發(fā)布時(shí)間：所屬分類：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 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)通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)到云端數(shù)據(jù)庫。云計(jì)算平臺(tái)采用二級(jí)融合算法對(duì)采集數(shù)據(jù)
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)通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)到云端數(shù)據(jù)庫。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)，用戶可以通過網(wǎng)頁或者終端實(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)用無線傳感網(wǎng)絡(luò)和通用分組無線業(yè)務(wù)(generalpacketradioservice，GPRS)無線通信技術(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)通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)到云服務(wù)器數(shù)據(jù)庫，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LPDD來評(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。
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)。本文通過傳感器檢測(cè)室內(nèi)CO2濃度、甲醛濃度和TVOC濃度來評(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。
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題，從而能夠達(dá)到快速收斂[7]。
通過遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化得到BP網(wǎng)絡(luò)的初始權(quán)值和閾值，再通過BP算法進(jìn)行學(xué)習(xí)。對(duì)于室內(nèi)熱環(huán)境評(píng)價(jià)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，其輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)為6個(gè)，即影響PMV指標(biāo)的6個(gè)因素，其輸出為對(duì)應(yīng)的PMV和PDD值。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將訓(xùn)練精度設(shè)置為10-3，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過89次滿足預(yù)期要求，而遺傳算法優(yōu)化的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在滿足同等條件下僅需12次就達(dá)到了設(shè)定精度要求，對(duì)比可知，通過遺傳算法優(yōu)化的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)極大提高了BP網(wǎng)絡(luò)的收斂速度。
對(duì)于室內(nèi)聲、光環(huán)境和空氣品質(zhì)采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。室內(nèi)光環(huán)境中輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)為3，室內(nèi)聲環(huán)境的輸入層節(jié)點(diǎn)為4，空氣品質(zhì)的輸入層節(jié)點(diǎn)為4，其輸出為對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)的4個(gè)等級(jí)。為了避免在D-S證據(jù)理論進(jìn)行決策級(jí)融合時(shí)由于BPA為0而引起證據(jù)沖突問題，在測(cè)試中將輸出定義為0.1和0.9，而非傳統(tǒng)的0和1。將網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)誤差E設(shè)為10-3，室內(nèi)光環(huán)境、聲環(huán)境和空氣品質(zhì)的訓(xùn)練模型分別通過114，169，54次學(xué)習(xí)，達(dá)到設(shè)定精度。根據(jù)訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)模型，通過傳感器采集的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真。
5結(jié)論
本文通過室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)和舒適度融合評(píng)估問題，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和云計(jì)算平臺(tái)開發(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。
參考文獻(xiàn):
[1]孫占鵬，李佳，歐文.多傳感器室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2017，36(1):87-90.
[2]劉向舉，劉麗娜.基于物聯(lián)網(wǎng)的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究[J].傳感器與微系統(tǒng)，2013，32(3):37-39，42.
[3]聞利群，秦斌偉，張會(huì)新，等.基于ZigBee和WiFi技術(shù)的室內(nèi)環(huán)境安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2017，25(7):78-82.
[4]ISO7730—19.Moderatethermalenvironment-determinationofthePMVandPDDindicesandthespecificationofconditionsforthermalcomfort[S].
[5]左現(xiàn)廣，鄒勇惠，陳仲林.住宅起居室舒適照明研究[J].燈與照明，2003，27(1):21-23.
[6]楊鴻翥.基于GA-BP的住宅室內(nèi)空氣品質(zhì)評(píng)價(jià)研究[D].武漢:華中科技大學(xué)，2007.
[7]胡曉倩，張蓮，蔣東榮.遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在室內(nèi)環(huán)境熱舒適度融合評(píng)價(jià)中的應(yīng)用研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2014，28(9):102-107.
相關(guān)刊物推薦：《燈與照明》(季刊)創(chuàng)刊于1977年，由重慶照明學(xué)會(huì)、重慶燈泡工業(yè)公司主辦。本刊自創(chuàng)刊以來，銳意進(jìn)取，精心運(yùn)作，圍繞“權(quán)威、信息、實(shí)用”的辦刊宗旨，立足西部，輻射全國(guó)，已成為國(guó)內(nèi)光源及照明行業(yè)中具有權(quán)威性和影響力的專業(yè)雜志，面向國(guó)內(nèi)外公開發(fā)行。
