【《某室内环境检测系统整体框架设计案例》4500字】

某室内环境检测系统整体框架设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u634某室内环境检测系统整体框架设计案例 1174561.1室内环境检测与评价系统总体方案设计 1230721.1.1系统功能需求分析 1182491.1.2检测污染因子选择 2292651.1.3系统总体框架设计与工作流程 2233881.2关键技术介绍与选择 4237501.1.1无线通信方案选择 4292091.1.2数据存储方案选择 5142971.1.3环境污染水平评价算法选择 61.1室内环境检测与评价系统总体方案设计1.1.1系统功能需求分析对于当下学校、办公楼、住宅等室内场所缺少对环境污染水平地监测、用户无法实时获取当前场所环境污染水平的情况，本系统面向用户提供能够实时检测、数据透明、结果可视化的室内环境污染水平客观评价系统。系统功能需求如下：1）实时检测的室内环境检测终端环境污染检测终端需要检测环境中的多种污染因子，包括常见的物理性环境参数和化学性环境参数。此外，检测终端和服务器需要使用无线网络通信方式，检测终端的检测数据发送至服务器端，经过算法计算得到实时评价结果。环境检测终端应具备可移动性、体积小、数据传输具有实时性的特点。2）合理客观的室内环境污染水平评价算法环境检测终端可获得室内环境各污染因子的检测值，但检测值没有直观的感受，对此，需要向系统植入室内环境污染水平评价算法，经过算法对检测值进行计算，获得直观的评价结果。常见的评价算法如模糊数学综合评价法，计算公式由个人主观设定，这会使评价结果主观性强，因此本系统使用的算法需要降低评价结果的主观性，以及系统计算的实时性。3）面向用户展示实时数据的APP客户端为了使任意用户都能随时获得所在场所的室内环境污染情况，面向用户设计一款能够实时展示数据及评价结果的APP客户端，该APP客户端能够查看实时数据、实时评价结果、历史检测数据等功能。4）管理所有用户及终端设备的室内环境监测管理系统开发室内环境监测管理系统用于管理员监测局域网内所有终端设备的状态，管理历史数据及用户信息等。1.1.2检测污染因子选择室内环境污染物具有多样化特点，按照污染物的特性可以分为物理性、化学性、放射性和生物性参数。物理性参数主要有温度、相对湿度、新风量等；化学性参数在所有参数中占比最多，污染来源也较多，主要有甲醛、CO、氨、PM10和总挥发性有机物TVOC等；其余还有氡、菌落等污染参数。在以上的污染物中，物理性参数和化学性参数在日常生活中更为常见，其中，甲醛在室内环境中伤害指数最高，室内装修材料及家居家具中都会长期慢性释放甲醛，长期处于甲醛浓度超标的室内环境中会导致肺炎、肺水肿，严重时会产生中毒反应ADDINNE.Ref.{57505AF3-0113-42C7-980B-3502C6706965}[19]，国际卫生组织将甲醛归类至一类致癌物；PM1.5/PM10分别是直径不大于1.5微米/10微米的两种悬浮在空气中的颗粒物，常见于厨房油烟、燃料燃烧和香烟产生的烟雾等，它能够长期停留在空气中，对人的呼吸道及肺部伤害很大；氨主要出现在建筑材料中，当温度、湿度等物理参数发生变化时，建筑材料会释放出大量的氨，使室内氨气浓度大量增加。综上所述，考虑污染物的来源与危害性，并结合1.1.1小节提到的《室内空气质量标准》，系统选取温度、湿度、甲醛、PM1.5、PM10、氨气六个指标进行检测与分析。1.1.3系统总体框架设计与工作流程针对上述系统功能需求分析及污染因子的原则，本文设计了一款室内环境污染水平检测及评价系统。该系统主要有环境检测终端、服务器端、APP客户端和室内环境监测管理系统组成。如图2-1所示，环境检测终端围绕多种污染因子进行检测，通过无线Wi-Fi通信模块将数据传送至服务器端，经过服务器端算法计算后，将计算结果发送至APP客户端并保存至服务器端中的MySQL数据库。图2-1系统整体结构图1）环境检测终端环境检测终端以单片机STM32为核心ADDINNE.Ref.{9D477ECF-8711-4169-9949-7C6727E5A7A1}[20]，使用温湿度、甲醛、PM1.5/10、氨气传感器获取各污染因子的检测值，OLED电路显示检测终端状态与各指标检测值，使用Wi-Fi通信模块与服务器端及APP客户端进行数据通信。该部分主要实现多污染因子实时数据采集、显示和数据通信等功能。2）服务器端服务器端主要由TCP协议服务端、MySQL和Redis数据库、室内环境污染评价算法和室内环境监测管理系统等多个部分组成。环境检测终端中Wi-Fi模块作为TCP协议客户端，服务器端作为TCP协议服务端，两者通过TCP协议建立双向连接，实现无线传输功能；室内环境监测管理系统用于管理用户信息、管理员信息、设备信息和室内环境检测相关数据等；MySQL数据库用于长期数据的读取、写入等操作，Redis数据库用于接收来自环境检测终端的实时数据，通过双数据库地使用减少数据库数据承载压力，减少数据库资源浪费；室内环境污染评价算法通过实时分析各污染因子采集的原始数据，获得实时评价结果，将评价结果存储至数据库并通过网络协议返回至室内环境监测管理系统及APP客户端。3）APP客户端APP获取当前地里位置，用户通过扫描环境检测终端的二维码，获取当前环境下的实时检测数据及评价结果。APP客户端为用户提供实时、直观的环境污染水平。4）室内环境监测管理系统该管理系统用于管理局域网内所有检测终端工作状态、各检测终端的实时数据和历史数据、APP客户端用户信息及管理员信息等。系统工作流程：首先，环境检测终端初始化各模块，连接局域网Wi-Fi，使用TCP/IP通信协议连接TCPServer端（即服务器端），请求发送数据。然后，服务器端接收请求，并向环境检测终端发送允许连接的指令，将接收的实时数据缓存服务器端的Redis数据库。通过实时计算将检测数据及评价结果存储至MySQL数据库，并发送至室内环境监测管理系统与APP客户端。同时，用户可以使用APP扫描环境检测终端的二维码，查看当前节点的实时数据及污染气体感知等级，同时可查看当前节点检测的历史数据。1.2关键技术介绍与选择1.1.1无线通信方案选择在环境检测终端的通信方案选择上，结合本系统的应用场景，从传输速度、传输距离、通信方式等几个方面，分析比较几种常见的无线通信技术ADDINNE.Ref.{F1FED732-DBAA-40E8-A134-09C17B667BFB}[12]，各无线通信技术的通信距离从小到大排序ADDINNE.Ref.{472C3AFA-40CA-4941-9433-6F0AD7B51BFC}[21]为：蓝牙<Zigbee<Wi-Fi<LoRa<GPRS≤NB-IOT；各无线通信技术的传输速率从小到大排序为：GPRS≤LoRa<Zigbee≤NB-IOT<蓝牙≤Wi-Fi；上述六种常见的无线通信技术中，ZigbeeADDINNE.Ref.{D442C3F6-93A7-447B-9055-DDF57A12151B}[22]和LoRaADDINNE.Ref.{AC99598B-E70A-4973-AC06-677845CA7274}[23]技术是半双工通信，蓝牙、GPRS、NB-IOTADDINNE.Ref.{C0FD86EC-BA81-4CA2-A059-F7896AF00C50}[24]和Wi-Fi均为全双工通信，数据传输效率高于半双工通信。根据系统功能需求分析，首先，从系统实时检测和数据传输安全性考虑，无线通信方案需要有较高的传输速率和较安全的通信方式。其次，从系统的可扩展性考虑，需要选择具有一定组网能力的无线通信方案。对比表2-1中几种常见的无线通信技术后，本文选取Wi-Fi作为系统的通信方案，使用Wi-Fi无线通信技术既能实现局域内组网，因为传输速率较快，又能保证系统数据传输的实时性。随着技术的发展，Wi-Fi在日常生活中已经广泛应用于手机、笔记本电脑等移动终端，并且在智能家居方面有较好的发展前景，具有数据传输快、组网方式简单、可覆盖范围广、可接入设备多等特点。Wi-Fi组网方式简单丰富ADDINNE.Ref.{24A1933D-1DD0-4F8D-9570-CCCF52AB256C}[25]，有无线路由器组网、AC+AP组网、Mesh组网、主路由+无线中继等多种组网方式，以无线路由组网和AC+AP组网为例，如图2-2所示。本系统的环境检测终端应用于室内场景，因此采用无线路由组网方式，该方式不受距离及用户数量限制，具有易操作和成本低等优点。图2-2Wi-Fi的两种组网方式1.1.2数据存储方案选择根据本系统的功能及特点，系统需要长时间大量传输数据，实时数据和历史数据庞大，选择合适的数据存储方案有助于提高系统的性能，优化系统数据存储能力ADDINNE.Ref.{F5E63937-BFAB-4F2C-A78E-F1F4E2B0E9B2}[26]。典型的数据库ADDINNE.Ref.{E53EF523-5A31-42B2-885C-49F4F4420B3E}[27]有关系型数据库MySQL、SqlServer和Oracle，内存型数据库Redis等。对比以上数据库优缺点如表2-2所示。表2-2几种常见数据库对比名称优点不足SqlServer易用性、与相关软件集成性好、良好的性价比无开放性、无安全证书、少用户时性能差续表2-2几种常见数据库对比名称优点不足MySQL读写速度快、支持多平台、稳定性好、开放性安全系统复杂Oracle移植性好、支持多媒体数据、具有较高的安全性成本高、操作复杂、对硬件要求高Redis支持多种数据类型、支持持久化存储、性能好需要定期删除数据对比表2-2中四种常见数据库的优缺点ADDINNE.Ref.{9A18E5C6-534F-45DC-AD5A-0D716D484835}[28]，本文选择MySQL+Redis存储系统数据。MySQL数据库是一个快速、多线程、多用户的关系型数据库ADDINNE.Ref.{70D0DF01-A89F-4223-90F1-489EA9E83069}[29]，线程是轻量级线程，可以灵活地为用户提供服务，不浪费系统资源。MySQL具有快速稳定的基于线程的内存分配系统，其稳定性足以应付超大规模的数据库ADDINNE.Ref.{6871E259-72A3-4314-A00F-FD2C2C3BDB7F}[30]，同时它具有强大的查询功能，使用运算符和相应函数就能查询来自不同数据库的表，使得查询变得快捷方便。能够满足本系统中大量历史数据地存储及查询等功能。Redis数据库是一种非关系型数据库ADDINNE.Ref.{7D4FA4DC-6B0A-4AD7-B75E-443C72230A16}[31]，它使用键值对的方式将数据存储在内存中，当Redis把内存中的数据同步到磁盘中时就可以将数据持久化。Redis数据库支持多种数据类型，如字符串、双向链表、哈希表、集合、排序set等ADDINNE.Ref.{4430ADDC-7F66-48BC-9B52-A82B6AA17903}[32]。由于Redis数据库的数据是存储在内存中，因此需要定期删除数据，但是在本系统中可以利用Redis数据库的这一特点，将Redis用于存储缓存类的数据（如在线设备信息及个数、在线用户信息等），即可以达到减少系统资源的目的，又可以提高系统数据读写速度。综上所述，采用MySQL+Redis数据库存储数据，其中MySQL数据库用于存储持久化数据，如用户信息、历史检测数据等，Redis数据库用于存储缓存类数据，这样的结合方式可以提高系统数据读写速度，减少不必要的内存资源浪费，满足系统对大量数据实时读写的需求。1.1.3环境污染水平评价算法选择常见的现代综合评价方法有主成分分析法、灰色关联度法、模糊数学综合评价法和TOPSIS法(优劣解距离法)ADDINNE.Ref.{19D3789A-CB7B-439A-A7A3-D8BC362E7829}[33]等，下面对常见的几种评价方法进行分析。主成分分析法(PrincipalComponentAnalysis,PCA)ADDINNE.Ref.{CB744B6F-61F9-4B25-B76F-42603B044FB0}[34]是一种用于多变量分析的方法，应用十分广泛。它的基本原理是将相互具有关联性的多个初始指标进行重新组合，获得一组相互无关联性的综合指标，使用获得的综合指标来代替初始指标。秦雪芬等ADDINNE.Ref.{2CEB849D-7A26-41BE-A7FE-528FD41F5A94}[35]使用主成分分析法对太原市空气质量进行评价，该文献通过主成分分析法可以获得太原市空气质量的主要污染物，但对评价结果没有直观的描述，不符合本系统的环境污染水平评级的需求。灰色关联度法ADDINNE.Ref.{DA0BFD4D-DFBE-4DA5-866A-0B2E6960F3BC}[36]是一种常见的灰色系统分析方法，通常用于衡量指标之间发展趋势的相似或相异程度。灰色关联度法通过计算灰色关联系数和关联度来反应评价指标的优劣关系。刘芳等ADDINNE.Ref.{7F865737-6B68-4C48-BD1F-B726702D2D39}[37]通过改进灰色关联度法对环境空气质量综合评价做了应用研究，研究中提出灰色加权关联度模型对哈尔滨市的PM10、SO2和NO2进行分析，由于哈尔滨市空气质量特征是SO2和NO2浓度很低，PM10浓度很高，因此该研究中提出的灰色加权关联度模型对哈尔滨市有较准确的评价