室内空间环境智能监测系统

0　引言

室内空间环境的监测一直是人们的关注点。在室内无人的情况下，人们无法对室内空间环境有较好的掌握，比如天然气是否泄露，电器关闭状况。如果出现了室内失火等重大安全事故，主人无法第一时间得知具体室内空间环境情况。本文作者设计了一套基于Arduino、树莓派等开源硬件平台的室内空间环境智能监测系统，结合目前广泛使用的微信技术，可有效实时掌握室内空间环境参数变化，提高室内空间环境参数异常处理的效率。

1　系统组成

笔者设计的室内空间环境智能监测系统分为上位机和下位机，其中使用树莓派作为上位机，接收并解析用户从客户端发送而来的消息，使用Arduino作为下位机，根据上位机消息解析后发送而来的指令操作相对应的电子元器件，如图1所示。

图1　上、下位机工作方式

在上、下位机上部署了“环境监测模块”、“智能控制模块”及“支撑平台”，如图2所示。

图2　系统硬件设计

为了有效保证以上两大模块的正常运行，根据模块特性进行了组件化设计，封装好了相关串口以供使用。通过支撑平台提供的服务连接起智能控制模块和环境监测模块，使位于环境监测模块中的下位机部分与智能控制模块中的上位机部分能较好地完成数据交换。环境监测模块与支撑平台共同合作使得环境监测模块能够有较强的抗空气扰动等能力。

1.1　环境监测模块

环境监测模块使用Arduino作为核心控制中心。Atmega328单片机针脚调用函数及各串口类型分布如图3、图4所示：

图3　Arduino串口调用函数

图4　Arduino各接口示意图

通过Arduino的串口通信协议进行读写数据，工作流程如下：

① 预先设定好对Arduino进行监听的相关串口及操作，烧录至Arduino单片机中。

② 在代码中规定好Arduino波特率。

③ 通过Arduino上的读取串口对搭载在其上的电子元器件调用analogRead()函数进行数据读取。

1.班主任的观念应该随着时代的步伐进行转变。行为来源于思想的引导，因此要想班主任能够彻底改变行动以正确的态度管理班级和学生，首先要从思想方面进行改正，传统的应试教育观念应及时剔除。认清现代社会人才需求是班主任实行管理的有效教育。做到以人为本，根据学生各自的特征实行因材施教的有效教育方式，同时也是促进学校综合教学质量的主要途径。

④ 在循环运行的loop()函数中，执行读取串口数据。使用Serial.read()函数在下位机的Atmega328单片机中的数据缓冲区读取数据。

⑤ Arduino与上位机通过GPIO方式进行通讯，把搭载在其数字I/O串口上的电子元器件获取到的数据发送给上位机。

· 采用LNMP(即Linux + Nginx + MySQL +PHP)架构模式配置后端服务器。

接口0和接口1被复用为RX和TX接口，用来传输数据，如进行两个Arduino之间通信，完成多个环境监测模块的协调功能。

针脚编号带有～标识的PWM数字I/O口具有脉冲宽度调制输出能力。如使用具备PWM功能的串口进行平滑电流调整。

MRI平扫检出率高于多排螺旋CT平扫，P＜0.05；两种检测方式增强扫描检出率对比无明显差异，P＞0.05。如下表所示。

“嘭”，田志芳的一句话像十万重磅炸弹，把士兵炸开三丈远，他一屁股倒在树脚下，一脸惊恐。“我，我，你你你，你是杨连长老婆，全团人都知道。”

模拟I/O口可输入模拟和数字信号，测量连接在其上的电压数据以供调用，它随时可改变为任意值，如通过温湿度传感器和模拟I/O口，即可检测当前环境温湿度。

3.设计简单易行的实施方案。推动投资者自动加入个人养老金账户计划，将目标风险基金、目标日期基金以及低风险基金(持有期不超过120天)作为默认基金进行推广。美国2006年QDIA法案提出默认基金，自动加入计划和提升比例的作法解决了投资者选择难、参与低的问题，带来了养老金规模的迅速增长，整体规模增长了4.4万亿美元。

1.2　智能控制模块

树莓派预装Linux系统，体积小运算性能好。智能控制模块使用树莓派作为核心控制中心，具备较便捷的数据处理能力，但其数字I/O扩展接口较少，且未将AD引脚引出，利用Arduino传感器驱动，引出标准VCC+GND+信号三针管脚，即可方便采集信息。树莓派各个针脚功能如图5所示。

图5　树莓派各针脚功能示意图

树莓派通过GPIO的方式与下位机Arduino进行通讯，工作流程如下：

但是，我们也不难看到，包括纸张在内的原材料成本以及人工成本的持续走高，互联网和信息科技对传统印刷的影响，以及环保政策的不断严苛，都给企业的发展带来极大的压力。但凡事都有起伏的生命周期，力嘉对印刷业未来的发展充满信心。

② 读取下位机Arduino传递来的数据，将此参数与树莓派中预设参数进行比对。

③ 根据比对结果，树莓派通过预定程序作出处理。

施工建设阶段资金补偿并不适用于各种施工建设的项目，而是适用于建设需要资金较大的项目，通常这种项目的范围很小，共分为两种：一是项目付出的成本与项目的运营效率联系十分密切的项目，通常表现为经营性的项目；二是建设的永久性设施，通常表现为政府为了提高居民的生活品质而出资建设的基础性设施。在项目施工阶段，政府会将建成的部分项目交与社会企业经营，并签订相应的合同，使企业能够获得相应的经济效益，待项目正式运营以后，政府会对资产形式进行调整，以此来获取收益。

④ 将处理完的结果数据再以GPIO的方式发送给下位机进行处理。

1.3　支撑平台

该平台为环境智能检测模块和智能控制模块提供连接和保护等作用，为客户端和服务端的连接稳定性提供支持。主要支撑包括：

① 为两大模块提供电路过载保护。

② 支撑环境监测和智能控制模块搭建。

③ 连接环境监测模块中各个搭载在下位机Arduino上的电子元器件。

④ 有效控制因空气扰动造成的Arduino对各个元器件参数读取误差过大等问题。

⑤ 为客户端与服务端通讯过程提供稳定性支持。

2　功能设计

客户端使用微信公众号作为载体。在公众号后台配置消息服务器，把用户的消息指令转发到消息服务器上，由其对数据库服务器下发数据修改指令。修改后，由智能监控模块对数据库服务器进行周期性访问，对从数据库服务器获取到的数据进行解析，下发到环境监测模块中，完成从用户操作到硬件反馈的流程闭环。

2.1　操作客户端

用户指令采集：用户在系统对应的公众号中发送操作指令，如向系统对应的公众号发送“当前温度”、“开灯”、“关灯”、“开启风扇”等操作指令。

数据发送：收到用户发送的操作指令后，对操作指令进行格式化及加密，完成后发送给微信公众平台管理后台中设置的对应消息服务器。

接收数据：消息服务器的消息接收接口接收到上位机发送而来的网络请求数据，解析数据并二次封装转发给微信公众号展示。

习近平总书记在党的十九大报告中指出，农业农村农民问题是关系国计民生的根本性问题，必须始终把解决好“三农”问题作为全党工作的重中之重，坚持农业农村优先发展，实施乡村振兴战略。把推进乡村振兴提升到战略高度，是党中央着眼于新时代战略定位与发展目标所作出的重大战略决策，明确了新时代农业农村改革发展的方向和重点。

2.2　后台管理

更新数据：消息服务器收到消息后，解析消息指令，转发给数据库服务器。数据库服务器接收到消息后，根据解析出来的相关操作对相应数据做出处理。

下位机操作：智能控制模块对数据库服务器定期轮询访问读取相关数据，根据从数据库服务器读取到的数据做出对应操作。环境监测模块接收到智能控制模块下发的数据后对数据进行解析，完成后，根据数据进行操作匹配，对搭载在其上的电子元器件进行对应的反馈行为，例如读取当前温度传感器所测温度，读取当前气体传感器所测数值，改变对应I/O接口电平信号等行为。系统整体功能设计如图6所示。

图6　系统功能模块示意图

3　实验与分析

为更加清晰地描述本文所设计的系统，依据上述相关流程及注意事项进行本实验设计。为保证实验安全进行，勿直接对接220 V标准电压，电源电压为5 V左右即可。

所需的软件环境如表1所示。

表1　实验软件环境

软件组件说明版本说明微信PHPMySQLUbuntuNginxArduinoIDEPythonv5 2(及以上)v7 1 9(及以上)v5 7 19(及以上)v14 04(及以上)v1 13 0(及以上)v1 8 0(及以上)v2 7(及以上)

所需的硬件环境如表2所示。

（七）提高母猪的泌乳力 新生仔猪主要靠母乳维持生存和增重，提高母猪的泌乳力对促进仔猪生长发育和提高哺育率的影响很大。饲料品质和营养成分、饮用水数量和质量是影响泌乳量的重要因素，按营养需要进行饲养，通常情况下，要做好母猪产前减料和产后逐步加料的工作，泌乳母猪应适当增加青绿多汁饲料的喂量，蛋白质饲料种类要多，必需氨基酸含量高。泌乳母猪的管理程序要有条不紊，以保证正常泌乳，要创造安静的环境，保持圈舍的清洁干燥，注意乳房卫生，经常供给清洁的饮水，适当增加饲喂次数，切忌突然变更饲料。

表2　硬件环境

硬件组件说明版本及数量说明RaspberrypiArduinoUNO130电机风扇模块LED小灯A版(及以上)x1x1x1x4LM35温度传感器通用电磁式无源蜂鸣器公对公及母对母导线x1x1若干

3.1　实验步骤

1)下位机硬件电路连接。参考图7所示下位机硬件设计图纸搭建电路。

图7　下位机硬件设计

2)上位机与下位机的连接及网络请求。

· 树莓派上安装对应版本Arduino IDE。

· 用USB方式进行树莓派Arduino连接。

② 解析网络数据。根据数据操作下位机。如数据中“温度”字段数据为“70”，把高温预警LED小灯由低电平变为高电平，使之点亮；把降温风扇由低电平变为高电平，使之进入工作状态；为“30”则把对应高温预警LED小灯由高电平变为低电平，降温风扇由高电平变为低电平，停止工作。

· 编写上位机树莓派的网络请求方法。

· 编写下位机的串口数据读取程序。

4)后端服务器开发及配置

· 后端服务器接收到微信公众号转发而来的“当前温度”消息，修改相关表字段数据。

· 服务器进行资源请求。以“高温反馈”为例：

① 进行相关资源的请求。

· 配置树莓派网络环境，连接网络。

· Arduino依据树莓派解析出的网络数据执行相关控制代码。

· 下位机硬件接收到对应的操作指令，执行相关代码。

3)微信公众号的相关配置

· 申请对应公众号。

① 通过上位机树莓派的相应数字模拟串口GPIO14和GPIO15与Arduion的pin0 (rx) pin1(tx)进行串口对接。

在微信公众号中输入“当前温度”指令,如图8所示。

· 开通服务器配置。与微信公众号进行Token响应，完成双向验证。

· 执行固定时间片的网络请求轮询。

Arduino上的数字I/O口可以输入和输出数字信号。该信号只有高电平和低电平两种状态。高低电平通过参考电压(AREF)确定，高于AREF的电平被认为是高电平，低于AREF的电平则被认为是低电平。Arduino默认参考电压约为1.1 V。如可基于Arduino上的数字I/O口，把需要的传感器和电子元器件连接到数字I/O口上通过高低电平来控制开关。

· 申请且备案所需域名或公网IP地址。

· 基于微信公众号开发版SDK编写接收相关消息程序。以“高温反馈”为例:

1950年代的《梅葛》整理、翻译，主导模式是民间文学中的“史诗”。比如，一方面，它按诗句的格式整理唱词；另一方面，这些唱词力求诗一样的简洁，删掉所有枝蔓，为力求优美，还请汉语工作者润色。

①接收到微信公众号转发而来的“当前温度”消息。

4月26日，十余位浙江画院的艺术家在院长孙永的带领下，再赴绍兴东浦，进行为期3天的全方位采风写生创作活动，零距离领略水乡美景和浓郁的风土人情。

②对数据库中对应的“温度”字段数据进行查询。

3.2　实例执行结果

· 服务器安装微信公众号开发版SDK。

图8　微信公众号消息

消息服务器接收到公众号转发而来的消息，解析转发的消息实体对象。“MessageBody”为公众号转发而来的JSON对象，解析后从“operation_key”字段取得对应的value，修改相关表字段数据，树莓派根据字段数据执行下位机操作语句。发送树莓派操作执行结果给微信公众号。新建JSON对象实体“returnBody”，以send_data为key，实体结果为value，微信公众号根据返回的消息模板解析收到的数据进行展示。

3.3　实验结果分析

1)下位机暴露在空气中易受到“空气扰动”及不同厂家不同批次的因素影响带来“针脚空隙”等问题，我们使用了相对应的封装及固化工艺，减弱此类问题发生。

2)树莓派的GPIO14、GPIO15接口与Arduion pin0(rx) pin1(tx)接口进行对接，获取Arduino的串口数据，且分别通过使用阻值为3.3 kΩ、1.6 kΩ的电阻进行分压，避免两端电压不一致而烧毁设备。

3)在系统数据传输过程中，需要实时发起网络请求传递数据，对网络带宽及网络时延有较严格要求，需对数据库服务器中相对应的字段做去重处理，提升系统鲁棒性。

4)公众号与消息服务器需进行双向的验证，而Token的有效期会干扰消息发送及接受，需在每次进行消息的发送和接受时进行“模拟登陆”，获取最新的Token，且在服务器中应让80端口作为对微信公众号消息发送及接受端口，否则会出现二义性，导致双方互相接收不到相关消息。

在实际操作过程中，消息的发送和接收丢包率稳定在5%以下，系统所采用的一号一户的“单用户”操作模型保证了消息发送和接收的稳定性及准确性。

4　结束语

室内空间环境的监测已经成为了人们当前的热点关注对象。本文所设计的室内环境智能监测系统使用了流行的Arduino、树莓派作为上下位机处理室内环境的实时检测，用户通过配置微信公众号即可对室内空间的硬件系统发送和接收各类操作指令，达到室内环境监测的完整闭环。该系统设计方案可以部署在家庭、教室、会议室、办公室等空间中，较为有效地避免了以往对室内空间进行监测时所采取的各种繁杂措施，节省了人力、物力。该系统能够在网络时延较低的情况下良好运行，保证了基本的数据传输要求。为进一步增强对室内空间环境的智能监测，下一步可增加更多与当前室内空间相匹配的传感器及电子元器件，并对各个模块进行更加细致的固化和组件化，达到对整套系统随时拼接的效果。系统提供的支撑平台，可将其提供的功服务拓展得更加通用，进一步缩小其差异性，以达到快速投入实际生产环境的目的。为了达到更加智能的环境监测效果，在未来可增加机器学习和人工智能相关技术，使其对当前室内环境中的情况作出更加智能的反应，及时处理环境异常情况。

参考文献：

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