室内空气环境网络化的系统构成

室内外环境与人类的生存、生活息息相关、联系紧密,室内外环境质量的高低直接影响到人类生活质量的高低,甚至关系着人类的生存问题。
对室内外环境进行有效监测处理可以了解环境自身状况、获得环境相关参数,还可以为研究环境变化、环境污染以及环境和人类的关系等问题提供依据,从而为预防和治理环境污染、改善人与环境的关系提供参考。因此对室内外环境的进行监测、获取环境相关数据就显得意义重大。
随着现代科学技术的不断进步,计算机技术、网络技术、电子技术、虚拟仪器技术等技术得到了长足发展,它们为室内环境舒适度的研究提供了技术手段和强有力的工具,使得借助相关技术进行室内空气检测成为可能。另外,随着信息融合技术的不断发展,模糊理论、神经网络等理论也日趋成熟并被广泛应用于信息融合,这为室内环境舒适度评判模型的建立提供了理论依据。将先进的技术手段和科学理论用于解决现实问题,一方面可以更好、更快地解决实际问题,另一方面可以拓宽相关技术的应用领域、丰富相关理论研究对象,从而促进相关技术和理论的发展。
1 系统的总体系结构
本文的研究目标是要构建一套室内环境监测与评判系统,其功能是一方面可以对室内环境参数进行实时监测(包括本地监测和异地监测),另一方面可以从舒适度的角度对室内环境进行评判。为了达成研究目标、实现系统功能,整个系统是由数据采集模块组、微控制器系统、TCP/IP标准化通信接口、下位机人机交互和PC机监测系统组成。
其基本工作原理是,首先通过前端传感器获取室内环境参数,接着调理电路对前端传感器获取的室内环境参数进行放大、滤波等调理后,进入微控制器系统,系统微控制器接受调理电路的输出信号后,一方面,通过LCD将室内环境参数进行实时显示,以实现下位机的人机交互;另一方面,微控制器通过TCP/IP网络接口模块将室内环境参数传输给远端监测PC机,以实现上下位机的网络通信。另外,在远端监测PC机上,可以实现对所采集的室内环境信号进行各种分析处理,以及对室内环境舒适度的多角度评判。PC机上的监测软件由实时环境参数监测、数据分析处理、舒适度评判、参数设置以及事件报警等模块组成。
2 室内环境监测参数的确定
室内环境包括室内空气环境、声环境、光环境、电磁环境等,其包含的环境参数繁多,与之相对应的测试手段和方法多样,包括:物理的方法、化学的方法以及生物的方法等,本文不可能也没有必要选取所有的环境参数为研究对象,因此必须从多种室内环境参数中选取典型的参数进行研究。
考虑到所选参数应该具有代表性、应与人的主观感觉密切相关,且最好能够采用同类测试手段或方法实现检测等因素,本课题研究中选择室内空气环境中的温度、湿度、反映室内声环境的噪声、反映室内光环境的光照几个因素作为课题研究的对象。温度、湿度、噪声、光照几个参数是室内环境的典型代表,它们直接体现了室内的空气环境、声环境和光环境,并且均可以采用物理的测试方法检测,利于构建统一的监测系统。另外,从它们与人体主观感觉的角度看,它们关系到人的触觉、听觉和视觉,直接影响到人的触觉舒适度、听觉舒适度和视觉舒适度。温度、相对湿度、声环境和光环境是室内环境舒适度的几个主要影响因素,对人体来说,对舒适度最敏感的第一要素就是温度;噪声太大的环境会让人不舒服,完全寂静的环境人也不适应;光照是保证舒适度很重要的一个方面。基于以上讨论,可知对室内温度、湿度、噪声、光照等参数进行监测,并对其舒适度进行研究具有重要的意义。
3 系统软硬件的基本要求
本文是基于室内环境监测与舒适度评判系统应用分析基础上的研制项目,最终期望形成具备实际应用价值的室内环境监测设备,既要考虑可靠性、先进性,同时还要兼顾经济性。因此,硬件系统应遵循以下原则:电路简单、可靠,但有较高的先进性;在保证精度的情况下,尽量选用通用芯片;按照系统功能进行模块化研制。
系统的软件研发是整个系统得以实现的保证。它的正确性、可行性以及合理性等都直接决定了系统将来的功能和性能,对系统的可靠性、实时性、可扩充性以及运行效率等性能指标有很大的影响。整个系统的软件研发应满足以下要求:可靠性高,可靠是软件研发的基本要求,这是实现系统功能的基本保障;实时性好,因为系统的目标是对室内环境参数进行实时监测,并通过网络将监测到的参数实时传输到远端计算机上,因此系统的实时性如何至关重要;可扩展性强,对应硬件的模块化研制,软件系统也应采用模块化的研发思想,使得系统在硬件扩充或增加新功能时易于扩展。
4 系统网络化实现方案
网络化仪器是无论任何地点、任何时间都能进行远程操作、获取测试信息的所有硬软件元素的任何集合。网络化仪器通过网络连接在一起,彼此之间可以进行数据交换,实现异地数据共享,或利用异地的设备或仪器进行分析处理。在网络化测控系统中,传统仪器设备充当着网络中独立节点的角色,信息可传输至网络所及的任何领域,实时、动态(包括远程)地在线测控成为现实。要实现室内环境空气检测与评判系统的网络化功能,首先要选择其网络化实现途径,在嵌入式操作系统方案中常见的网络化实现途径有三种。
4.1 集成有网络接口的微控制器配合实时操作系统
采用集成有网络接口的MCU在RTOS平台上进行软件开发,在嵌入式设备内部实现TCP/IP协议处理。这种方案可以使嵌入式设备直接与Internet相连,有很大的灵活性,缺点是对MCU要求较高,占用系统资源较多,开发周期较长,对开发人员要求高。
4.2 MCU配合TCP/IP协议芯片
TCP/IP协议芯片不需要MCU支持就能工作,主要用于实现数据的协议处理。对
设计者而言,选用此方案时不需要熟悉复杂的网络协议及接口;在MCU芯片选择上,对其运行速度和存储器容量等也无特殊要求;在软件设计上,只需要增加一段接口程度,其他无需进行大量的改动,在很大程度上削减了工作量,即可缩短设计周期。但该方案存在问题有:在MCU与TCP/IP协议芯片的接口处存在速度瓶颈,尤其是在传输的数据量较大时,MCU需要把数据传送到TCP/IP协议芯片,这与在MCU内部进行协议处理相比,速度较低,而且采用TCP/IP协议芯片会增加开发成本。
4.3 MCU配合以太网控制芯片
在MCU内部承担协议处理任务的TCP/IP协议栈,根据具体的应用实现TCP/IP协议族中相应协议的功能;MCU通过控制以太网控制器芯片,实现与以太网的通信。该方案不依赖PC或高档MCU,应用系统可以直接上网,真正实现MCU系统直接接入Internet,整个系统完全自给自足,且使用外围器件少,硬件电路相对简单。在嵌入式系统中要实现网络化,显然使用第三种系统是最可行的,在嵌入式操作系统中,通常都有编译好的现成网络模块可以使用,因此设计人员不用去考虑具体的网络协议栈实现问题,只需要选择合适的网络接口芯片就能完成系统的设计。





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