運動環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

熊思維，王靖宇，茍益洲，梁爽，趙天玲，陳新嵐，任萬春

（西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，四川綿陽，621000）

0 引言

隨著科技與健康意識的不斷發(fā)展，人們對環(huán)境監(jiān)測的需求也愈發(fā)增加，環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和權(quán)威性越來越受到人們的重視。因此，新型智能環(huán)境監(jiān)測產(chǎn)品必將會應(yīng)運而生。

與環(huán)境監(jiān)測技術(shù)水平發(fā)達國家相比，我國在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域仍然存在諸多不足。目前，我國環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用比較薄弱、整體監(jiān)測能力相對滯后，監(jiān)測質(zhì)量也有待提高[1]。同時，我國目前所使用的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器功能較為單一，這使得環(huán)境參數(shù)的種類監(jiān)測和判斷明顯受到了限制，而國外進口的監(jiān)測儀器成本與維修費用又十分昂貴，而且與我國目前的科學(xué)技術(shù)和管理模式兼容度較低[2]。因此，對現(xiàn)有型監(jiān)測系統(tǒng)進行完善和創(chuàng)新變得十分必要。

在環(huán)境破壞問題日益突出的情況下，環(huán)境監(jiān)測工作的順利開展除了依賴監(jiān)測技術(shù)體系的完善和健全，還和新方法和技術(shù)的研發(fā)緊緊相關(guān)[3]。有學(xué)者提出，可聘請專業(yè)研發(fā)技術(shù)團隊進行環(huán)境應(yīng)急監(jiān)測系統(tǒng)的移動端APP 開發(fā)，形成數(shù)據(jù)信息的實時上傳與共享。通過此種模式便可將監(jiān)測報告及時傳輸至網(wǎng)絡(luò)平臺上，不僅便于信息的收集與發(fā)布，更有利于實施與完善環(huán)境監(jiān)測方案[4]。

本文基于單片機、多傳感器與數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，綜合運用自動監(jiān)測與智能分析原理，設(shè)計了一款新型便捷，監(jiān)測全面，并且結(jié)合了云數(shù)據(jù)平臺的運動環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)。

1 方案設(shè)計

本文設(shè)計的運動環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)可實現(xiàn)對環(huán)境參數(shù)的采集、處理、顯示、播報與傳輸，圖1 為系統(tǒng)示意圖。

圖1 系統(tǒng)示意圖

處理器首先對各傳感器采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)進行處理，再與事先設(shè)定的環(huán)境參數(shù)閾值比較，通過無線通信技術(shù)，將各類信息與運動建議傳送到用戶的手機或者電腦端，方便用戶實時查看和參考。

2 硬件設(shè)計

系統(tǒng)原理框圖如圖2 所示。本系統(tǒng)以STM32 為主控芯片，結(jié)合數(shù)據(jù)采集模塊：DHT21 溫濕度檢測模塊、GUVA-S12SD 紫外線強度檢測模塊、GP2Y1023AUOF PM2.5 值檢測模塊，配合OLED 顯示環(huán)境參數(shù)信息、TN6288 語音播報、ESP8266 無線遠程通信。

圖2 運動環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)的原理框圖

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件流程圖如圖3 所示。處理器經(jīng)單總線可直接讀取DHT21 輸出的數(shù)字信號、GUVA-S12SD 輸出的模擬量，通過相關(guān)轉(zhuǎn)化處理得到溫濕度大小與紫外線強度指數(shù)；單片機采集PWM 低電平，處理計算后便可得到PM2.5 值；采集轉(zhuǎn)換后的環(huán)境信息在OLED 屏上顯示；通過串口與語音播報模塊、WIFI模塊進行通信，實現(xiàn)將環(huán)境信息和建議進行播報和遠程傳輸。

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖

4 系統(tǒng)測試與分析

4.1 系統(tǒng)制作

系統(tǒng)實物圖如圖4 所示。將各傳感器模塊按照手冊完善后供應(yīng)電源，工作狀態(tài)下可對周圍環(huán)境溫濕度、紫外線、PM2.5 等信息進行采集并顯示輸出，借助ESP8266 無線遠程通信模塊將數(shù)據(jù)采集置ONENET 云端實時顯示、處理與分析。

圖4 系統(tǒng)實物圖

4.2 系統(tǒng)測試與分析

將系統(tǒng)置于戶外運動環(huán)境中連續(xù)工作二十四小時，監(jiān)測運動環(huán)境信息。較為適宜人體運動的戶外環(huán)境溫度范圍為0℃～30℃；最適合人體運動的濕度范圍為38%～ 65%；人體進行戶外運動時的PM2.5 濃度建議是不超過75 mg/m3。人體戶外運動時的紫外線指數(shù)建議不超過3[14]。據(jù)此，設(shè)置溫濕度、PM2.5 濃度以及紫外線強度參考上下限。如圖5 為環(huán)境數(shù)據(jù)24 小時的變化情況曲線。

圖5 24 小時系統(tǒng)測試變化曲線

4.3 智能運動建議

利用數(shù)據(jù)檢測實時性，創(chuàng)新設(shè)計了一種計算模式來實現(xiàn)環(huán)境參數(shù)值的智能輸出，如圖6 所示為智能運動建議生成方法，最終可得到較為準(zhǔn)確的實時環(huán)境數(shù)據(jù)值，與最佳運動環(huán)境參數(shù)上下限做對比，最后根據(jù)結(jié)果提供用戶是否適合運動的運動建議及原因[15]。

5 結(jié)束語

本研究開發(fā)了一套運動環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)，用于幫助熱愛戶外運動的人群選擇適宜人體運動的環(huán)境。本系統(tǒng)通過多傳感器模塊及功能模塊的協(xié)調(diào)工作，能夠及時有效地采集環(huán)境溫濕度、PM2.5 值、紫外線值等參數(shù)，并通過主控電路的正確轉(zhuǎn)換、處理和判斷所收集參數(shù)，最終將環(huán)境信息及時顯示、播報出來，同時根據(jù)當(dāng)前環(huán)境因素提出合理的建議，再將信息和建議正確地上傳至ONENET 平臺，方便遠程用戶進行實時監(jiān)控。經(jīng)實際聯(lián)合測試后得出，本系統(tǒng)溫度測量精度為±0.5℃，濕度測量精度為±3%RH，PM2.5 測量精度為，可檢測0～15 級數(shù)范圍的紫外線強度，精確地實現(xiàn)對多項環(huán)境指標(biāo)實時檢測、顯示和播報，并實現(xiàn)智能決策功能，能夠為保障戶外運動愛好者的健康起到積極作用，具較高的應(yīng)用價值，值得推廣使用。