中小学教学环境监测与预警系统的研究与设计

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1、中小学教学环境监测与预警系统的研究与设计　　中图分类号：X830文献标识码：A：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

2、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0.06～0.07mg/m3时，儿童就会发生轻微气

3、喘；当室内空气中甲醛含量为0.1mg/m3时，就有异味和不适感；达到0.5mg/m3时，可刺激眼睛引起流泪；达到0.6mg/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150L。　　（2）室内空气质量：CO2浓度　　（3）室内温度：冬天温度在16～18摄氏度之间。　　（4）噪声：室外噪声　　（5）甲醛浓度：≤0.08

4、mg/m3。　　（6）PM2.5值：24小时平均浓度小于75mg/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

5、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Inter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8KB的

6、RAM和片内64K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1与嵌入式物联网网关连接，串口0首先通过RS232/RS485转换器转换成RS485，再通过RS485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TCPSocket通讯，也统

7、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

8、感器都是RS232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RS485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