摘要:針對(duì)目前國(guó)內(nèi)室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)普及度較低和舒適度測(cè)試需求，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于云計(jì)算平臺(tái)的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過(guò)多傳感器對(duì)室內(nèi)環(huán)境信息進(jìn)行采集，采集數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)到云端數(shù)據(jù)庫(kù)。云計(jì)算平臺(tái)采用二級(jí)融合算法對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理并提供Web服務(wù)，用戶可以通過(guò)網(wǎng)頁(yè)或者終端實(shí)時(shí)查看室內(nèi)環(huán)境并得到反饋結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:設(shè)計(jì)的系統(tǒng)成本低、功耗小，易擴(kuò)展，能夠全面地對(duì)室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)和舒適度評(píng)價(jià)，具有較好的實(shí)用價(jià)值。

　　關(guān)鍵詞:云計(jì)算;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);D-S證據(jù)理論;環(huán)境監(jiān)測(cè)

　　0引言

　　室內(nèi)環(huán)境的健康舒適和安全等方面因素得到了很多國(guó)家和地區(qū)的關(guān)注，具有很大的研究?jī)r(jià)值。文獻(xiàn)[1]通過(guò)對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境舒適度評(píng)價(jià)及有害氣體濃度預(yù)警，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。文獻(xiàn)[2]運(yùn)用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)和通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)(generalpacketradioservice，GPRS)無(wú)線通信技術(shù)對(duì)室內(nèi)的溫度、甲醛和CO進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

　　文獻(xiàn)[3]通過(guò)ZigBee技術(shù)和WiFi技術(shù)相結(jié)合，完成了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。但目前對(duì)室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)及評(píng)價(jià)研究大都只是針對(duì)于室內(nèi)單一環(huán)境因素，不足之處在于對(duì)室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測(cè)及舒適性評(píng)估存在一定的局限性。本文綜合考慮聲、光、熱環(huán)境和室內(nèi)空氣質(zhì)量對(duì)人的影響，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和云計(jì)算平臺(tái)，將室內(nèi)各環(huán)境相結(jié)合，得到室內(nèi)環(huán)境綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，極大地提高了室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和有效性。

　　1室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)和云計(jì)算處理平臺(tái)兩部分組成。采集子系統(tǒng)使用CC2530作為控制單元，針對(duì)室內(nèi)聲、光、熱環(huán)境及空氣品質(zhì)監(jiān)測(cè)分別采用對(duì)應(yīng)的傳感器組:溫濕度傳感器采用DHT11，光照度傳感器選用GY—485—44009，噪聲模塊選用AS11—X，甲醛濃度檢測(cè)模塊選用DS—HCHO，總揮發(fā)性有機(jī)化合物(totalvolatileorganiccompound，TVOC)濃度檢測(cè)模塊選用KQM2801A，CO2濃度檢測(cè)傳感器選用S8—0053。傳感器組在采集同時(shí)對(duì)應(yīng)編號(hào)處理，以便對(duì)不同采集點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別，采集數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)到云服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)，以便云計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，云計(jì)算平臺(tái)通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和D-S(Dempster-Shafer)證據(jù)理論兩級(jí)數(shù)據(jù)融合對(duì)室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)并提供Web服務(wù)。

　　2室內(nèi)環(huán)境舒適度評(píng)價(jià)描述

　　2.1室內(nèi)熱環(huán)境舒適度評(píng)價(jià)

　　本文對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境描述采用PMV-PDD指標(biāo)[4]。PMV指標(biāo)主要用于熱環(huán)境舒適度評(píng)價(jià)，而PDD指標(biāo)表示人們對(duì)熱環(huán)境的不滿意系數(shù)，根據(jù)PMV-PDD模型計(jì)算以及ISO標(biāo)準(zhǔn)。

　　2.2室內(nèi)光環(huán)境舒適度評(píng)價(jià)

　　對(duì)于室內(nèi)光環(huán)境舒適度通過(guò)LPDD來(lái)評(píng)價(jià)，表示人們對(duì)照明光環(huán)境的滿意情況[5]。根據(jù)韋伯—費(fèi)昔勒定律，在沒(méi)有強(qiáng)光閃爍的環(huán)境中，光環(huán)境舒適度可以用該環(huán)境中人眼光刺激LPMV指標(biāo)來(lái)表示。

　　2.3室內(nèi)聲環(huán)境舒適度評(píng)價(jià)

　　目前對(duì)噪聲的普遍評(píng)價(jià)是根據(jù)噪音的客觀因素，僅僅根據(jù)噪聲分貝的大小來(lái)評(píng)價(jià)噪聲的影響。本文從噪聲對(duì)人的影響四個(gè)維度來(lái)考慮，分別是噪聲影響正常交流、影響思考、影響休息以及噪聲導(dǎo)致人們情緒的變化。通過(guò)噪聲分貝根據(jù)GB3096—2008《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》和GB/T50108-2010《民用建筑噪聲設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)室內(nèi)聲環(huán)境舒適度決策。

　　2.4室內(nèi)空氣品質(zhì)評(píng)價(jià)

　　大多對(duì)室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)研究中，基本都包含了室內(nèi)空氣品質(zhì)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。本文通過(guò)傳感器檢測(cè)室內(nèi)CO2濃度、甲醛濃度和TVOC濃度來(lái)評(píng)價(jià)室內(nèi)空氣質(zhì)量[6]，根據(jù)國(guó)家室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB/T18883—2002，對(duì)室內(nèi)空氣品質(zhì)的評(píng)價(jià)。

　　3云計(jì)算平臺(tái)融合算法

　　云計(jì)算平臺(tái)的處理首先通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)室內(nèi)各環(huán)境采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行特征級(jí)融合，然而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在預(yù)測(cè)過(guò)程中容易陷入局部極小點(diǎn)，存在識(shí)別度不足和準(zhǔn)確性低等問(wèn)題，D-S證據(jù)理論可以將證據(jù)之間微弱的差別進(jìn)行累加，當(dāng)這些差別累積到一定程度時(shí)就很方便進(jìn)行區(qū)分，從而提高評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確率。本文通過(guò)D-S證據(jù)理論對(duì)特征級(jí)融合結(jié)果進(jìn)行分析決策判斷，得到室內(nèi)環(huán)境的綜合舒適度評(píng)價(jià)。

　　3.1基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特征級(jí)融合算法

　　根據(jù)熱舒適度指標(biāo)PMV計(jì)算公式可知，其計(jì)算結(jié)果和輸入?yún)��?shù)間存在復(fù)雜的非線性關(guān)系，計(jì)算PMV值的關(guān)鍵是求解tcl，而tcl的計(jì)算又依賴于hc，而hc的求解又依賴于tcl，其運(yùn)算過(guò)程存在迭代嵌套。反向傳播(backpropagation，BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在很多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，但由于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用基于梯度下降作為其學(xué)習(xí)算法，容易陷入局部極小值問(wèn)題。而遺傳算法作為一種全局優(yōu)化搜索方法，容易得到全局最優(yōu)解，通過(guò)遺傳算法對(duì)BP網(wǎng)絡(luò)的初始權(quán)值和閾值進(jìn)行優(yōu)化。因此將遺傳算法與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，可以避免各自存在的問(wèn)題，從而能夠達(dá)到快速收斂[7]。

　　4系統(tǒng)測(cè)試

　　本文實(shí)驗(yàn)在研究樓的4個(gè)實(shí)驗(yàn)室分別布置了4組傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。實(shí)驗(yàn)環(huán)境為冬季室內(nèi)，一般人體為坐下休息狀態(tài)，熱環(huán)境參數(shù)中，取M為58.2W/m2，室內(nèi)空氣流速為0.1m/s，服裝熱阻Icl取1.0Clo，平均輻射溫度為室溫。傳感器組以1次/min速率采樣并存入數(shù)據(jù)庫(kù)，經(jīng)過(guò)采用上述算法的云計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)兩級(jí)融合模型對(duì)室內(nèi)各環(huán)境進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，其評(píng)價(jià)結(jié)果更為可靠。

　　5結(jié)論

　　本文通過(guò)室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)和舒適度融合評(píng)估問(wèn)題，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和云計(jì)算平臺(tái)開(kāi)發(fā)了一種使用方便、成本低、穩(wěn)定的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在云計(jì)算處理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與D-S證據(jù)理論相結(jié)合的兩級(jí)融合評(píng)價(jià)模型，將各環(huán)境相結(jié)合進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，很好地克服了在傳統(tǒng)室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)評(píng)估中，由于監(jiān)測(cè)評(píng)估環(huán)境單一而產(chǎn)生的局限性和不確定性，提高了室內(nèi)環(huán)境評(píng)價(jià)的可靠性和容錯(cuò)能力，具有很好的實(shí)用性和市場(chǎng)價(jià)值。

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　　相關(guān)電子刊物推薦：《電子設(shè)計(jì)工程》是1993年創(chuàng)刊，原名《國(guó)外電子元器件》，主要介紹具有較高學(xué)術(shù)水平的、電子領(lǐng)域相關(guān)的理論、技術(shù)、方法的專業(yè)性技術(shù)期刊。國(guó)內(nèi)刊號(hào)CN：61-1477/TN，國(guó)際刊號(hào)ISSN：1674-6236。主要介紹當(dāng)前比較先進(jìn)的國(guó)內(nèi)外電子技術(shù)、元器件技術(shù)及其應(yīng)用的科學(xué)技術(shù)類期刊，主要囊括電源技術(shù)應(yīng)用、工業(yè)自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)與通信工程、測(cè)控與儀器儀表、圖像與多媒體技術(shù)、汽車(chē)電子、消費(fèi)類電子、嵌入式系統(tǒng)、信息安全以及計(jì)算機(jī)應(yīng)用等領(lǐng)域。