基于GPRS的高寒地区农村室内温湿度监测分析研究

陈国玉，陈 实

（青海民族大学土木与交通工程学院,青海西宁 810007）

1 研究背景及意义

我国疆域幅员辽阔，地势西高东低，气候差异极大，其中高海拔高寒地区的气温在一天内变化极大。在这样的条件下，高海拔高寒地区的人们对住房温湿度变化比较敏感。然而，对于高海拔高寒农牧地区，室内取暖方式依旧离不开火炉。采用火炉取暖，在不同的时间内，室内外环境变化明显，对于人们的生活造成一定的影响，使人们不能享受一个相对适宜的室内温度。因此，高海拔高寒地区急需一套室内环境温湿度检测系统，通过数据的检测分析，对室内温度进行实时监控，从而更好地调节室内的温度和湿度[1]，为改善广大居民的居住条件提供一定的帮助。

然而，在偏远的乡村、山区以及其他恶劣环境下，进行数据的采集和传输是一件十分困难的事情，在这些地区开展数据的采集和传输工作不能满足当今时代对于工业现代化、自动化的要求[2]。比如，传统的数据传输方法是采用利用电话线、电力载波等，也是目前较为常用的方法。但是，这些传输方式存在着诸多的问题，如覆盖范围小，线路维护量大，功耗较大，误差大，电力载波上噪声污染导致通信不可靠等。在高海拔高寒地区，由于地理条件复杂，气候条件恶劣，现有的数据传输方法的应用更受不良外界条件的干扰而出现各种问题，从而导致不能满足数据采集和传输工作的要求。

在新时代，随着无线通信数字网络的发展，采用GSM全球移动通信系统和GPRS无线通信网作为通信的方式可以很有效的弥补传统传输方法的不足，为上述问题提供了一个全新的思路方法和解决方案。这种方式采用 GPRS通信模块、利用短消息方式实现远程数据的采集，可用于多种遥测系统，完成远端环境、资源信息等数据的采集[3-4]，能够很好的利用到高寒地区农村室内温湿度监测分析之中。

2 GPRS系统概述

2.1 GPRS系统的概念

GPRS即无线服务技术（General Packet Radio Service），它通过利用GSM网络中未使用的TDMA信道，提供中速的数据传递。GPRS突破了GSM网只能提供电路交换的思维方式，只通过增加相应的功能实体和对现有的基站系统进行部分改造来实现分组交换，从而大大提高了数据传输速率。

2.2 GPRS系统的优势

GPRS系统作为一种高速、高效、经济的无线系统技术，为数据传输提供了很大的帮助，具有许多的优点，主要体现在以下几个方面。

1）传输速率高 由于GPRS系统不再需要现行无线应用所需要的中介转换器，所以连接及传输都会更方便容易。其传输速率是GSM的10倍，并且可以稳定地传送大容量的高质量音频与视频文件。

2）实时在线 GPRS系统建立新的连接几乎无需任何时间，因而可以保证用户随时都可与网络保持联系，不会出现短线的情况。

3）计价按数据流量计算 GPRS系统的计费标准是传输的数据量，而不是按上网时间计费，也就是说，只有进行数据传输时系统才会计费。这样，就大大降低了数据传输的应用成本。

除上述优点之外，GPRS还具有网络覆盖范围广、数据带宽宽、适应性强等优点，特别适用于间断的、突发性的或频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大量数据传输，完全满足数据采集及监控的双向数据信息传输。随着GPRS技术在移动通信领域的发展，已经能够实际应用到许多需要无线数据传输的领域，也为数据的采集、传输及监控提供了一种全新的数据传输通讯方式[5]。

3 系统的整体方案设计

3.1 系统功能

为了让青海高寒农村室内居住环境得到舒适度进一步的提高，需要设计一个针对青海典型住房特点的室内居住环境监测系统，来达到室内温度和湿度的实时监测及反馈。应用GPRS系统，可以通过数据的检测和分析来达到室内环境的模拟和优化，为青海高海拔农牧地区的室内环境舒适度更好的提高做出一套适合的温湿度检测与反馈系统。

一方面，通过GPRS无线通信技术，在室内各个监测点进行实时监控，达到数据的实时反馈与更新。最终，通过空气加湿器的调控，进行室内湿度的调节，通过火炉的调控，进行室内温度的调节，从而使室内的温度和湿度达到最适宜于居民居住的条件，使室内达到最优的状态[6]。设计此系统，将通过一系列的技术手段，针对性的实现对青海高海拔高寒牧民室内居住环境进行温湿度检测，实现室内温湿度状态实时反馈，同时通过对数据的采集分析，推算出最佳的供暖方案。

另一方面，将温湿度传感器的数据采集点，依次布置在卧室、客厅沙发、火炉、玻璃门等居民长待的地方与温度敏感的地方。通过数据实时联网，当在玻璃门的监测点温湿度发生较大变化时，便可以提前调节火炉的供热情况，使室内温度继续保持稳定的温度舒适区间。当其他温湿度监测点突然出现数据异常，温湿度偏离舒适的温湿度区间时，通过数据的监控，进行报警，以提醒人们做好及时的处理措施。此外，还可以根据不同的地区，以及不同家庭的不同需求情况，设置不同的温湿度上下极限值。运用温湿度传感器，可以完成室内环境的实时监测。如果温湿度超过之前设定好的上限值时，可以及时实现室内环境的调控，即调控室内的温度和湿度，使室内环境达到一个最佳的状态。

3.2 系统总体设计

系统无线数据采集终端由传感器、单片机、GPRS通信模块等组成，完成环境数据的采集、处理和传输。中心数据处理模块由 GPRS通信模块和后台数据库组成，对远端发送上来的数据进行分析和处理，同时，也要根据需要对远端数据采集模块发出命令，由远端数据采集模块完成相应的动作。因此，根据上述功能要求，制定了如图1所示的系统设计方案[7]。

图1 远程数据采集系统体系结构框图

3.2.1 数据采集模块

前端的数据采集模块，由温湿度传感器和电源构成。为了保证数据采集的高效性、准确性，系统选用型号为RS-WS-GPRS-6的数字式温湿度传感器，实现室内温度和湿度数据的采集。基于GPRS传输的温湿度变送器，可以通过网络基站将采集的温湿度数据上传到环境监控云平台。采用这样的温湿度测量单元，具有测量精度高，抗干扰能力强，覆盖范围广，传输距离远的优点。其被广泛用于药品运输车辆、工业控制、楼宇控制、电力、计量测试、仓库、冷库等行业。

3.2.2 数据传输模块

中端的数据传输模块主要由GPRS无线通信系统组成，GPRS无线通信系统是整个系统中的关键传输节点，其将前端的数据采集模块采集的信息进行加工、处理及传输，再将数据传送到后台数据库中。

3.2.3 后台数据库

后台数据库接收来自数据传输模块所传输的数据，对数据进行整理、分析之后，将信息反馈到数据传输模块中。例如，后台数据库通过将传输过来的湿度和温度数据与设定的温湿度上下限值进行比对，当室内温度和湿度过高或者过低时，后台数据库会将信息传到数据传输模块，以便提醒人们及时采取措施，进行温度和湿度的调节。

3.3 温湿度调控基本措施

根据图2、图3的房屋模型，在玻璃房门、火炉边、客厅沙发边、两个卧室分别放置数据监控点。将一些对人经常待的地方进行重点的数据监控，实时监控数据并反馈。根据住宅特点针对性提出温湿度调控的基本措施：

图2 农村简易住房示意图

图3 室内温湿度监测点分布

1）添加百叶窗对采光进行调控 在同一天不同的时间里，室外情况也是有着巨大变化的，通过添加百叶窗可以有效的调控室内采暖情况。一方面，在15：00左右温度基本达到峰值时，减小室内的采光可以有效的控制室内温度的上升；另一方面，夜间将百叶窗关闭，室内温度一定程度上会在现有实际测量数据的基础上有所回升，从而可以适当提高起床前后的温度。

2）传统民居的生土墙体具有良好的隔热性能，因此可以对这一传统材料进行改良作为围护构件，采用适宜的支撑结构，将生土墙体应用于民居建造中，以达到降低能耗与提升室内舒适度的目的。

3）由于寒冷地区农村冬季寒冷，一直以来民居绿色节能设计主要以冬季保暖为主，但夏季防热隔热的措施不足，在民居的建造中需优化门窗设计，改善自然通风的组织与利用，夏季良好的通风条件可以有效的降低室内温度和减低能耗。组织穿堂风，调整门窗开启位置与大小增加风通量进行通风降温。还可以在山墙两侧屋顶附近开设可开闭洞口或者在屋顶空气间层增加排风帽，利用风压将室内热量带走。同时，应重视夏季门窗遮阳问题，通过遮阳构件、建筑自遮阳、绿化遮阳等措施进行有效的遮阳。

4 监测数据分析

表1 五个监测点不同时间点的温湿度监测结果（温度/湿度）

从表1可以看出，每个监测点在一天内不同的时间点温湿度都有一定的差异，早上7点，火炉、客厅与玻璃房都尚未使用，因此温湿度相较于用于休息的主次卧室来说更低，同样的，在夜晚24点，前三者的温湿度同样低于主次卧室，但均高于早上7点的数据，因为日出时间是一天中温度最低的时段。在光照达到顶峰的15点，火炉因为处于使用的状态、玻璃房因为接收更多的光照，相较于其他监测点温度更高、湿度更低，但在日落之后的20点，各监测点的温度下降7-10℃不等，湿度相对有所回升。由此来看，客厅与主次卧室的使用时间、玻璃房相对其他房间的光照，都是影响温湿度的重要因素。在高寒地区昼夜温差极大的情况下，可以通过在房间内设置百叶窗、优化门窗设计、改变墙体材质等方式调节室内的温湿度，使得人们能够在更加适宜的温湿度环境下进行生产生活。

5 结论

综上所述，本文主要研究GPRS的优势及相关系统设计，并利用其对高寒地区农村室内的温度进行动态监测，根据数据结果提出响应的调节温度措施。GPRS系统能够保证实时在线，而且传输速率高，因此具有很高的使用价值，通过数据监测发现，高寒地区的室内温湿度昼夜差距大，且不同室内区域因为构造不同、使用时间不同，温湿度也有差异，基于GPRS监测数据，可以通过改善室内门窗设计、改变墙体结构、增加百叶窗的使用等方式对室内温湿度进行有效调节，从而保证居民能够更好地生活，改善高寒地区农村居民的生存环境，提高生活质量。