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基于物联网的便携式智能环境监测系统

2025-03-01 54 上传者：管理员

摘要：随着物联网技术的飞速发展，为解决有害气体和火灾带来的安全问题与环境污染带来的健康问题，设计了一种便携式智能环境监测系统。该系统以Arduino Nano为控制板，结合各类传感器模块、蓝牙模块、WiFi模块和OneNET物联网平台，可监测环境中是否含有影响生命安全的有害气体，是否发生火灾，也可监测空气温湿度、声音强度和光照强度，实现对环境状况的实时监测，保障用户的生命与财产安全。

关键词：
Arduino Nano
OLED显示屏
OneNET平台
物联网技术
环境监测
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近年来,随着生活水平的不断提高,人们开始关注环境问题,同时大量研究机构开始投入到环境监测系统的研发[1-3],加之物联网技术的飞速发展,环境监测设备应运而生[4-5]｡人们通过相关环境监测系统搜集火情,测量有害气体体积分数､噪声强度､光照强度和温湿度等参数并进行数据分析,以实现环境的监测与优化｡目前的智能监测系统大多应用于特定场景,并不能实时监测用户所处的环境[6-7]｡考虑到智能手机､平板电脑和笔记本电脑等电子设备的普及,本文提出了一种便携式智能环境监测系统,便于用户实时查看所处场景的各项环境数据,以预防火灾发生和有害气体中毒,保障用户生命安全;同时可避免用户长期处于不健康的生活环境中,保障其身体与心理健康｡该便携式智能环境监测系统可满足各类人群需求,例如父母可以查看儿童或青少年所处环境,子女也可实时关注老年父母所处的环境｡同时该便携式智能环境监测系统可大范围运用于校园,做到及时排查校园火灾或者环境质量隐患,保障学生安全｡

1、系统总体设计

便携式智能环境监测系统由感知层､传输层与应用层构成,分别包含主控板､传感器模块､无线网络通信模块､蓝牙模块､声音报警模块､OLED显示屏模块､蜂鸣器和OneNET物联网平台等部分｡该系统由主控板控制各传感器采集环境数据[8-10],随后将数据封装成OneNETPaaS物联网开放平台支持的数据格式并通过无线网络通信模块发送到平台[11]｡用户可注册登录查看相关数据｡发生异常情况时,该便携式智能环境监测系统可通过蜂鸣器发出警报声,也可通过OLED显示屏反馈异常情况｡该系统可以实时监测火情､有害气体体积分数､噪声强度､光照强度与空气温湿度等,并对异常情况发出警报｡这一过程充分体现了基于物联网技术的智能化､及时化､精细化管理,将影响人们安全与健康的潜在威胁数据化､可视化,有利于对智能环境监测系统的研究[12]｡系统总体设计框架如图1所示｡

图1系统总体设计框架

1.1感知层设计

1.1.1主控板

系统主控板选择ArduinoNano｡这是一款基于ATMega328P微控制器的多功能小型开发板,共有14个数字引脚和6个模拟引脚,包含5V和3.3V的电源输出引脚,尺寸为44mm×17mm×5mm,能实现系统硬件电路的控制｡使用过程中利用ArduinoIDE将程序烧录到开发板中,对开发板的数据进行处理｡ArduinoNano开发板具有价格低廉､尺寸小､重量轻等特点,方便携带｡

1.1.2火焰传感器

火焰传感器可监测火焰或波长在760~1100nm范围的光源,工作电压范围为3.3~5V,尺寸为39mm×15mm×12mm｡火焰传感器对火焰光谱特别灵敏,能在80cm处检测到打火机火焰,且火焰越大,测试距离越远｡该传感器可有效运用于对火焰的监测｡

1.1.3MQ-2气体传感器

MQ-2气体传感器适用于一氧化碳､液化气､丁烷､丙烷､甲烷､酒精､氢气､烟雾等探测场景,探测范围广泛,并且具有灵敏度高､响应迅速､稳定性强､寿命长等多项优点｡MQ-2气体传感器的工作电压为5V,尺寸为32mm×21mm×22mm,在-10~50℃温度范围､小于95%RH的相对湿度下都可以正常工作｡

1.1.4声音传感器

本文采用LM2904声音强度检测模块作为声音传感器｡该模块采用原装高灵敏度咪头和LM2904运算放大器,具有功耗低､总谐波失真小的优点,可用于检测声音的强度｡模块工作电压为5V,尺寸为39mm×17mm×9mm｡在封闭环境中,若正常说话,则可在10m半径范围内被检测到｡

1.1.5温湿度传感器

本文采用DHT11数字温湿度传感器监测环境中的温度与湿度｡该模块稳定性高,能耗低,有着超长的信号传输距离｡DHT11数字温湿度传感器温度测量范围为0~50℃,精度达到±2℃;湿度测量范围为20%RH~90%RH,精度达到±5%RH｡其工作电压为5V,尺寸为22mm×16mm×7mm｡

1.1.6光敏电阻传感器

光敏电阻传感器采用灵敏型光敏电阻,基于内光电效应,信号干净,波型好,驱动能力强｡光敏电阻对环境光线最敏感,一般用来监测周围环境的光照强度,触发单片机或继电器模块｡其工作电压为5V,尺寸为21mm×15mm×6mm｡

1.1.7无源蜂鸣器

本系统采用无源蜂鸣器作为发声报警装置,及时引起用户警觉,无源蜂鸣器是一种无需外部电源供电的报警装置,当数据异常时,无源蜂鸣器会发出蜂鸣声报警,以提醒用户排查潜在危险,因此该装置可以认为是一种利用声学发声方式完成报警的电磁传感装置｡无源蜂鸣器的工作原理是利用变压器的磁通现象,通过磁感应作用,将直流电调制成交流电,然后形成高分贝声音进行报警｡无源蜂鸣器的工作电压为5V,尺寸为19mm×15mm×11mm｡

1.1.8OLED显示屏

基于便携式需求,结合显示屏的尺寸与质量,本系统选择OLED显示屏作为用户端界面,向用户展示数据的正常与异常情况,并及时向用户发出相关提示｡OLED是基于有机材料的一种电流型半导体发光器件｡目前典型的OLED器件结构由前玻璃基板､ITO透明显示电极(阳极)､空穴注入层､空穴传输层､发光层､电子传输层､电子注入层､金属电极(阴极)组成｡OLED显示屏的工作电压为5V,尺寸为26mm×27mm×3mm｡

1.1.9按键开关

使用按键开关时以满足操作力的条件向开关操作方向施压,使开关闭合;当撤销压力时开关断开｡其依靠金属弹片受力变化来实现通断｡选用按键开关实现蜂鸣器和OLED显示屏警报后的复位,其尺寸为18mm×15mm×5mm｡

1.2传输层设计

1.2.1WiFi模块系统采用ESP8266EX串口WiFi模块｡该模块体积小,功耗低,包含激活模式､睡眠模式和深度睡眠模式,通信距离可达100m｡开发板通过ESP8266EX串口WiFi模块将数据传输到电脑和手机,适用于有WiFi的场景,可实现远程数据观察｡WiFi模块的工作电压范围为3.0~3.6V,尺寸为24mm×14mm×3mm｡

1.2.2蓝牙模块

针对无WiFi场景,系统选用HC-06蓝牙模块确保系统能实时连接到手机｡HC-06蓝牙模块用于短距离无线通信,输入电压范围为3.2~6V,空旷环境下有效传输距离为10m,尺寸为38mm×15mm×4mm｡

1.3应用层设计

系统的应用平台选用由中国移动打造的OneNETPaaS物联网开放平台｡该平台可轻松实现设备接入与设备连接,快速完成产品的开发部署｡OneNET平台提供统一的MQTT､LWM2M和泛协议标准接入SDK,支持直连､网关､云云对接等多种方式,还提供了丰富的APP设备控制面板,支持智能语音控制､消息推送､智能场景配置等智能化服务,满足本文所设计的便携式环境监测系统的用户应用需求｡

2、系统实现

2.1硬件模型

图2所示为便携式智能环境监测系统所需硬件实物｡

图2系统硬件实物

为确保监测系统轻便易携带,本文采用充电式电源,将所有硬件封装在透明外壳内｡透明外壳表面嵌入开关用于重置蜂鸣器与OLED显示屏异常警报,上端设置气孔方便气体流通以监测有害气体,顶部加装一个绳挂扣｡由于火焰传感器和光敏电阻传感器需要感应光源,因此将火焰传感器设计在最左侧以接收光源,光敏电阻器上的光敏电阻正对透明外壳｡基于硬件设备的尺寸和使用需求,最终产品大小为74mm×68mm×62mm,总重量约为250g,可轻松悬挂于钥匙扣､书包等日常用品上｡图3所示为系统3D模拟设计｡

图3系统3D模拟设计

2.2设备终端

图3系统3D模拟设计便携式智能环境监测系统具备5种监测功能,分别为有害气体监测､火情监测､声音强度监测､空气温湿度监测与光照强度监测,并通过蜂鸣器发声和OLED显示屏显示来提醒用户出现的环境问题｡当系统监测到火情或者有害气体时,不仅OLED显示屏会弹出警告提示,蜂鸣器也会发出鸣响报警,以便用户第一时间发现安全威胁｡用户在排查完威胁后可通过透明外壳上的按键开关复位蜂鸣器和OLED显示屏以关闭警报｡当系统监测到声音强度过高､温湿度过高或过低､光照强度过强时,为避免影响用户正常生活､工作和学习,此时不会触发蜂鸣器报警,但会在OLED显示屏弹出警告提示｡图4所示为系统硬件设备终端工作流程｡

2.3平台管理

在OneNET物联网开放平台上选择“和物生活”物联网平台服务,可自主进行产品开发｡根据传感器特性和实际应用需求对产品开发进行物模型设置,如图5所示｡

通过物模型,用户可以清晰查看设备的名称､功能与服务｡开发过程中选择基于SDK开发,平台可自动生成功能接口SDK代码,下载SDK后移植代码并进行嵌入式开发,开发者可获取SDK产品ID､设备名称和设备密钥｡在开发过程中,平台还提供了便捷的测试服务,测试结果如图6所示｡

图4系统硬件设备终端工作流程

图5OneNET平台物模型设置

图6OneNET平台测试结果

3、结语

本文研究的便携式智能环境监测系统可有效监测环境中是否含有影响生命安全的有害气体,是否发生火灾,以保障用户的生命､财产安全;还可以监测空气温湿度､声音强度和光照强度,保障用户的身体健康｡在实现过程中,该系统通过传感器对以上数据进行监测,同时ArduinoNano主控板通过蓝牙模块和WiFi模块将传感器数据传输到OneNET平台;用户可通过OneNET平台PC端和APP端查看实时数据,同时硬件终端蜂鸣器和OLED也会发出警告,满足携带者和观察者的需要｡本系统功能全面,成本低廉,携带方便,可运用于各类人群与场景,有利于针对环境的智能监测,扩充了物联网应用场景的案例｡用DBO优化算法,通过动态更新全局和局部最优位置来优化BiLSTM的参数,使得其识别率较BiLSTM提高了10.87个百分点;且本系统使用的MFCC+ΔMFCC+En特征组合配合DBO-BiLSTM算法的识别率最高,为94.44%;另外,双传感器融合了咳嗽音的振动信号和音频信号,且振动信号与音频信号互补,使得双传感器对咳嗽音信号的识别率达到97.23%,比麦克风和压电传感器分别高14.1个百分点和3.04个百分点｡这表明双传感器在慢性咳嗽监测领域具有更敏锐和更稳定的识别效果｡

本研究的实验结果将为双传感器系统在咳嗽监测中的应用提供重要的参考和指导,对该领域的进一步研究和发展具有借鉴意义｡

参考文献:

[1]中华医学会呼吸病学分会哮喘学组,赖克方.咳嗽的诊断与治疗指南(2021)[J].中华结核和呼吸杂志,2022(1):13-46.

[6]黄健鹏.基于DSP的咳嗽记录仪的设计与实现[D].广州:华南理工大学,2013.

[7]裴晓娟.利用床垫式和腰带式生理信号监测系统进行咳嗽的监测与识别[D].济南:山东大学,2014.

[8]章臻.基于咳嗽音的呼吸功能分类算法及软件开发[D].广州:华南理工大学,2021.

[10]俞一奇.基于咳嗽音的儿童肺炎院外诊断识别研究[D].杭州:中国计量大学,2018.

[15]潘劲成,李少波,周鹏,等.改进正弦算法引导的蜣螂优化算法[J].计算机工程与应用,2023,59(22):92-110.

基金资助:台州科技职业学院2023年度校级课题青年专项课题(23QNZ08);

文章来源:徐晓丹.基于物联网的便携式智能环境监测系统[J].物联网技术,2025,15(04):37-39+45.