浅谈室内环境检测与居住舒适度的评判 |
浅谈室内(indoor)环境检测(jiǎn cè)与居住舒适度的评判
室内外环境与人类的生存、生活息息相关、联系紧密，室内外环境质量的高低直接影响到人类生活质量的高低，甚至关系着人类的生存问题。扬州环境检测中心是利用GIS技术对环境监测网络进行设计,环境监测收集的信息又能通过GIS适时储存和显示，并对所选评价区域进行详细的场地监测和分析。扬州环境检测中心环境保护日益被重视起来，随之环境监测市场不断扩大， 传统的环境监测站已经不能完全满足社会的环境监测需求，国家逐步开放了环境监测领域渠道，对于专业从事环境监测，具备CMA 环境检测资质的社会化环境检测机构，作为第三方检测的有生力量，已成为社会委托性质的环境监测的首选。对室内外环境进行有效监测处理可以了解环境自身状况、获得环境相关参数，还可以为研究环境变化、环境污染以及环境和人类的关系等问题提供依据，从而为预防和治理环境污染、改善人与环境的关系提供参考。因此对室内外环境的进行监测、获取环境相关数据就显得意义重大。随着现代科学技术的不断进步，计算机技术、网络技术、电子技术、虚拟仪器技术等技术得到了长足发展，它们为室内环境舒适度的研究提供了技术方法和强有力的工具，使得借助相关技术进行室内环境检测成为可能。另外，随着信息融合技术的不断发展，模糊理论、神经网络等理论也日趋成熟并被广泛(extensive)应用(application)于信息融合，这为室内环境舒适度评判模型的建立提供了理论依据。将先进的技术手段和科学理论用于解决现实问题，一方面可以更好、更快地解决实际问题，另一方面可以拓宽相关技术的应用领域、丰富相关理论研究对象，从而促进相关技术和理论的发展。
1 系统的总体系结构
本文的研究目标是要构建一套室内环境监测(environmental monitoring)与评判系统，其功能是一方面可以对室内环境参数进行实时监测（包括本地监测和异地监测），另一方面可以从舒适度的角度对室内环境进行评判。为了达成研究目标、实现系统功能，整个系统是由数据采集模块组、微控制器系统、TCP/IP标准化通信接口、下位机人机交互和PC机监测系统组成。
其基本工作原理是，首先通过前端传感器获取室内环境参数，接着调理电路对前端传感器获取的室内环境参数进行放大、滤波等调理后，进入微控制器系统，系统微控制器接受调理电路的输出信号后，一方面，通过LCD将室内环境参数进行实时显示，以实现下位机的人机交互；另一方面，微控制器通过TCP/IP网络接口模块将室内环境参数传输给远端监测PC机，以实现上下位机的网络通信。另外，在远端监测PC机上，可以实现对所采集的室内环境信号进行各种分析处理，以及对室内环境舒适度的多角度评判。PC机上的监测软件由实时环境参数监测、数据分析处理、舒适度评判、参数设置以及事件报警等模块组成。
2 室内(indoor)环境监测参数的确定
室内环境包括室内空气环境、声环境、光环境、电磁环境等，其包含的环境参数繁多，与之相对应的测试手段和方法多样，包括：物理的方法、化学的方法以及生物的方法等，本文不可能也没有必要选取所有的环境参数为研究对象，因此必须从多种室内环境参数中选取典型的参数进行研究。
考虑到所选参数(parameter)应该具有代表性、应与人的主观感觉密切相关，且最好能够采用同类测试手段或方法实现检测等因素，本课题研究中选择室内空气环境中的温度、湿度、反映室内声环境的噪声、反映室内光环境的光照几个因素作为课题研究的对象。温度、湿度、噪声、光照几个参数是室内环境的典型代表，它们直接体现了室内的空气环境、声环境和光环境，并且均可以采用物理的测试方法检测，利于构建统一的监测系统。另外，从它们与人体主观感觉的角度看，它们关系到人的触觉、听觉和视觉，直接影响到人的触觉舒适度、听觉舒适度和视觉舒适度。温度、相对湿度、声环境和光环境是室内环境舒适度的几个主要影响因素，对人体来说，对舒适度最敏感的第一要素就是温度；噪声太大的环境会让人不舒服，完全寂静的环境人也不适应；光照是保证舒适度很重要的一个方面。基于以上讨论，可知对室内温度、湿度、噪声、光照等参数进行监测，并对其舒适度进行研究具有重要的意义。
3 系统软硬件的基本要求
本文是基于室内环境监测（Food Monitor)与舒适度评判系统应用分析基础上的研制项目，最终期望形成具备实际应用价值的室内环境监测设备，既要考虑可靠性、先进性，同时还要兼顾经济性。因此，硬件系统应遵循以下原则：电路简单、可靠，但有较高的先进性；在保证精度（精确度）的情况(Condition)下，尽量选用通用芯片；按照系统功能进行模块化研制。
系统的软件研发是整个系统得以实现的保证。它的正确性、可行性以及合理性等都直接决定了系统将来的功能和性能，对系统的可靠性、实时性、可扩充性以及运行（Windows）效率等性能指标有很大的影响。整个系统的软件研发应满足以下要求：可靠性高，可靠是软件研发的基本要求，这是实现系统功能的基本保障；实时性好，因为系统的目标是对室内环境参数进行实时监测，并通过网络将监测到的参数实时传输到远端计算机上，因此系统的实时性如何至关重要；可扩展性强，对应硬件的模块化研制，软件系统也应采用模块化的研发思想，使得系统在硬件扩充或增加新功能时易于扩展。
4 系统网络(Network)化实现方案
网络化仪器是无论任何地点、任何时间都能进行远程操作(operate)、获取测试（TestMeasure)信息的所有硬软件元素的任何集合。网络化仪器通过网络连接在一起，彼此之间可以进行数据交换，实现异地数据共享，或利用异地的设备或仪器进行分析(Analyse)处理(processing)。在网络化测控系统中，传统仪器设备充当着网络中独立节点的角色，信息可传输至网络所及的任何领域，实时、动态（包括远程）地在线测控成为现实。要实现室内环境空气检测与评判系统的网络化功能，首先要选择其网络化实现途径，在嵌入式操作系统方案中常见的网络化实现途径有三种。
4.1 集成有网络接口的微控制器配合实时操作系统
采用集成有网络接口的MCU在RTOS平台上进行软件开发，在嵌入式设备内部实现TCP/IP协议处理。这种方案可以使嵌入式设备直接与Internet相连，有很大的灵活性，缺点是对MCU要求较高，占用系统(system)资源较多，开发周期较长，对开发人员要求高。
4.2 MCU配合TCP/IP协议芯片
TCP/IP协议芯片不需要MCU支持就能工作(job)，主要用于实现数据的协议处理(processing)。扬州空气检测广义的空气检测是指对空气的组成成分的检测。狭义的空气检测，主要是从应用的角度，重点研究的是室内空气检测。它是指室内指装饰材料、家具等含有的对人体有害的物质，释放到家居、办公环境中造成的装修污染，来检测空气质量。对
设计者而言，选用此方案时不需要熟悉复杂的网络协议及接口；在MCU芯片选择上，对其运行速度和存储器容量等也无特殊要求；在软件设计上，只需要增加一段接口程度，其他无需进行大量的改动，在很大程度上削减了工作量，即可缩短设计周期。但该方案存在问题有：在MCU与TCP/IP协议芯片的接口处存在速度瓶颈，尤其是在传输的数据量较大时，MCU需要把数据传送到TCP/IP协议芯片，这与在MCU内部进行协议处理相比，速度较低，而且采用TCP/IP协议芯片会增加开发成本。
4.3 MCU配合以太网控制芯片
在MCU内部承担协议处理任务的TCP/IP协议栈，根据具体的应用实现TCP/IP协议族中相应协议的功能；MCU通过控制以太网控制器芯片，实现与以太网的通信。该方案不依赖PC或高档MCU，应用系统可以直接上网，真正实现MCU系统直接接入Internet，整个系统完全自给自足，且使用外围器件少，硬件电路相对简单。在嵌入式系统中要实现网络化，显然使用第三种系统是最可行的，在嵌入式操作系统中，通常都有编译好的现成网络模块可以使用，因此设计人员不用去考虑具体的网络协议栈实现问题，只需要选择合适的网络接口芯片就能完成系统的设计。
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