1 绪论
1.1 研究背景及意义
1.1.1 研究背景
餐饮业作为我国第三产业中一个重要的传统服务性行业，其因市场大、增长快、影响广、吸纳就业能力强的特点而广受重视。它经历了三十多年的发展与市场竞争，现在我国餐饮业发展已经进入了经营主体多样化和行业发展产业化的新阶段，行业的发展势头非常强劲。
从餐饮油烟污染治理的状况来看，北京、上海、广州、杭州、等省会城市的大中型餐饮企业，在厨房都安装了不同类型的油烟净化装置，但开机率和净化效率并得不到实时的监管[1]。国内一些中小型城市和县市级城镇的餐饮业油烟净化器安装率更低，环保执法监管部分基本处于真空状态[2]。所以，真实性的讲，全国各地环保相关部门对餐饮油烟污染的环境监测大多都停留在少数线下走访阶段，时间覆盖率低、监测范围有限，难以反映区域内城市环境污染连续变化的实时情况，业难以达到实时监控、实时报警的要求，这也导致了大多数餐馆及酒店的油烟净化装置形同虚设，甚至有些根本没有安装油烟净化装置的现象，这也致使油烟污染问题愈发严重[3]。
1.1 研究背景及意义
1.1.1 研究背景
餐饮业作为我国第三产业中一个重要的传统服务性行业，其因市场大、增长快、影响广、吸纳就业能力强的特点而广受重视。它经历了三十多年的发展与市场竞争，现在我国餐饮业发展已经进入了经营主体多样化和行业发展产业化的新阶段，行业的发展势头非常强劲。
从餐饮油烟污染治理的状况来看，北京、上海、广州、杭州、等省会城市的大中型餐饮企业，在厨房都安装了不同类型的油烟净化装置，但开机率和净化效率并得不到实时的监管[1]。国内一些中小型城市和县市级城镇的餐饮业油烟净化器安装率更低，环保执法监管部分基本处于真空状态[2]。所以，真实性的讲，全国各地环保相关部门对餐饮油烟污染的环境监测大多都停留在少数线下走访阶段，时间覆盖率低、监测范围有限，难以反映区域内城市环境污染连续变化的实时情况，业难以达到实时监控、实时报警的要求，这也导致了大多数餐馆及酒店的油烟净化装置形同虚设，甚至有些根本没有安装油烟净化装置的现象，这也致使油烟污染问题愈发严重[3]。
1.1.2 研究意义
各种因素相互叠加和影响，使得政府及相关环保部门甚至餐馆人员都不得不正视这种隐患带给自己及社会的威胁。
随着嵌入式、无线通信和多传感器融合技术的成熟和广泛应用的基础上，各种物联网技术集成应用在油烟监测系统中[4]，实现各企业油烟排放及相关数据的共享、交互和利用，有利于规划整合各企业孤立的数据信息源，优化重组数据流程，将有益于提高企业对油烟净化综合监控能力；监控系统会提供各企业及地区的能耗分析，对企业油烟排放情况进行全面评估，供政府及相关环保部门参考及决策，以及时采取相应的惩处和制定对应的政策措施，给予政府及环保部门数字化指标，推动人与自然和谐发展现代化建设新格局[5]。
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1.2 国内外研究现状
餐饮业中的油烟主要成分是由食物烹饪和食品加工过程中挥发出来的油脂等杂物组成。中餐烹饪讲究的是煎炒烹炸，中餐特有的烹饪方式尽管会制作出色香味俱全的美食，但是也会比西式烹饪使用更多的食用油，其中包括动物油脂和植物油脂，在高温等复杂的环境下产生的油烟飘浮在空气中会危害人体健康[6]。
在科学技术突飞猛进的时代，环境问题日益加重，环境监测技术应运而生。从二十世纪五十年代起至今，环境监测经历了半个多世纪的发展改进，已经大致形成了较为系统的、范围广泛的环境监测体系。二十世纪五十年代，发达国家针对多次发生的化学毒物致使的环境公害事件，如 1952 年伦敦废气难以扩散造成的烟雾事件和 1956 年日本工业废水排放造成的水俣病公害，对环境污染源样品进行化学分析以确定其化学成分及含量，当时的这种实验室分析方案就是这一时期的主要解决方式。从六十年代开始，人们逐渐意识到化学因素仅是危害环境的单一因素，还有物理因素、生物因素等，随后环境监测逐渐引入物理分析、生物分析等手段来确保监测的准确性；随之，发达国家环境法律逐渐完善，对环境的保护力度日益加大，对企业污染物排放的监控日益重视。八十年代初期，发达国家相继建立了全天候连续监测系统和宏观生态监测系统，并借助地理信息系统技术、遥感技术和全球定位系统技术，通过连续观察空气、水体污染状况变化等来预测未来环境的质量状况，为动态监测环境质量及全球生态环境质量提供安全有利的技术保障。
目前国内的智能油烟监测系统由于研究起步时间较晚、研究技术人员较少、受技术水平所限，市场上大多监测系统只能简单地监测油烟净化系统各个设备的开关状态，一般只要烟道阀门和变频风机处于开启状态，就判定为油烟排放正常即所谓的排放达标；对于油烟净化设备的工作状态是通过监测油烟净化设备的运行功率等参数的变化进行判别；其洁净程度则是根据定期数据记录或净化器上吸附油烟杂物的情况来判别是否需要清洗。
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2 相关技术基础
2.1 物联网时代
物联网（Internet of things）即万物互联的互联网，其本质是互联网的延伸，只是终端由互联网时代的计算机等终端通信设备等转向了利用传感器为主要手段的嵌入式系统设备。各终端之间彼此进行数据交互，这便是对物联网基本原理的形象描述。
物联网作为信息技术行业后起之秀，在万物互联的大趋势下，市场规模将会出现持续性、爆发性的扩大[31]。随着行业标准逐渐完善、科学技术不断发展、国家政策大力扶持，这一切有利的环境都会为我国物联网的良性发展提供坚强的后盾，为经济持续稳定的增长提供新的动力来源。移动互联网向万物互联的物联网产业的延伸浪潮，将创造出比互联网更大的市场和机遇。
据麦肯锡管理咨询公司最新报告估算如图 2.1，全球物联网市场规模的经济价值将在 2025 年最低能达到 3.9 万亿美元，算上物联网市场的增长潜力最高能到 11.1 万亿美元，其中包括设备厂商的利润、效率、新兴业务以及具有更高执行效能的商品为消费者带来的利益等。这也意味着物联网产业将有潜力在 2025 年达到约 11%的全球经济占有率。随着人工智能、大数据、云计算各种前瞻技术的迅速发展，未来几年，物联网将在更多领域施展用武之地[32]。
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各种因素相互叠加和影响，使得政府及相关环保部门甚至餐馆人员都不得不正视这种隐患带给自己及社会的威胁。
随着嵌入式、无线通信和多传感器融合技术的成熟和广泛应用的基础上，各种物联网技术集成应用在油烟监测系统中[4]，实现各企业油烟排放及相关数据的共享、交互和利用，有利于规划整合各企业孤立的数据信息源，优化重组数据流程，将有益于提高企业对油烟净化综合监控能力；监控系统会提供各企业及地区的能耗分析，对企业油烟排放情况进行全面评估，供政府及相关环保部门参考及决策，以及时采取相应的惩处和制定对应的政策措施，给予政府及环保部门数字化指标，推动人与自然和谐发展现代化建设新格局[5]。
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1.2 国内外研究现状
餐饮业中的油烟主要成分是由食物烹饪和食品加工过程中挥发出来的油脂等杂物组成。中餐烹饪讲究的是煎炒烹炸，中餐特有的烹饪方式尽管会制作出色香味俱全的美食，但是也会比西式烹饪使用更多的食用油，其中包括动物油脂和植物油脂，在高温等复杂的环境下产生的油烟飘浮在空气中会危害人体健康[6]。
在科学技术突飞猛进的时代，环境问题日益加重，环境监测技术应运而生。从二十世纪五十年代起至今，环境监测经历了半个多世纪的发展改进，已经大致形成了较为系统的、范围广泛的环境监测体系。二十世纪五十年代，发达国家针对多次发生的化学毒物致使的环境公害事件，如 1952 年伦敦废气难以扩散造成的烟雾事件和 1956 年日本工业废水排放造成的水俣病公害，对环境污染源样品进行化学分析以确定其化学成分及含量，当时的这种实验室分析方案就是这一时期的主要解决方式。从六十年代开始，人们逐渐意识到化学因素仅是危害环境的单一因素，还有物理因素、生物因素等，随后环境监测逐渐引入物理分析、生物分析等手段来确保监测的准确性；随之，发达国家环境法律逐渐完善，对环境的保护力度日益加大，对企业污染物排放的监控日益重视。八十年代初期，发达国家相继建立了全天候连续监测系统和宏观生态监测系统，并借助地理信息系统技术、遥感技术和全球定位系统技术，通过连续观察空气、水体污染状况变化等来预测未来环境的质量状况，为动态监测环境质量及全球生态环境质量提供安全有利的技术保障。
目前国内的智能油烟监测系统由于研究起步时间较晚、研究技术人员较少、受技术水平所限，市场上大多监测系统只能简单地监测油烟净化系统各个设备的开关状态，一般只要烟道阀门和变频风机处于开启状态，就判定为油烟排放正常即所谓的排放达标；对于油烟净化设备的工作状态是通过监测油烟净化设备的运行功率等参数的变化进行判别；其洁净程度则是根据定期数据记录或净化器上吸附油烟杂物的情况来判别是否需要清洗。
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2 相关技术基础
2.1 物联网时代
物联网（Internet of things）即万物互联的互联网，其本质是互联网的延伸，只是终端由互联网时代的计算机等终端通信设备等转向了利用传感器为主要手段的嵌入式系统设备。各终端之间彼此进行数据交互，这便是对物联网基本原理的形象描述。
物联网作为信息技术行业后起之秀，在万物互联的大趋势下，市场规模将会出现持续性、爆发性的扩大[31]。随着行业标准逐渐完善、科学技术不断发展、国家政策大力扶持，这一切有利的环境都会为我国物联网的良性发展提供坚强的后盾，为经济持续稳定的增长提供新的动力来源。移动互联网向万物互联的物联网产业的延伸浪潮，将创造出比互联网更大的市场和机遇。
据麦肯锡管理咨询公司最新报告估算如图 2.1，全球物联网市场规模的经济价值将在 2025 年最低能达到 3.9 万亿美元，算上物联网市场的增长潜力最高能到 11.1 万亿美元，其中包括设备厂商的利润、效率、新兴业务以及具有更高执行效能的商品为消费者带来的利益等。这也意味着物联网产业将有潜力在 2025 年达到约 11%的全球经济占有率。随着人工智能、大数据、云计算各种前瞻技术的迅速发展，未来几年，物联网将在更多领域施展用武之地[32]。
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2.2 多传感器数据融合
传感器利用一定的数字化规律将测量物体的信息转化为电信号或其他形式的信息输出，是一种数据转化的检测装置。
智能传感器已广泛应用于航天航空、国防科技、工农业生产等各个领域中[33]。传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的作用十分重要。产品和技术的突破性进展，应用场景的持续深入，行业标准的陆续出台，各级市场需求的不断增大，都推动着传感器行业日益走向成熟，这或许也就是智能传感器被大家称为二十一世纪极具影响力的高新技术的缘故。
传感器利用一定的数字化规律将测量物体的信息转化为电信号或其他形式的信息输出，是一种数据转化的检测装置。
智能传感器已广泛应用于航天航空、国防科技、工农业生产等各个领域中[33]。传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的作用十分重要。产品和技术的突破性进展，应用场景的持续深入，行业标准的陆续出台，各级市场需求的不断增大，都推动着传感器行业日益走向成熟，这或许也就是智能传感器被大家称为二十一世纪极具影响力的高新技术的缘故。
2.2.1 传感器类型
通常情况，将传感器按照功能与人类五大感觉器官相对应进行分类，包括与视觉对应的光敏传感器、与听觉对应的声敏传感器、与嗅觉对应的气敏传感器、与味觉对应的化学传感器和与触觉对应的压敏、温敏、流体传感器[32]。传感器的分类还可依据检测工作的原理、与测量对象之间的能量关系、与测量对象之间的关联方式、输出信号的性质等。
而多传感器数据融合自然就是指把多传感器采集、提供的参数信息组合起来，在一定的准则下加以分析和处理，以满足工业应用中的实际需求[34]。多传感器数据融合为多传感器数据的综合利用提供了有效的技术手段。近年来，随着科学技术的高速发展，在万物互联的大趋势下多传感器数据融合技术成为了信息领域一个前景广阔的研究方向[35]。
而多传感器数据融合自然就是指把多传感器采集、提供的参数信息组合起来，在一定的准则下加以分析和处理，以满足工业应用中的实际需求[34]。多传感器数据融合为多传感器数据的综合利用提供了有效的技术手段。近年来，随着科学技术的高速发展，在万物互联的大趋势下多传感器数据融合技术成为了信息领域一个前景广阔的研究方向[35]。
多传感器数据融合对不同类型的信息进行估计、校正、分析，实时处理海量信息，通过对信息的优化重组，为多传感器系统实时输出的信息提供了更准备的保障。多传感器数据融合相较于从前的单传感器具有很多优势[36]。多传感器测量到的冗余信息的适当融合提高了整体数据的精确性，降低了系统的不确定性；当其中某个或某些传感器崩溃时，系统仍然可以通过相关或相似传感器测量，增强了系统的健全性；多传感器数据融合能够获得更全面、准确的测量环境情况，这是单传感器无法实现的，提高了系统对环境的统筹性；它可以用多个廉价的传感器组合起来测量一个高品质传感器才能获取的数据，大大降低了系统的组建成本。
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3 系统总体设计 .......................................... 11
3.1 系统需求分析 .................................... 11
3.1.1 业务流程 .............................. 11
3.1.2 总体设计思想 .............................. 11
4 系统硬件设计 ........................................ 19
4.1 厨房端主控电箱 .................................. 19
4.1.1 厨房端结构 ........................................ 19
4.1.2 厨房端工作流程 ................................... 20
5 软件层面设计 ............................. 25
5.1 数据库设计 ...................................... 25
5.1.1 数据概念模型 ...................................... 25
5.1.2 MyBaits 框架 ....................................... 26
6 系统运行与测试
6.1硬件测试
6.1.1 作业测试
1.供电电压测试
使用万用表测量或制作工装治具测试。将监测系统电路板 12VDC 端接入 12VDC电压，使用万能表测量烧录口 3.3V 与地线间的电压，其测量电压应在 3.2V~3.4V 间才符合标准，如图 6.2 所示；再使用万能表测量烧录口 5V 与地线间的电压，其测量电压应在 4.9V~5.1V 间才符合标准。
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7 总结与展望
7.1 课题总结
本课题拟基于低碳经济的背景，以企业核心项目为主要方向，设计了这套智能油烟在线监测系统。随着 4G 网络通信技术和多传感器数据融合技术的成熟，各种物联网技术集成应用在油烟监测系统中，使油烟在线监测系统软件平台与餐饮企业油烟净化设备控制器的交互更加紧密。课题参考了大量国内学者对监测系统的设计以及未来发展的方向，吸收了国际层面一些研究人员对于数据处理、管理及分析等多套解决方案的高度可视化优势，从而使这套油烟在线监测系统更智能、高效的运作，提高了餐饮企业对实时油烟的监控能力，也为政府及环保部门提供了数字化的油烟指标。
课题的主要工作及创新点的总结如下：
1.智能油烟在线监测系统的设备运作部分放置于厨房，包括厨房端控制器、管道端控制器，它们两者间通过网关进行数据检测，然后一起汇总通过网关上传给服务器的显示部分。控制器主板采用两种规模的电压端口输入，避免了用户为安装这套系统设备而单独进行凿墙走线，可以更大程度地保证用户原本供电系统的完整性。系统的网关选择了全网通 4G DTU 透传模块，它成熟的技术方案提供了良好的网络传输环境，使厨房端控制器与管道端控制器连接的传感器采集数据能够更高效，保证数据的完整性并能实时的传输至服务器。
2.监测系统的软件平台采用的前后端分离的开发模式，通过接口获取数据，采用DOM 操作对页面内容进行数据绑定并渲染页面。将大量数据处理的工作分配给浏览器处理引擎，降低了服务器的压力，另外一旦通过测试发现 BUG 可直接在浏览器中逐步调试，便于故障的快速排除。系统采用的一套轻量级的解决方案，搭配 MyBaits 持久层框架，这种组合设计框架更大程度简化了监测系统的搭建及开发过程，其集中的 xml文件也便于后期的统一管理和优化。前端部分选用的是一套渐进式框架，只需注重视图层内容的设计与开发，便于添加第三方类库，极大提升了系统的开发效率。课题吸收了Tim Pauly 等学者在可视化软件解决方案中利用的直观数据融合、管理能力的优势，智能油烟在线监测系统充分利用第三方开源类库及接口强大的资源整合优势，让页面内容数据更人性化的展示在用户眼前。
参考文献（略）