基于物联网技术的传感器环境实时监测系统设计

阿帕拉吉塔达斯、玛纳斯·普拉蒂姆·萨玛、坎达帕·库马尔·萨玛和尼科斯·马斯托拉基斯

1印度阿萨姆邦古瓦哈迪大学电子与通信工程系

2索非亚技术大学，索非亚，Kliment Ohridski 8，保加利亚。

摘要

本文描述了一个基于物联网(IOT)概念的操作原型的设计，用于使用某些常见的低成本传感器实时监控各种环境条件。Arduino Uno微控制器板在多个传感器的帮助下，对温度、湿度、空气污染、阳光强度和雨水等各种环境条件进行持续监控、处理和控制。捕捉到的数据通过互联网用ESP8266无线模块进行广播。该投影系统通过一个HTTP协议将传感器数据传送到一个名为“说话”的API，并允许存储数据。该系统运行良好，显示了可靠性。该原型已经被用于使用环境的图形信息来监控和分析实时数据。

1背景介绍

地球环境决定了所有生物的健康和可持续性。温度、湿度、空气质量、光和雨等物理环境因素对人们的健康、生活习惯和周围环境有着重要的影响。这些也与环境的不同方面有关。从许多方面来看，环境健康和人类安全生活的良好环境是至关重要的。它的监控至关重要。世界上只有大约3%的地理位置是城市，占世界人口的50%，这些人口产生了大约80%的二氧化碳排放量[1]。除此之外，上述因素对农业领域及相关领域都有显著影响，[2，3]。多年来，无线设备的激增催生了物联网(IoT)，它支持系统之间的连接和数据交换。物联网的最近发展和普及与信息技术应用于实时监控的可能性有关。这方面是基于物联网的拟议系统设计的基础，该系统用于监测某些环境参数，如温度、湿度、空气污染、阳光强度和雨水，被认为是可靠和有效的。 研究温度、湿度、空气污染、阳光强度和降雨等参数的传统方法耗时较长，成本较高，而且往往被证明不可靠。此外，这种监控可能并不总是在统一的平台中完成。随着移动通信网络向偏远地区的渗透，基于物联网的环境参数(如温度、湿度、空气污染、阳光强度和雨水)实时监控已成为一种高效且经济的解决方案。如果使用集成系统对上述环境参数进行适当监测，它将有许多应用，如农业，用于观察作物的健康生长，工业，以确保工业中的安全工作环境以及城市中的健康生活。物联网在创造智能环境、智能网络世界和智能应用[4方面一直在广泛发展。已经报道了各种基于物联网的应用，例如污染监测、废物管理、水质、安全等[5-11]。这项工作强调简单、低成本和数据控制。

2系统概括

该系统由传感器网络、控制和处理单元以及能够存储数据并提供必要分析工具的网络服务器组成。基本配置图如图1所示：

图1 系统基本配置

系统的基础是由一个Arduino UNO板建立的，该板在ATmega 328微控制器的帮助下提供控制和处理。传感器网络由各种传感器组成，用于检测关键的环境参数，如温度、湿度、空气污染、阳光强度和雨水。Arduino直接与单个传感器通信，并收集必要的数据。一旦数据可用，它会执行一系列的处理，并通过无线模块(ESP8266)将数据传输到服务器。配置用于监测环境实时数据的传感器有:温度和湿度传感器DHT11、气体传感器MQ135、雨滴传感器KG004模块和电阻式光敏电阻RES-0276(LDR)。在服务器端，我们选择了一个为各种图形分析工具提供支持的应用编程接口平台，如MATLAB、谷歌标尺等。这些工具增强了分析和可视化能力，并提供了更好的图形用户界面。

2.1系统设计和实现

这项工作的主要重点是设计一个基于物联网的监控系统 环境参数，如温度、湿度、空气污染、阳光强度和降雨。 该设计实时工作，并捕获数据进行分析。描述包括传感器网络、电子设备的创建、功能软件需求、编程和开发过程、实现和测试以及原型的最终产品。不同组成块的细节包含在后面的段落中。

A. 传感器网络设计

获得各种环境参数的真实感觉的唯一方法是通过使用传感器。传感器网络的设计是系统的关键部分，因为最终用户将只依赖这些传感器提供的数据。正确设计和精确校准的传感器网络将达到这一目的。表1列出了用于测量各种环境参数的传感器。DHT11传感器通过校准的数字信号读数提供温度和湿度读数。采用数字信号采集方式进行温度读数采集，并采用适当的湿度传感机制，保证一致性和长期稳定性。DHT11传感器包括电阻式湿度测量组件和负温度系数温度测量组件。

表1 传感器列表

MQ135气体传感器对苯、酒精、烟雾等敏感。该传感器由微型氧化铝陶瓷管、二氧化锡敏感层、测量电极和加热器组成，固定在由塑料和不锈钢网制成的外壳中。加热器为敏感部件的工作提供了必要的工作条件。封装的MQ135有6个引脚，其中4个用于获取信号，另2个用于提供加热电流[12]。不同种类和浓度的气体，MQ135的电阻值不同。因此，当使用该组件时，灵敏度调整是非常必要的。为此，需要校准检测器。 雨量传感器模块KG004是一款经济实惠的传感器，它通过板上一系列暴露的平行走线工作，当水滴或水量变化时会产生电气变化。 为了感应太阳的光强度，LDR已经被使用。LDR是一种电阻传感器，它的电阻随着照射其上的光强而变化。这使得它们可以用于光传感电路。这种电阻随着入射光强度的增加而减小。上述四个传感器分别连接到Arduino UNO R3板的数字输入端7和模拟输入端A2、A0和A1。图2示出了系统中存在的连接终端。

图2 样机实际示意图

B. 编程环境和开发过程

Arduino板中的微控制器用Arduino集成开发环境编程，用于连接到传感器网络，读取它们的数据，并最终在预处理后通过无线网络发送这些数据。为了在服务器端存储数据，使用了语音平台。物联网语音是一个开源的物联网应用和应用编程接口，通过互联网或局域网使用超文本传输协议存储和检索数据。图3的流程图描述了成功传输传感器值所遵循的完整步骤。

图3 程序流程图

ThingSpeak支持创建传感器记录应用程序、位置跟踪应用程序和带有状态更新的社交网络。系统借助基于Arduino板的ESP8266无线网络模块，通过互联网连接到物品扬声器，无线广播传感器数据，以进行进一步分析。服务器中的服务或信息通过互联网提供，这些服务或信息通过局域网连接，并通过智能手机、网络浏览器或其他网络浏览器设备提供给用户，以使系统更智能、适应性更强、效率更高。物联网平台已经与MATLAB集成，可以进行基于MATLAB的数据分析。东西说话在MATLAB中有自己的工具箱。通过内置的“分析”和“可视化”MATLAB应用程序，物联网公共频道已被用于分析和可视化收集的数据。

3结果和讨论

在这一节中，我们将讨论所做的实验和得出的结果。

3.1实验结果

为了检查基于物联网的监控系统设计的可靠性，进行了一些实验并得出了结果。文中给出了计算结果，并对系统的性能进行了分析。如上所述进行连接，设置暴露于测试的环境参数下，以确定温度、湿度、雨水、光强和污染气体的水平。捕获的数据全部通过无线链接传送到服务器，这已经解释过了。该设备每隔15秒运行一次测量，并将数据发送到服务器。图4示出了嵌入式系统，其具有连接用于读取环境参数的传感器和用于发送参数值并存储在可共享的存储云中的ESP8266无线模块。成功完成检测后，数据将被处理并存储在数据库中，以供将来参考。在完成对数据的分析后，将为控制目的设置阈值。

图4 实时监控系统原型

图5 浏览器中传感器数据的桌面视图

图5表示出了通过浏览器访问的传感器数据的桌面视图。浏览器中显示的参数是进行实验时的湿度、温度、降雨量、光强和CO2气体值水平。目前，气体传感器已经过专门针对CO2气体的校准。当数据以15秒的间隔被记录时，数据列表出现。现在这些数据已经存储在云中，可以用于参数分析和连续监控的目的。

3.2分析和可视化

该软件支持与MATLAB环境的通信，支持使用桌面工具分析和可视化存储在ThingSpeak的数据。东西说话是与MATLAB集成的，所以代码可以直接从服务器端运行。图6显示了10小时期间温度变化的直方图。可以在任何时间段内检查变化。在这里，我们检查了从运行代码开始的过去10个小时的数据变化。X轴以摄氏度为单位绘制温度，Y轴绘制每个温度的测量次数。类似地，如图7所示，还研究了湿度变化的直方图数据。结果是可靠的，尽管连续读取24小时并重复重置，但显示变化非常小。图8显示了两种不同环境中CO2的变化。实验在室外新鲜空气和室内空气中进行，有相当多的人。新鲜空气中的二氧化碳含量通常在350-400ppm的范围内，而室内最高安全水平可达1000 ppm [13]。从图中可以清楚地看到结果。

图6  10小时内温度变化直方图

图7  10小时槽内湿度变化

图8 CO2

4结论

本文介绍了一个基于低成本物联网的环境监测系统的设计、实现和测试。本说明涵盖了使用基于物联网的系统监控环境的各种参数以及通过互联网远程访问数据的详细信息。实验和分析中获得的数据证明，这种基于物联网的平台对于环境参数监测是可靠的。除了低成本和低功耗之外，它还提供了比传统有线方法更高的操作效率和灵活性。该系统占用的空间非常小，因此可以安装在任何地方。在未来的工作中，传感器将校准更多的有害气体，如氨，氮氧化物，碳一氧化物等。进一步的系统将被修改，以便当某些参数超过某个允许水平时，通过通知、电话或短信做出反应。