中小学教学环境监测与预警系统的研究与设计

季铸　包依勤

摘 要：中小学是学生生长发育的重要阶段，良好的教学和生活环境不仅有利于学生的身心健康，同时也为其一生的发展打下了良好的基础。近年来，各地学生的体质与健康虽有所改善，但问题仍然较多，部分地区学生视力不良及肥胖率上升，易感冒且免疫力下降，龋齿患病率反弹等，严重影响着下一代接班人的成长和祖国安全。对中小学教学环境进行动态监测与预警是本项目研究的目标。本系统可通过数据采集器对校园环境的六个传感器进行监测，并经过网关传输到智能终端，从而实现环境监测与预警。只要有智能终端上网就能实时了解教学环境现状，及时发现存在问题并提出指导意见，从而促进学生身心健康的全面发展。

关键词：生活环境；环境监测；预警；传感器

中图分类号：X830 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）04-0-04

0 引 言

环境安全是环境领域与安全领域交叉产生的新概念，是国家安全、国际安全的重要组成部分，是近十几年发展起来的一门新兴科学，也有人称之为绿色安全或生态安全。一般来说，环境安全指人类赖以生存发展的生态环境处于一种不受污染和破坏的安全状态。对环境安全的理解包括两个方面：一是免于因环境恶化而造成对人类生存的威胁；二是免于因环境争端或冲突而形成对国家关系或群际关系的威胁。

近年来，各地学生体质与健康状况总体有所改善，但学生体质健康方面存在的问题仍然较多，部分地区中小学生视力不良及肥胖检出率持续上升，学生易感冒免疫力下降，龋齿患病率出现反弹等，严重影响下一代接班人的成长和祖国安全。有害环境对人的身体影响很大，比如今年被高度关注的PM2.5。PM2.5是指大气中直径小于或等于2.5微米的颗粒物，也被称作入肺颗粒物。PM2.5的危害很大，除了会引发心脏病、动脉硬化外，还会造成肺癌、支气管炎、哮喘等疾病。除此之外，甲醛对人体的影响也不容忽视。甲醛浓度在每立方米空气中达到0.06～0.07 mg/m3时，儿童就会发生轻微气喘；当室内空气中甲醛含量为0.1 mg/m3时，就有异味和不适感；达到0.5 mg/m3时，可刺激眼睛引起流泪；达到0.6 mg/m3时就会出现咽喉不适或疼痛。当浓度更高时，可以引起恶心、呕吐、咳嗽、胸闷、气喘甚至肺水肿。中小学教学环境监测与预警系统能够动态采集传感器的数据，若监测数据超过一定范围，则进行预警，系统主要实现下列环境指标的采集：

（1）照明强度： 平均照明度不低于150 L。

（2）室内空气质量： CO2 浓度<=0.15%，CO 浓度<=10 mg/m3。

（3）室内温度：冬天温度在16～18 摄氏度之间。

（4）噪声：室外噪声<=50 分贝。

（5）甲醛浓度：≤0.08 mg/m3。

（6）PM2.5值：24 小时平均浓度小于75 mg/m3。

1 教学环境监测与预警系统的架构

中小学教学环境监测与预警系统提供教学环境空气质量的实时数据查询监测预警，并对各个教学环境进行集中管理。环境监测平台和移动手持设备可实现教学环境的实时在线监测及自动化监控和数据自动采集与存贮、数据统计与分析、数据远程传输和数据显示，使家长及学校管理部门对教学环境进行有效的监控与管理、为校园提高空气质量、为净化教学环境提供真实数据。

本系统是一个基于智能终端的教学环境空气质量管理系统，通过ARM嵌入式网关、甲醛传感器、PM2.5传感器、CO2传感器、光照传感器、温度传感器、声音传感器、EasyARM2131板以及Android/iOS智能终端构成整个环境系统，主要综合了教学环境空气质量的实时监控监督、危险预警等功能。本系统基于局域网，以TCP/IP协议和Modbus规约传输多种控制信号，易于Internet连接和访问。教学环境监管与预警系统框图如图1所示。

2 数据采集器的设计

数据采集器由EasyARM2131和6个传感器组成，EasyARM2131将Philips公司的LPC2131作为主控制器，LPC2131具有片内8 KB的RAM和片内64 K的程序Flash，具有2个串口，多个I2C和SPI接口，有64个管脚。数据采集器的LPC2131串口COM1与嵌入式物联网网关连接，串口COM0首先通过RS 232/RS 485转换器转换成RS 485，再通过RS 485总线与六个传感器连接。由于6个传感器是不同型号并来自不同家厂，所以在选择传感器型号时必须考虑传感器应具备串行接口的特点。但不同的传感器规约是不一样的，需要LPC2131分别来处理。最后统一成一个Modbus规约，实现与ARM嵌入式网关的通讯。ARM嵌入式网关与移动终端通讯采用TCP Socket通讯，也统一采用一个Modbus规约。

采集器的通讯分上、下行通讯，传感器与数据采集器通讯是下行通讯，数据采集器与ARM嵌入式网关的通讯是上行通讯。在系统实现时，下行通讯时各个传感器不一致，如光照强度通讯格式如表1所列，而甲醛通讯格式如表2所列。这些需要在设计通讯程序时进行处理。而上行通讯统一了规约，采用Modbus规约，便于网关的实时采集，同时，也保证了系统的可靠性。Modbus规约帧格式如表3所列； 功能码如表4所列。由于将每个传感器值作为寄存器，所以定义是多路寄存器，在设计中采用功能码为10，数据格式如表5所列。

由于传感器都是RS 232异步传输，所以需要采用232转485技术，将6个传感器并联到485总线，再将总线接到EasyARM2131上。也有采用ZegBee技术与传感器实现相联的，但系统中考虑到传感器与采集器比较靠近，成本问题及有线比无线更可靠。所以采用RS 485总路线通讯方式。

由于 6个传感器的规约不一致，并且还有的是主动上报方式，有的是查询方式通讯，这些都需要ARM来处理，实现中主要采用如下方法：

（1）有5个传感器，分别为温度、光照强度、甲醛、PM2.5、噪声传感器，这些传感器将实时上传传感器当前值，采集器串口中断方式接收数据并保存。

（2）有一个传感器，不会主动上报CO2当前值，需要ARM每秒向CO2发送读数据指令，采用串口查询方式，才能读取数据。

（3）ARM通过每个传感器上传的帧格式，采用不同的解析方式，识别传来的数据究竟是哪一个传感器的数据。

（4）将ARM串口下行通讯获得的数据保存到指定的Modbus寄存器，方便嵌入式网关格式读取。

通过ARM定时1秒向CO2传感器发送读取指令，加上其他5个传感器是主动上报数据，从而实现了6个传感器的数据采集。

3 ARM嵌入式网关的设计

3.1 功能要求

ARM嵌入式网关采用TINY210板，基于Android操作系统，TINY210具备多个串口和一个无线网口。串口与数据采集器相联，WiFi无线网口与互联网相联，通过软件技术完成网关通讯的功能，系统结构图如图2所示。ARM嵌入式网关主要具有管理用户登陆、注册、通讯设置、通讯、日志等功能。功能主要实现方法如下：

（1）TINY210是一个ARM开发平台，它采用Android操作系统。

（2）ARM嵌入式网关选择一个串口与数据采集器相连，动态采集数据采集器中的传感器实时数据，并将各传感器的数值存储。当有移动终端访问时，可直接向移动终端返回实时数据。

（3）ARM嵌入式网关除了向客户端回应传感器的实时数据外，还具备用户注册、登录、找回密码等功能。

（4）用户注册：如果该用户名没有进行过注册，服务器会将传来的用户信息保存到数据库（这里使用SQLite数据库），然后向客户端返回注册成功的标志。

（5）用户登录：如果密码不对就返回登录失败，否则返回登录成功并将该用户的信息封装好返回给客户端。

（6）用户找回密码：服务器根据该用户的手机号，通过“互亿短信验证平台”向该用户手机发送一个随机验证码，该用户能且仅能凭借该验证码修改密码。

（7）用户操作请求4个开关，需要有一定权限才可操作。

3.2 软件主界面

网关Android的主界面如图3所示，通过设置界面按钮，选择串口0～串口4，通过通讯日志可以查看上行通讯和下行通讯的日志内容，通过服务状态开关，可开通和关闭网关服务。

4 智能终端软件的设计

4.1 功能要求

移动终端软件分为Android系统与iOS系统软件，设计功能要求如图4所示，它具有下列功能：

（1）手机终端具备的功能。手机终端具备注册，登录，环境实时监测，历史数据查询，智能控制，设置功能。

（2） 注册。字段包括用户名，手机号，权限和密码。管理员注册需要序列号用户名，是用户的唯一标识符；密码是用户登录的验证机制；权限有2种，分为普通用户和管理员，其中，普通用户只能查看实时数据，不能控制4个开关（电灯、风扇、净化器、报警器）和设置传感器的阈值；手机号用于用户找回密码，服务器通过“互亿短信验证平台”的接口向该用户发送含有验证码的短信，该用户能且仅能凭借该验证码修改密码。

（3）登录。手机终端发送该用户的用户名和密码给服务器，如果密码正确，服务器会返回登录成功标志。

（4） 找回密码。移动终端向服务器发送该用户的手机号，服务器通过“互亿短信验证平台”的接口向该用户发送含有验证码的短信，该用户能且仅能凭借该验证码修改密码。

（5）环境实时监测。手机终端每秒向服务器发送获取实时数据的请求码，服务器会返回当前各传感器的值，分装好返回给手机终端。

（6）历史数据查询。手机终端将每秒得到的实时数据存入数据库（SQLite），当用户查询时就从数据库（SQLite）中取出历史数据形成曲线显示。历史查询还可以根据选择时段来显示历史数据（时间段可以选择过去1小时或过去2小时）。

（7）智能控制。只有管理员才可以控制开关（电灯，风扇，净化器，报警器）。

（8）设置功能。自动设置时需要管理员权限，在自动控制状态下，系统会自动处理以下状况：①甲醛超标时开风扇、开净化器、开报警器；②PM2.5超标时开风扇、开净化器、开报警器；③CO2超标时开风扇、开净化器、开报警器；④光照超标时开电灯、开报警器；⑤温度超标时开报警器。阈值设置指甲醛、PM2.5、CO2、光照、温度、声音阈值设置。

4.2 移动终端

移动终端（iOS和Android系统）的软件流程图如图5所示。移动终端主界面如图6所示，6个传感器值实时显示，异常值用红色显示。

5 系统主要特点

该系统主要有以下几个特点：

（1）系统采用Modbus通信协议。Modbus安全可靠、通俗易懂，作为本系统的统一的通信协议，对整个系统来说，稳定性、可靠性、可扩展性更好。

（2）系统采用嵌入式网关技术，嵌入式网关具有服务器的功能，移动终端连接网关实现数据的采集和通讯功能，也可实现参数的设定、数据的显示和曲线的查询等功能。

（3）系统采用移动终端技术，可通过iOS和Android这两个移动平台对教学环境情况进行实时监控与管理，从而采取有效的治理措施，使教学环境得到有效改善。

6 结 语

本文对中小学教学环境监测与预警系统进行了研究与探讨，分析了环境监测与预警系统的架构和Modbus规约，提出了一套基于智能终端平台的中小学教学环境监测与预警系统，该系统采用嵌入式网关技术和移动终端技术，该技术应用在中小学教学环境监测与预警系统中具有诸多显著特点。在应用中选择具有基于移动互联网和可靠的嵌入式等特点的移动终端技术，使中小学教学环境监测与预警系统具有智能化和可移动性。基于智能终端平台的中小学教学环境监测与预警系统在学校中的应用和实现，使学校管理部门对教学环境管理有了高效的监管手段，对中小学教学环境监测提供了可靠的真实数据，达到控制教学环境空气质量的目的，从而创建绿色校园、智慧校园、和谐校园。

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