室内有害气体监测系统设计研究[J].机械设计与制造工程,2015,44(6):82-85.
[2] 于莹.一种有害气体智能监测系统设计[J].数字技术与应用,2016(5):192.
[3] 齐丽静,戴静.家居环境监测分析系统设计[J].科技与创新,2016(24):89-90.
[4] 刘俊琪,王黎明,侯亮,等.基于有害气体的物联网检测系统设计[J].无线互联科技,2017(11):33-34.
[5] 武士涛. 基于云平台的有毒有害气体监测系统设计[D].哈尔滨:哈尔滨理工大学,2019.
[6] 吕斌,孙玉国.室内有害气体云端监测系统设计[J].软件,2019,40(12):158-162.
[7] 马晨瑄.厨房有害气体的泄露报警器设计[J].电子技术,2021,50(11):12-13.
[8] GB/T 18883-2002,室内空气质量标准[S].
（本文来源于《电子产品世界》杂志2023年1月期）
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