职业院校物联网教学模型开发

罗 贤

（广州市公用事业技师学院，广东 广州510100）

07年开始的世界金融危机，给经济带来灾难的同时，也给人们带来了新的认知，以美国为首的西方发达国家正调整步伐，试图将经济重心从虚拟经济转向新型实体经济，而这种策略的调整将直接影响到新兴经济体的生存环境，为此我国提出了发展战略性新兴产业，推动国内经济转型升级的国家策略，意图与传统发达经济体一决高下，很显然，世界正处于一个转折点。

以物联网为代表的新兴产业目前正在快速有序地推进，为保持我们的竞争力，政府正持续在政策和资金方面加大对物联网的投入，调动各类资源特别是智力资源参与物联网的规划和建设。

在这样的大环境下，职业院校“以就业为导向，走产学研结合道路”的属性决定了人才培养也将逐步和“物联网”的发展接轨。目前，“物联网”专业仍然处于初级阶段，课程、教具等存在非常大的提升空间。在现有的条件下，开发一个结合“物联网”概念，而且成本低廉、便于维护的教学模型，迫在眉睫。

1 项目选择

教学模型以PM2.5指数的监测为切入点，构建一个具有云端储存、监控功能的空气质量监控系统。该项目的选择，不仅考虑到理论学习的系统性，同时也兼顾学生的实际动手能力。

衡量空气质量的指标一般有五项，分别是：总悬浮颗粒物、二氧化硫、氮氧化物、一氧化氮、臭氧。其中，总悬浮颗粒物是大家最为关心的一项内容。所谓总悬浮颗粒物，是指悬浮在空气中，空气动力学当量直径≤100μm的颗粒物。同类的其它常见概念有PM10、PM2.5等，它们都是指粉尘微粒。在现代工业社会中，空气中的颗粒污染物越来越多，除了工厂、汽车的排放，日常生活也会产生不少。

如果在日常生活中，想知道大范围的空气质量，可以关注气象部门发布的PM2.5指数；而对身边小范围的空气质量，特别是室内空气质量的采集，虽然可以通过空气质量监测仪器可以得到，但商用监测系统一般价格较高，且多为独立系统，无法进行云端存储与网络在线监测，无法满足设备的动态增加，更加不适合职业院校的教学教研。同时，部署和运维互联网云应用不但需要专业的研发团队、高昂的平台运维费用，安全问题更是难以保障。

2 系统总体设计

考虑到该模型是以教学教研为主，宜采用较容易获取、且较为成熟的开发平台。因此，系统选用了开源硬件平台Arduino。该平台具有可定制性强，功能丰富，性价比高的特点，为构建空气质量监测系统提供了良好的硬件平台。另外，网络上免费开放的公共物联网平台能接入各类传感器并在云端进行数据存储与分析，为部署互联网云应用大大节约了开发时间与成本。

该系统以Arduino与互联网云计算平台结合实现空气质量的监测，系统具有实现简便、实用性强、扩展性高、运营成本低等优点。

系统能有效地对空气温度、湿度、灰尘密度等进行监测，监测的数据在系统的显示屏上实时显示并上传到云端数据平台，用户可以使用计算机通过互联网远程观测各项数据图表或利用云端数据平台的事件通知功能实现事件的实时通知。系统包含传感器模块、以AVR单片机为核心的Arduino控制模块、显示模块、网络通信模块等。整个系统的架构如图1所示。

3 系统功能与实现

3.1 传感器模块

图1 系统架构

根据对空气监测的基本要求部署温度、湿度、灰尘等传感器，传感器数量可根据实际需要灵活部署，本系统选用1个温湿度传感器、1个灰尘传感器进行监测。温湿度传感器采用DHT22，灰尘传感器采用的是DSM501A，系统采用5V、1000mA的标准USB接口电源进行供电。

（1）DHT22数字温湿度传感器

该传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它的工作原理是在绝缘的基片诸如玻璃、陶瓷、硅等材料上，用丝网漏印或真空镀膜工艺做出电极，再用浸渍或者其它办法将感湿胶涂覆在电极上做成电容元件。湿敏元件在不同相对温湿度的大气环境中，因感湿膜吸附水分子而使电容值呈现规律性变化。

它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电容式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。

湿度测量范围：0～100%RH、湿度测量精度：±2%RH、温度测量范围：-40～80℃、温度测量精度：±0.5℃、工作电压：DC 5V（常用）、单总线数字信号输出。

（2）灰尘传感器DSM501A

灰尘传感器是利用微粒和分子在光的照射下会产生光的散射现象，与此同时，还吸收部分照射光的能量；当一束平行单色光入射到被测颗粒场时，会受到颗粒周围散射和吸收的影响，光强将被衰减。如此一来便可求得入射光通过待测浓度场的相对衰减率。而相对衰减率的大小基本上能线性反应待测场灰尘的相对浓度。光强的大小与经光电转换的电信号强弱成正比，通过测得电信号就可以求得相对衰减率。如图2所示。

图2 灰尘传感器工作原理

通过该传感器，可以感知烟草产生的烟气和花粉,房屋粉尘等,加热自动进气装置，可调电阻设置检测灰尘的大小。采用与粒子计算器相同原理为基础,检测出单位体积粒子的绝对个数。其主要特性：可以感知烟草产生的烟气和花粉,房屋粉尘等1微米以上的微小粒子；体积小,重量轻,便于安装；5V的输入电路,便于信号处理；内藏气流发生器,可以自行吸引外部大气；输出为PWM脉宽调制信号。

温湿度传感器及灰尘传感器均为数字式输出，可以非常方便地与Arduino控制板进行连接，只需将其接到数字引脚上即可。

3.2 控制系统

控制系统采用Arduino Duemilanove作为核心控制板，该控制板采用的是ATmega328P-PU控制器，其特点为：Digital I/O数字输入/输出端为0～13；Analog I/O模拟输入/输出端为0～5；支持USB接口协议及供电；支持ISP下载功能等。Arduino是一个基于AVR系列单片机和ARM控制器的开源软硬件平台，其具有丰富的外围模块，简单易用的开发语言及开发环境以及大量的源码库。在近几年的机器人、智能家居等领域得到迅速的发展及广泛的应用。软件开发采用类C++语言的高级语言；硬件图纸、各类源码库及开发环境均是开源的，可以按照开发者的需要进行修改。

Arduino的程序包含有Setup函数和loop函数，setup函数在系统上电或复位后运行一次，完成一些系统初始化及一次性的工作，之后系统进入loop函数，loop函数是Arduino程序的主体，是一个无限循环的过程。Loop函数完成对温度、湿度、灰尘密度等传感器数据的收集、处理、打包发送，系统流程如图3所示：

图3 控制系统Loop函数流程

3.3 Yeelink云数据平台

物联网已成为当前世界新一轮经济和科技发展的战略制高点之一，发展物联网对于促进经济发展和社会进步具有重要的现实意义，云计算以其强大的处理能力、存储能力和高性价比在物联网领域有着广泛的应用前景。各种开放的通用物联网平台应运而生，国内兴起的Yeelink，目前定位于做一个开放的通用物联网平台，主要提供传感器数据的接入，存储和展现服务。Yeelink具有事件触发机制，当数据达到某个设定阈值的时候，平台会自动按照预先设定的规则，发送短信，微博，或者是邮件，还可以充分利用平台的计算能力，定期的将统计分析数据发送到邮箱内。此外还具有双向传输与控制功能，实现对家庭电器的远程控制。

基于Yeelink云数据平台构建空气质量监测系统可以大大节约开发与运营成本，系统硬件采用积木式的架构，用户远程观测界面采用该平台实现。在Yeelink网站上注册即可获得API Key，登陆后在用户中心中即可在云端增加不同类型的传感器，管理动作等，网站会为每一个传感器分配一个独立的ID，作为传感器上传数据的身份标识。在Arduino的控制程序中按照网站开放的API及指定格式提交各传感器数据，用户即可在任何地点远程查看云端的数据。

经过长时间的应用与测试，该系统运行稳定，温度测量误差小于0.5摄氏度；湿度测量误差小于5%RH，灰尘数据测量具有定性参考价值。系统数据上传与Yeelink数据显示时间略有延时，但在几秒钟之内，不影响使用。温度、湿度、灰尘数据等数据在云端显示正常，如图4所示。

图4 云端颗粒观测数据示例

4 结语

采用开源Arduino平台及Yeelink云平台来构建基于云端的空气质量监测系统，在实际的应用中效果较理想，对室内空气环境的监测具有实际的参考价值。由于系统采用了成熟的硬件与云端平台，部署快捷、性价比高、后期扩展简便。初期开发中仅加入了温湿度监测及灰尘监测功能，一些高级的功能可以根据在教学中的需求可在此架构上比较容易地扩展实现。学生在收获知识的同时，也能将学习成果以直观的形式展现给家人，提升了成就感。

［1］Yeelink API文档[EB/OL].版本1.0.http：//www.yeelink.net/developer/api

［2］王家兵.利用Arduino及Arduino终端的图书馆机房远程监控系统研发[J].现代图书情报技术,2012(10)：89-92.

［3］衡友跃.基于Arduino的远程监控系统的研究与设计[J].新余学院学报,2012,6：78.