mqtt的云风阀设计与实现(附件)【字数：18146】
摘 要摘 要这些年来，随着人类文明的进步，生活质量也被大家提上了日程。生活质量也逐渐提上了日常话题。共同追求高质量生活成为了现代人的目的。生活中，最重要的是呼吸，呼吸新鲜空气有益身体健康，提高血氧浓度，激发思维和提升免疫力。因此呼吸新鲜空气是全球共同探讨的一个话题。然而，根据社会上的第三方机构调查，如今现代人的80%至90%的时间都生活在室内，室内空气的质量已经严重堪忧。加上空调的使用，造成房间内空气浑浊，长时间会导致细菌滋生，头晕目眩等身体不良反应。因此对于室内及时并且自动的换气，达到一个健康的标准是急需的。针对上述问题，本课题就将介绍基于MQTT的云风阀控制器设计与实现，在传统的机械控制和单片机控制上，结合物联网（IOT）的知识进行改进和改造，在树莓派这个嵌入式的平台上加入了新的MQTT的元素，实现了云的实时监测当前房间内空气质量，通过相应的回归分析算法计算，得到一个风阀调整角度值，发布消息至MQTT的服务器，最后通过MQTT协议对服务器进行消息的订阅，得到转动角度值，对可调节风阀进行角度的控制，实现根据外界环境变化，远程自动化的多档位实时控制，调节空气质量的功能。本设计最终证明，可以有效的控制风阀的自动开关，改变室内氧气浓度。关键词风阀控制器；云；回归分析；MQTT；物联网Abstract
Keywords: Damper Controller; Cloud; Regression Analysis; MQTT; IOT. 目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题的研究背景与意义 1
1.2 国内外研究现状 1
1.2.1 国外发展现状 2
1.2.2 国内发展现状 3
1.3 本课题的研究内容 4
第二章 系统设计的理论支持 5
2.1 MQTT技术 5
2.1.1 MQTT技术介绍 5
2.2 树莓派平台介绍 7
2.3 继电器的原理 11
2.4 Pi4J和WiringPi的库介绍 13
第三章 需求分析和系统设计 16
3.1 需求分析 16
3.1.1 背景 16
3.1.2 目的 16
3.1. *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
3 系统要求 16
3.2 系统总体设计 17
3.2.1 系统体系架构 17
3.3 本章小结 19
第四章 详细设计与系统实现 20
4.1 系统硬件介绍 20
4.1.1 系统硬件选型 20
4.1.2 硬件连接方式 20
4.2 软件程序设计 23
4.2.1 软件安装 23
4.2.2 界面设计 24
4.2.3 数据接收 25
4.2.4 数据处理 26
4.2.5 风阀控制 27
4.3 回归分析预测法分析 29
4.4 本章小结 32
第五章 系统展示 33
5.1 硬件测试 33
5.2 软件测试 35
5.3 本章小结 36
结 论 37
致 谢 38
参 考 文 献 39
第一章 绪论
1.1 课题的研究背景与意义
身体健康的五大标准，其中第一点就是心肺功能要好；第二点就是要生长发育良好；第三则是需要身体素质好；第四点要求神经系统的功能好；最后一个是对外界环境的适应强并且抗病能力强；在这五大标准中，首要占据的是心肺功能；而健康的人，身体发育比较好，前提都是有这强大无比的心肺功能。然而根据国内外科学研究发现，只有清洁、干净、卫生、新鲜的空气才能有助于发挥健康心肺的功能。所以，要想身体健康，前提是要有一个优质的空气环境。
现在城市的楼宇中以及一些地下场所如地铁中使用的风阀不仅功能单一，而且耗时耗力，一点都不够智能化。作为一名计算机专业的学生，通过使用嵌入式的平台，同时利用所学的M2M技术，对现有的风阀进行了改造，同时加入了回归分析算法[22]以及数据挖掘技术[19]，实现了智能化的云风阀控制器。可以根据不同场所的环境进行分析处理，得到当前环境的回归系数。然后通过回归方程计算出期望的角度值，通过控制继电器[15]的开关闭合达到控制风阀转动角度的作用。通过研究可得，在接受数据上，有3.2S的延时，对于一个实时性要求不高的系统来讲，已经完全足以。同时，通过手动或者自动转动均可实现角度的正确转动。例如，当火焰发生时，会根据传输过来的传感器数据，进行数据处理后自动关闭当前风阀，达到切断空气流通，防止火焰蔓延的目的。
1.2 国内外研究现状
国内电动风阀在许多行业都有运用到，例如化学工厂、五金制造、建筑材料方面、发电厂、玻璃生产等行业中的通风、环保工程的含尘冷风或热风气体管道中，作为气体介质调节流量或切断装置。在国内外的楼宇大厦中，电动风阀都用在大楼消防的一些监测上面，例如用于控制总台，消防电梯控制总台，主要是封闭避难层间及楼梯间压差的控制，这样做的好处就是可以在发生火灾时，竖井可以即刻起动，通过控制总台，消防电梯控制总台，封闭避难层间及楼梯间进行增压，使得上述地区可以保持风压，烟雾与有害气体不能传入其他地方，人身安全和呼吸环境都可以得到保障。但是这些自动风阀的使用均需要认为的现场进行控制，非常的不够智能化自动化。[9]
1.2.1 国外发展现状
西门子公司曾经对智能化楼宇的需求和设计进行调研。他们的调研结果了解到，生活中的基础的一些设施对日常影响十分巨大，常常一件小事便可以对生活质量造成巨大改变，但是这种影响往往并不会很敏感的在意到，只有当生活被改变的很严重的时候，人们才会发现，那个时候就悔之晚矣了。就像只有在经历了停电停水，雾霾严重的时候的人们，才会觉得，事情本可以不会变得这么糟糕。
而现在所提倡的城市化，更是加剧了这种变化。每一周如今的城市中新迁移过来的人口甚至可以达到150万，预计到2050年后，全球将会有至少三分之二的人口居住在城市，而在 100年前，城市入住率只有三分之一。随着城市智能化的逐渐成熟，运用这项技术来对城市进行管理的基础设施将会成为一个必然发展的趋势。
如今的社会是一个数字化的社会。到目前为止，可以进行联网的设备早已超过了人类的总数。[14]这些设备可以收集大规模数据[12]来改变生活和商业的种种方式，即使这样，依然还有很多基础设施在为人类提供服务。依然还有很多运输工具、楼宇、电力、出行工具和马路等一些基础设施并没有被抛弃。这样看来，即使社会已经被数字化，但也只是停留在初级阶段，数字化、电气化和信息化让基础设施也变得智能拥有巨大的前景。而如何让这个想法更加成熟和可以应用，也成为如今的关键。大家提到可以信赖的合作伙伴，都会想到西门子，他们可以为西门子具有很高的可信度，拥有强大的技术支持，可以提供提出所有问题的解决办法，让城市的智能化变得更加可行和更加灵活。他们可以对将来所要面对的种种问题，如所提供维护、升级改造等一系列问题进行最好的技术支持。现在，西门子公司，从上世纪90年代开始，全力致力于智能化的楼宇设计建造上，已经实现了目前较为智能化的楼宇系统。自动化风阀控制也为该公司的主攻目标之一。机械化控制的设计与实现已经正式应用于日常生活当中。
Keywords: Damper Controller; Cloud; Regression Analysis; MQTT; IOT. 目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题的研究背景与意义 1
1.2 国内外研究现状 1
1.2.1 国外发展现状 2
1.2.2 国内发展现状 3
1.3 本课题的研究内容 4
第二章 系统设计的理论支持 5
2.1 MQTT技术 5
2.1.1 MQTT技术介绍 5
2.2 树莓派平台介绍 7
2.3 继电器的原理 11
2.4 Pi4J和WiringPi的库介绍 13
第三章 需求分析和系统设计 16
3.1 需求分析 16
3.1.1 背景 16
3.1.2 目的 16
3.1. *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
3 系统要求 16
3.2 系统总体设计 17
3.2.1 系统体系架构 17
3.3 本章小结 19
第四章 详细设计与系统实现 20
4.1 系统硬件介绍 20
4.1.1 系统硬件选型 20
4.1.2 硬件连接方式 20
4.2 软件程序设计 23
4.2.1 软件安装 23
4.2.2 界面设计 24
4.2.3 数据接收 25
4.2.4 数据处理 26
4.2.5 风阀控制 27
4.3 回归分析预测法分析 29
4.4 本章小结 32
第五章 系统展示 33
5.1 硬件测试 33
5.2 软件测试 35
5.3 本章小结 36
结 论 37
致 谢 38
参 考 文 献 39
第一章 绪论
1.1 课题的研究背景与意义
身体健康的五大标准，其中第一点就是心肺功能要好；第二点就是要生长发育良好；第三则是需要身体素质好；第四点要求神经系统的功能好；最后一个是对外界环境的适应强并且抗病能力强；在这五大标准中，首要占据的是心肺功能；而健康的人，身体发育比较好，前提都是有这强大无比的心肺功能。然而根据国内外科学研究发现，只有清洁、干净、卫生、新鲜的空气才能有助于发挥健康心肺的功能。所以，要想身体健康，前提是要有一个优质的空气环境。
现在城市的楼宇中以及一些地下场所如地铁中使用的风阀不仅功能单一，而且耗时耗力，一点都不够智能化。作为一名计算机专业的学生，通过使用嵌入式的平台，同时利用所学的M2M技术，对现有的风阀进行了改造，同时加入了回归分析算法[22]以及数据挖掘技术[19]，实现了智能化的云风阀控制器。可以根据不同场所的环境进行分析处理，得到当前环境的回归系数。然后通过回归方程计算出期望的角度值，通过控制继电器[15]的开关闭合达到控制风阀转动角度的作用。通过研究可得，在接受数据上，有3.2S的延时，对于一个实时性要求不高的系统来讲，已经完全足以。同时，通过手动或者自动转动均可实现角度的正确转动。例如，当火焰发生时，会根据传输过来的传感器数据，进行数据处理后自动关闭当前风阀，达到切断空气流通，防止火焰蔓延的目的。
1.2 国内外研究现状
国内电动风阀在许多行业都有运用到，例如化学工厂、五金制造、建筑材料方面、发电厂、玻璃生产等行业中的通风、环保工程的含尘冷风或热风气体管道中，作为气体介质调节流量或切断装置。在国内外的楼宇大厦中，电动风阀都用在大楼消防的一些监测上面，例如用于控制总台，消防电梯控制总台，主要是封闭避难层间及楼梯间压差的控制，这样做的好处就是可以在发生火灾时，竖井可以即刻起动，通过控制总台，消防电梯控制总台，封闭避难层间及楼梯间进行增压，使得上述地区可以保持风压，烟雾与有害气体不能传入其他地方，人身安全和呼吸环境都可以得到保障。但是这些自动风阀的使用均需要认为的现场进行控制，非常的不够智能化自动化。[9]
1.2.1 国外发展现状
西门子公司曾经对智能化楼宇的需求和设计进行调研。他们的调研结果了解到，生活中的基础的一些设施对日常影响十分巨大，常常一件小事便可以对生活质量造成巨大改变，但是这种影响往往并不会很敏感的在意到，只有当生活被改变的很严重的时候，人们才会发现，那个时候就悔之晚矣了。就像只有在经历了停电停水，雾霾严重的时候的人们，才会觉得，事情本可以不会变得这么糟糕。
而现在所提倡的城市化，更是加剧了这种变化。每一周如今的城市中新迁移过来的人口甚至可以达到150万，预计到2050年后，全球将会有至少三分之二的人口居住在城市，而在 100年前，城市入住率只有三分之一。随着城市智能化的逐渐成熟，运用这项技术来对城市进行管理的基础设施将会成为一个必然发展的趋势。
如今的社会是一个数字化的社会。到目前为止，可以进行联网的设备早已超过了人类的总数。[14]这些设备可以收集大规模数据[12]来改变生活和商业的种种方式，即使这样，依然还有很多基础设施在为人类提供服务。依然还有很多运输工具、楼宇、电力、出行工具和马路等一些基础设施并没有被抛弃。这样看来，即使社会已经被数字化，但也只是停留在初级阶段，数字化、电气化和信息化让基础设施也变得智能拥有巨大的前景。而如何让这个想法更加成熟和可以应用，也成为如今的关键。大家提到可以信赖的合作伙伴，都会想到西门子，他们可以为西门子具有很高的可信度，拥有强大的技术支持，可以提供提出所有问题的解决办法，让城市的智能化变得更加可行和更加灵活。他们可以对将来所要面对的种种问题，如所提供维护、升级改造等一系列问题进行最好的技术支持。现在，西门子公司，从上世纪90年代开始，全力致力于智能化的楼宇设计建造上，已经实现了目前较为智能化的楼宇系统。自动化风阀控制也为该公司的主攻目标之一。机械化控制的设计与实现已经正式应用于日常生活当中。
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