运动环境智能监测系统设计

熊思维，王靖宇，苟益洲，梁爽，赵天玲，陈新岚，任万春

（西南科技大学信息工程学院，四川绵阳，621000）

0 引言

随着科技与健康意识的不断发展，人们对环境监测的需求也愈发增加，环境监测数据的准确性和权威性越来越受到人们的重视。因此，新型智能环境监测产品必将会应运而生。

与环境监测技术水平发达国家相比，我国在环境监测领域仍然存在诸多不足。目前，我国环境监测技术的应用比较薄弱、整体监测能力相对滞后，监测质量也有待提高[1]。同时，我国目前所使用的环境监测系统的传感器功能较为单一，这使得环境参数的种类监测和判断明显受到了限制，而国外进口的监测仪器成本与维修费用又十分昂贵，而且与我国目前的科学技术和管理模式兼容度较低[2]。因此，对现有型监测系统进行完善和创新变得十分必要。

在环境破坏问题日益突出的情况下，环境监测工作的顺利开展除了依赖监测技术体系的完善和健全，还和新方法和技术的研发紧紧相关[3]。有学者提出，可聘请专业研发技术团队进行环境应急监测系统的移动端APP 开发，形成数据信息的实时上传与共享。通过此种模式便可将监测报告及时传输至网络平台上，不仅便于信息的收集与发布，更有利于实施与完善环境监测方案[4]。

本文基于单片机、多传感器与数据分析等技术，综合运用自动监测与智能分析原理，设计了一款新型便捷，监测全面，并且结合了云数据平台的运动环境智能监测系统。

1 方案设计

本文设计的运动环境智能监测系统可实现对环境参数的采集、处理、显示、播报与传输，图1 为系统示意图。

图1 系统示意图

处理器首先对各传感器采集到的环境数据进行处理，再与事先设定的环境参数阈值比较，通过无线通信技术，将各类信息与运动建议传送到用户的手机或者电脑端，方便用户实时查看和参考。

2 硬件设计

系统原理框图如图2 所示。本系统以STM32 为主控芯片，结合数据采集模块：DHT21 温湿度检测模块、GUVA-S12SD 紫外线强度检测模块、GP2Y1023AUOF PM2.5 值检测模块，配合OLED 显示环境参数信息、TN6288 语音播报、ESP8266 无线远程通信。

图2 运动环境智能监测系统的原理框图

3 软件设计

系统软件流程图如图3 所示。处理器经单总线可直接读取DHT21 输出的数字信号、GUVA-S12SD 输出的模拟量，通过相关转化处理得到温湿度大小与紫外线强度指数；单片机采集PWM 低电平，处理计算后便可得到PM2.5 值；采集转换后的环境信息在OLED 屏上显示；通过串口与语音播报模块、WIFI模块进行通信，实现将环境信息和建议进行播报和远程传输。

图3 系统软件流程图

4 系统测试与分析

4.1 系统制作

系统实物图如图4 所示。将各传感器模块按照手册完善后供应电源，工作状态下可对周围环境温湿度、紫外线、PM2.5 等信息进行采集并显示输出，借助ESP8266 无线远程通信模块将数据采集置ONENET 云端实时显示、处理与分析。

图4 系统实物图

4.2 系统测试与分析

将系统置于户外运动环境中连续工作二十四小时，监测运动环境信息。较为适宜人体运动的户外环境温度范围为0℃～30℃；最适合人体运动的湿度范围为38%～ 65%；人体进行户外运动时的PM2.5 浓度建议是不超过75 mg/m3。人体户外运动时的紫外线指数建议不超过3[14]。据此，设置温湿度、PM2.5 浓度以及紫外线强度参考上下限。如图5 为环境数据24 小时的变化情况曲线。

图5 24 小时系统测试变化曲线

4.3 智能运动建议

利用数据检测实时性，创新设计了一种计算模式来实现环境参数值的智能输出，如图6 所示为智能运动建议生成方法，最终可得到较为准确的实时环境数据值，与最佳运动环境参数上下限做对比，最后根据结果提供用户是否适合运动的运动建议及原因[15]。

5 结束语

本研究开发了一套运动环境智能监测系统，用于帮助热爱户外运动的人群选择适宜人体运动的环境。本系统通过多传感器模块及功能模块的协调工作，能够及时有效地采集环境温湿度、PM2.5 值、紫外线值等参数，并通过主控电路的正确转换、处理和判断所收集参数，最终将环境信息及时显示、播报出来，同时根据当前环境因素提出合理的建议，再将信息和建议正确地上传至ONENET 平台，方便远程用户进行实时监控。经实际联合测试后得出，本系统温度测量精度为±0.5℃，湿度测量精度为±3%RH，PM2.5 测量精度为，可检测0～15 级数范围的紫外线强度，精确地实现对多项环境指标实时检测、显示和播报，并实现智能决策功能，能够为保障户外运动爱好者的健康起到积极作用，具较高的应用价值，值得推广使用。