基于OneNET的环境监测系统设计电子信息.docx
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基于OneNET的环境监测系统设计电子信息
毕业设计（论文）
题目基于OneNET的环境监测系统设计
学生毕业设计（论文）原创性声明
本人以信誉声明：
所呈交的毕业设计（论文）是在导师的指导下进行的设计（研究）工作及取得的成果，设计（论文）中引用他（她）人的文献、数据、图件、资料均已明确标注出，论文中的结论和结果为本人独立完成，不包含他人成果及为获得重庆工程学院或其它教育机构的学位或证书而使用其材料。
与我一同工作的同志对本设计（研究）所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
毕业设计（论文）作者（签字）：
年月日
摘要
时代在变迁，社会在发展，二十一世纪的到来，表示着我们正跨入一个全新的生活领域。
随着物联网、大数据技术的逐渐成熟，各类传感器已变得必不可少，被广泛的应用于我们身边各行各业，环境监测也如同曾经的天气预报一样出现在我们的视野里。
做到早知道早预防，在明白身边环境的情况下改善生活环境，提升生活质量。
环境监测系统集合了数据采集、数据处理和数据分析为一体，可实现对周围环境的高效准确监测。
本文主要介绍一种基于OneNET云平台的环境监测系统设计，该系统使用Arduino单片机作为环境监测终端系统的控制单元，利用该控制单元使用外接传感器对周边环境数据的一个采集及处理上传，做到一个对周边温湿度、烟雾浓度等因素进行一个实时监控。
对数据进行OneNET的上云，在云端完整的显示出当前数据，使管理人员可以随时随地更好的监测管理。
关键词：
OneNETArduino环境监测物联网
ABSTRACT
Thetimesarechanging,societyisdeveloping,andthearrivalofthe21stcenturyshowsthatweareenteringanewlifefield.WiththegradualmaturityoftheInternetofThingsandbigdatatechnologies,varioustypesofsensorshavebecomeindispensableandwidelyusedinallwalksoflifearoundus.Environmentalmonitoringhasalsoappearedinourvisionastheweatherforecast.Itisnecessarytoknowearlypreventionandimprovethelivingenvironmentandimprovethequalityoflifewhileunderstandingtheenvironmentaroundus.
Theenvironmentalmonitoringsystemintegratesdatacollection,dataprocessinganddataanalysistoachieveefficientandaccuratemonitoringofthesurroundingenvironment.ThispapermainlyintroducesthedesignofanenvironmentalmonitoringsystembasedonOneNETcloudplatform.ThesystemusesArduinoMCUasthecontrolunitoftheenvironmentalmonitoringterminalsystem.Thecontrolunitusesanexternalsensortocollectandprocessthesurroundingenvironmentdata,soastoachieveone.Areal-timemonitoringofambienttemperatureandhumidity,smokeconcentrationandotherfactors.ThedataiscarriedoutontheOneNETcloud,andthecurrentdataiscompletelydisplayedinthecloud,sothatmanagerscanbettermonitorandmanageatanytimeandanyplace.
Keywords:
OneNET;TheArduino;Environmentalmonitoring;TheInternetofthings
1绪论
1.1课题研究背景及意义
1.1.1课题背景
空气、水源、食物是人类生存最基本的三要素，然而在这个科技高速发展的时代，这三要素都在逐步的污染，从而引发各类疾病。
由环境因素引发的生病率、死亡率逐年升高。
一个人在自己的一生中大约有80%的时间都是在室内度过的，其中不包括老人、弱者、病人、残疾人、孕妇、幼儿和其他弱势群体，在室内的生活时间高达95%，因此室内环境质量的好坏对于一个人的身心健康尤为重要。
我国是一个快速发展中国家，是一个13亿的人口大国，国民人均生产总值也并不高。
在我国农村，日常生活以及废物的处理还普遍都是经过燃料燃烧，由此产生的大量有害气体导致的空气污染还没有一个完整的解决方案。
在我国城市，“废气、废水、废料”这工业三废也都还未彻底解决。
对于家庭装修这一块，大多数家装公司为了追求更大的利润，多以采用非环保的材料和家具。
近两年人们的健康问题越来越严重，环境污染已开始引起全球各国的关注。
因此对于室内环境因素加强监测和治理，是保障国民健康最直接的途径，也是保护环境最基本的步骤，后续逐步跟进医疗保健水平。
打造一个绿色、健康的生活居住环境，做到实时监测、有序治理，减少因为环境问题所带来的疾病，增加生活环境的舒适程度。
据有关部门统计，全球40％的死亡都是由于长期生存在污染的环境下造成的，全球的癌症患者有90％都是因为环境污染等因素而导致死亡。
空气污染、水源污染、紫外线污染、四季不再分明等都是导致我们生活体验感的最大阻隔，也是疾病产生的罪魁祸首。
最近几年社会的发展是我们有目共睹的，全面建设小康社会是一个共同发展的方向，互联网、物联网、大数据、人工智能和工业4.0等等逐渐走进我们的生活，变成如今科技时代不可缺少的一股力量，在军、工、农业和我们的日常生活中对环境监测的数据要求也越来越高。
相比而言民用的环境监测系统功能还比较单一，并且现在的环境检测对于数据的传输还大多数都使用有线传输的方式，有线传输则大大的降低了环境监测灵活性，不能实现远程控制，当前的进度还远远达不到科技进步带给人们的需求。
因此开发一款无线环境监测系统是必须进行的一件事情，使用户可以随时监测到周边生活环境，也可远程做出对应措施。
美好生活环境必须从监测做起。
1.1.2课题意义
为了改善生活环境，提高生活水平，得从监测做起。
环境监测这个技术已经在人们的日常生活当中被广泛应用。
当下得环境监测已与最初得环境监测不同，如今已经离不开各类传感器得使用，各类传感器在环境监测系统中充当着眼耳鼻喉的角色，是一些必不可少的组成部分。
传感器的应用带来了大量的数据传输线缆。
线缆太多表明布线复杂，不易整理和维护，并且也带来了太多的不确定因素。
线路老化所造成的短路、断线等都可能造成比较严重的后果。
所以寻找一种无线通信技术来替代老式的线缆传输是现环境监测的待解决问题之一。
近年来微电子技术、集成电路技术、传感器技术飞速的进步。
物联网、大数据技术的不断进步，带动着无线通信技术的一个大跨越，不仅传输速度有了质一般的飞跃，可靠性也变得越来越高。
现在想实现无线通信已不再那么困难，已经越来越多的行业随着科技的进步开始加入无线通信技术这个科技潮流。
整个课题设计具备以下几点意义：
1无线传输采用电磁波的方式传输，省去了线缆的架设，解决线路复杂，搭建难的问题；
2采用模块化设计，具有电路简单、功耗小、体积小等优点，后期更好维护升级；
3通过WIFI连接互联网，使用户可以随时随地的观看所监测地点的周边环境数据；
4解决现有环境监测系统不能远程操控的问题；
5降低系统成本，采用高性价比模块，使其更亲民化。
近年来，无线通信技术一直比较专注于工业环境的研究。
无线通信技术已经开始渗透到各个电子领域，环境监测领域也不例外。
本次设计集合了物联网云端技术、传感器技术和无线传输技术，通过对各技术的结合实现环境监测平台的搭建，使用无线技术来解决现环境监测难安装、难维护、难传输的弊端，为环境监测这个行业带来一定的便利。
在这物联网的时代，对单片机的应用领域越来越广泛，终端控制大脑随处可见。
通过云端这个平台以超远程的技术实时监控备受世界关注。
针对上述情况，本次课题结合当经技术与实际运用，设计了一款基于OneNET的环境监测系统。
1.2环境监测现状
环境监测已经慢慢发展为物联网应用的一个发展方向，自19世纪末，国外就开始对环境检测平台这一技术开始了研究。
而我国对于这一技术起步得比较晚，我国关注环境污染问题始于20世纪70年代。
最初的环境监测工作重点是在我国的农村，对以染煤燃烧、秸秆燃烧为首的室内空气主要污染源展开大范围的研究。
当初也有着最明显的成效，有效的降低了国民呼吸道疾病的诞生。
但在后期随着生活水平的不断提高，人群开始集中生活，我国城市也因家庭装修、新家具的购买所造成的室内环境污染问题不断上升。
随之而来的就是各类因环境污染所造成的疾病不断增加。
我国作为一个人口众多的国家，据有关部门最新统计，到2018年为止，中国的人口已达到13678.2万人。
从保证我国国民的健康角度出发，于是国家卫生部在1987年的时候发布了“公共场所管理条例”，紧接着又提出了7类28种公共场所的卫生标准，针对室内空气中的风速、风量、温度、湿度、一氧化碳、二氧化碳、甲醛、氨气、细菌总数等数据检测制定了相关要求。
后来又制定了室内空气中甲醛、二氧化碳、氮氧化物、二氧化硫等因素的卫生标准[3]。
针对环境因素的标准一直都在不断更新、制定，这些标准的制定都是为了更好的合理有效的对室内环境的一个监测与治理，这一系列的制度规范为我国的环境监测行业提供了一个有效的依据，为环境监测平台的建设提供了一定技术支持。
自20世纪70年代初研究环境监测以来就取得了很大进展，为现代环境监测奠定了非常重要的基础。
在该区域的理论研究中，国内环境监测研究机构对无线传输的网络协议和体系结构提出了许多创新性思想与理论。
经过我国前期的不断努力，电子产品这一区域已经后来居上，对环境监测设备已经拥有了自我研发自我生产的能力，但生产企业技术还有点落后，规模较小，产量较低，导致环境监测设备的整体技术含量还较低，而且在后期安装运行中还存在着一定的问题与不便利。
整体来说环境监测技术这一方面还需要提升，所以我国对于环境监测这一块还应该有着更多的支持。
1.3课题设计要求及工作内容
根据课题的研究，我对国内几款较为先进靠前的物联网平台（阿里云、XX物接入、Q物接入、OneNET、瀚云）进行了项目需求的分析对比。
最终采用了以OneNET平台为基础的环境监测系统设计。
经过对OneNET云平台的接入协议API接口以及无线通信服务WIFI的研究，设计出了基于OneNET的环境监测系统，有效的对室内包括室外等大范围环境数据进行一个监测。
本文主要的研究与工作分为以下几个方面：
对阿里云、XX物接入、Q物接入、OneNET、瀚云等国内几款比较靠前的物联网平台做出了简单介绍与对比。
经过对比与本次设计实际所需最终选择了中移物联网平台下的OneNET云平台作为本次项目的云端接入点，并设计出了课题的整体结构，为后续工作做出一个铺垫。
对课题所使用到的关键技术WIFI通信、网络通信协议、Arduino开发、云平台对接的技术背景进行了阐述。
结合实际所需，开发设计了一套基于OneNET云平台的环境监测系统，终端平台使用的是Arduino开发板为整个系统的大脑核心。
整套系统使用OneNET云平台的EDP接入协议时终端系统与云平台相连接，实现数据交互。
利用Arduino开发板对外部传感器所采集的环境温湿度、烟雾浓度等数据进行一个处理后经过WIFI模块与OneNET云平台进行数据交互，当终端设备接收到上层所发送的命令时，设备端也会根据所接收命令做出对应的操作。
环境监测平台的无线传输系统也属于无线通信领域的一个分支，本次课题设计的主要内容就是在熟悉环境监测所需要的要求的前提下对环境监测的软硬件进行一个设计，将终端平台与云端平台进行一个连接通信。
在设计时应该注意以下几个方面：
1传感器的选用应注重其精确度及其稳定性，需要有较强的看干扰能力，且信号易于处理和传输，安装方便，维护简单的器件；
2硬件电路的合计，可以采用模块化，以便于安装维护，电路需尽可能简单，多采用各类总线技术，节约有限的I/O资源；
3硬件与软件设计需加入一定的抗干扰措施，使得系统运行更加的稳定；
4软件部分需简洁化，不用过多累赘，以便于后期更好的对软件进行优化、调试；
5通过软件设计，尽量降低无线数据传输过程中的误码率；
6对接云端时应选择合适的传输协议，测试好数据流。
对整个环境监控系统的运行效果进行了检验测试，同时对物联网产业的发展与物联网平台的建设提出了个人想法与展望。
2整体方案设计与分析
2.1环境监测原理
环境监测这个词语大家都不陌生，从最开始的温度计等物理监测设备到后来的传感器仪器，再到现在的物联网监测网络，连接起来都是环境监测的一个发展史，以至于以后更先进的技术。
总体来说还是为了让我们能更好的了解周边环境，控制身边的环境。
最初的环境监测如水银温度计，利用水银的热胀冷缩原理观察水银的端点平面处的读数来确定当时的环境温度。
可能许多人有很大的疑问，为什么不用水，由于水在4摄氏度时不太稳定，冷和热都膨胀，而且水的膨胀系数没有水银那么大。
还有一些是使用酒精的温度计，这些温度计比较适合测量低温（-78~+110度左右），水银温度计比较适合测量高温（15~300度）。
在近年来，为了得到更加精确的数据，传感器也被使用于环境监测领域。
传感器是将物理能量形式转换为电信号的装置，不同传感器可以处理不同的能量，将这些能量转换为所需要的形式，例如机械能、电磁能、化学能、光能等。
作为传感器最好的例子就是我们随处可见的麦克风和扬声器，将声音信号转换为电信号，再通过扬声器播放出来。
在电气项目和电子项目中不同的需求也使用着不同种类的传感器。
尤其是在近20年来，传感器应用领域可以说是飞速的发展，科技的发展传感器技术也应用于环境监测这一领域，利用传感器的物理原理得到数字信号显示到显示屏上。
近两年物联网产业链、大数据技术的不断成熟，推动着环境监测技术也在向这一方面发展。
在原传感器环境监测技术上融入互联网，大数据等技术，使环境监测更加的准确及可控。
2.2环境监测设计指标依据
2.2.1市场分析
环境监测行业已与我们密切相关，已经发展成了当下的朝阳行业，并且只会越来越好。
我们离不开与我们朝夕相伴的空气、离不开我们的生命的源泉以及我们母亲给我们的阳光，但是在这个工业化的时代并不能保证我们能拥有一个绿色的生活环境。
在2019新年年初的时候北京市就发布了《北京市污染防治攻坚战2019年行动计划》，在同时河北省投资900亿开展《碧水保卫战三年行动计划》，由此可见环境监测的重要性和环境监测仪器平台的发展空间也是比较广阔的，预测环境监测这个行业在未来必将发展迅猛，环境监测的热度必将直线上升。
目前我国环境监测网络正在逐渐完善，在2018年的时候国内环境监测行业的市场规模就达到了638亿元。
根据预测，在2020年的时候环境监测的规模将达到900～1000亿元。
如此广阔的市场加上国家大力支持环境监测行业相关企业的发展，各大厂家无疑是吃了一颗定心丸，虽然发展空间比较广阔，但整体技术水平还有待提高。
环境监测行业设备规模如图2.1所示：
图2.1环境监测设备行业销售规模
严格监控周边环境的基本情况是保障人民健康的最基本途径，也是克服困难的最大难题。
目前主要由甲醛、苯系物、氨、氡四大毒气污染这我们的室内环境，据有关部门检测后公布，100家室内空气中只有8%左右的家庭甲醛检测合格，其余92%的家庭都一直生活在甲醛的危害中。
仅仅目前的几家环境监测机构还远远不能瞒住我国亿万家庭的需求，环境污染以及环境监测这个问题还得需要我们的祖国的大力支持，和我们的共同努力，开发一款便民的环境监测系统是势在必行的一个任务。
2.2.2技术功能需求分析
环境监测是一项不可或缺的技术，建立环境监测平台也是提高环境质量必要的一步。
但要想提高质量，就得在环境监测领域进行不断的创新。
科技在不断的进步，各个领域都在不停的更新换代，环境监测也不可停止不前，应积极鼓励各部门勇于创新技术，研发新设备，使用新技术，掌握新方法。
值得注意的是，在使用新技术、新设备、新方法之前需经过多次验证，确定无误后才方可应用到实际中来。
仪器创新是改善整个环境监测领域的重要难题。
要想提高环境监测领域的整体水平，得首先对环境监测仪器的技术水平进行一个提升。
相对于发达国家而言，我国环境监测中使用的仪器设备还比较落后，使用寿命相对较短。
应通过技术提高设备的精确性，稳定性，降低仪器设备的制造成本，保证其在各类环境下的使用性能。
整个系统可对监测点的温度、湿度以及烟雾浓度进行监测，将其监测到的数据显示在云端以及显示屏幕上，管理人员可远程对环境数据进行调整，起到环境改善的作用，比如当管理人员检测到监测点的烟雾浓度过浓，就可根据实际数据开启排气系统对烟雾起到有效的降低。
2.3整体方案与构思
在设计本课题的时候，首先选择的是国内几款比较新型的物联网平台，XX物接入、阿里云、Q物联、OneNET、瀚云，对几款平台做出了一个分析对比。
XX物接入也叫XX云“天工”平台，是XX云旗下的一款物联网平台，XX物接入将物联网平台进行一站式全托管，它集合了XX云旗下的大数据、人工智能为一体。
主要涉及了能源解决、智慧物流、工业设备、车联网以及智能家居等行业。
整个平台分为数据和设备两大类型，在面对不同的场景时则选择相对应的设备类型。
XX物接入支持标准的MQTT物联网协议，为开发人员提供开放的标准API，开发人员可以通过调用API实现控制台操作，并且比较方便第三方应用程序快速集成云端服务。
阿里云物联作为阿里云公司研发的一款物联网平台，它拥有一个高性能的物联网中心，借助阿里云平台可以轻松的使设备和云端进行相互通信，并帮助开发人员降低智能硬件开发的成本。
将设备上的SDK连接到平台后，只需在web上配置一个简单的规则，以执行与云端的双向通信。
阿里云物联支持MQTT、CoAP和HTTP等协议，并具有完整的全栈服务，可用于数据收集，数据计算和数据存储。
Q物联作为腾讯云公司下面的物联网平台，不仅拥有强大的QQ账号系统与朋友关系链，QQ消息频道和音视频服务等核心能力，将这些能力提供给智能设备与传统硬件设备，将其传统硬件设备转型为智能硬件设备，在传统硬件基础上连接物联网平台后对其进行QQ号分配后登陆就可远程对其设备进行管理和相互通信。
在目前仅支持WIFI设备、GSM设备、蓝牙设备的公测接入。
OneNET物联网平台对于我来说应该算是比较熟悉的一个物联网平台。
中国移动起初是在2006年的时候开始注重物联网平台的发展，2014年10月中国移动正式推出了OneNET物联网平台。
该平台上线以来就一直呈现跨越式的发展，具有强大的数据流分析、多协议配置、设备云管理、轻量级应用快速生成、API、在线调试等功能。
具有HTTP、EDP、MQTT、MODBUS、JT、T808六种协议。
开发人员可以选择合适的协议来更好地访问和连接设备，以及更好的数据分析上传。
瀚云物联网可以说是一个具有强大发展潜力的新晋物联网平台，一直打的就是让工业更有力量的口号。
该平台比较注重工业互联网PaaS云服务，为现在的工业4.0发展提供强有力的技术支撑。
它致力于提供大数据分析引擎，利用知识图谱和人工智能技术来帮助客户降低成本，提高效率，为客户形成云化核心能力提供技术平台支持。
并帮助传统工业企业向数据化、网络化、智慧化转型。
经过上述几款物联网平台的对比，再加上中移物联网与我校已建立良好的合作关系，已签署战略合作协议并共建了应用创新中心，在众多物联网平台中有着极好的代表性。
在校多次比赛均采用中移物联网的OneNET物联网平台做为云端的接入点，最终此次课题我选择采用中移物联网平台的OneNET云平台作为整个系统的控制核心，结合系统控制节点开发出了显示控制页面。
系统整体框架如图2.2所示：
图2.2整体架构图
2.4系统关键技术
2.4.1WIFI无线网络技术
WIFI全称（WireleSS Fidelity）我们俗称宽带，也称为802．11b标准，它是由“无线以太网兼容联盟”（WECA：
WirelessEthernet Compatibility Alliance）发布的行业术语，中文名称是“无线兼容认证”。
是由IEEE定义的无线网络通信的行业标准，电子设备可以使用IEEE技术接到无线局域网（WLAN），通常使用的无线电频段分为2.4GUHF或5GSHFISM。
WIFI技术可以说是当今社会用得最多的无线通信技术之一，WIFI比较适合短距离无线传输，可以在数百英寸的范围内通过路由器接入互联网。
通常是有密码对网络进行保护，需要输入相对的密码才能进行连接，但同时也可是开放的，只需将WIFI范围内的设备成功配对，就可互相连接访问，进行数据传输。
现在WIFI网络主要频率分为2.4GHz和5GHz，其中速率分为A、B、G、N、AC；
随着无线通信技术的不断发展，IEEE出现了802.11a和802.11g标准，WIFI是IEEE802.11标准的统称，WIFI这项技术改善了IEEE802.11标准的无线网络之间的通信，利用WIFI技术可以将个人电脑、手机等终端设备通过无线连接的方式连接起来。
2.4.2Arduino嵌入式开发技术
Arduino是一款比较开源的嵌入式开发平台，现已广泛的应用于各类开发场景。
这项技术最初的起源是意大利Ivrea一家高科技设计学校的MassimoBanzi老师为了给自己的学生找到一款便宜好用的微控制器，于是在2005年的冬天MassimoBanzi老师与西班牙籍晶片工程师DavidCuartielles联合创建了Arduino嵌入式开发平台。
随后arduino便开始迅速的在欧洲流行起来，并且逐渐将春风吹到了美国、日本、台湾、香港等地区，最近一两年更是在大陆地区蓬勃的发展起来。
Arduino具有独有的几种优势分别为：
开放性、易用性、交流性以及丰富的第三方资源，Arduino最初的诞生就是为了嵌入式开发者的学习，从诞生开始发展到现在，短短几年的发展就已经远远超出了嵌入式开发的这一领域，已经可以在更多的领域看到它的身影。
就比如说在我国的台湾，当地的电子爱好者将Arduino称之为“科技艺术”，许多电子爱好者凭借丰富的想象力和创造力，设计开发出了很多有趣的作品，在我国大陆地区，Arduino已经成为了开发者的一种新的“玩具”，也演变为了一种新的艺术载体。
当然更多的还是作为嵌入式学习和开发的工具，通过它的各类优势来吸引更多领域的人们加入到Arduino的神奇世界里来。
2.4.3OneNET云端技术
OneNET物联网平台是一款由中国移动打造的PaaS物联网开放平台，为各类跨平台式物联网应
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