北京工業(yè)大學電子信息與控制工程學院 北京 100124

引言

近年來，大氣環(huán)境問題越來越受到人們的關注，大氣環(huán)境的污染給人們的生活帶來嚴重危害。與此同時，室內(nèi)空氣品質(zhì)的好壞也備受重視。據(jù)長沙市居民室內(nèi)停留時間調(diào)查顯示[1]，長沙市居民平均每天約有93%的時間是在不同的室內(nèi)環(huán)境中度過，因此，可以說室內(nèi)空氣質(zhì)量的好壞直接影響著人們的身心健康。然而，目前室內(nèi)空氣質(zhì)量調(diào)節(jié)方法大都簡單依靠人們主觀判斷進行開窗通風、開空氣凈化器等，沒有一個可靠的參照標準，有的時候室外空氣質(zhì)量比室內(nèi)還要差，這種條件下開窗使得室內(nèi)空氣污染加劇。有的時候出門前室外空氣質(zhì)量不佳沒有開窗，幾個小時后可能室外空氣質(zhì)量變好，可是不在家中無法進行開窗通風，這樣使得對室內(nèi)空氣質(zhì)量的調(diào)節(jié)很不方便。鑒于此，本文提出了智能家居室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測、評價與監(jiān)控系統(tǒng)設計方案，此系統(tǒng)使室內(nèi)空氣質(zhì)量的調(diào)節(jié)智能化，使室內(nèi)空氣質(zhì)量保持在一個較好的狀態(tài)下，給人們在室內(nèi)的生活營造了一個健康的氛圍。

1 系統(tǒng)總體設計

本系統(tǒng)主要由智能家居控制中心、室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測裝置、智能控制終端、客戶端四部分組成。系統(tǒng)總體結(jié)構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構圖

智能控制中心連入寬帶網(wǎng)絡中，室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測裝置實時采集室內(nèi)的溫度、濕度、PM2.5、PM10、甲醛、CO、光照等數(shù)據(jù)，將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理通過串口發(fā)送給智能家居控制中心，同時，可根據(jù)編入的控制策略智能調(diào)節(jié)室內(nèi)的家電，比如空調(diào)、加濕器、空氣凈化器、卷簾窗等，使室內(nèi)空氣質(zhì)量得到調(diào)節(jié)，進而保持在較好的狀態(tài)下。用戶通過手機或計算機登錄服務器，通過用戶名和密碼驗證后，便可以查看室內(nèi)空氣質(zhì)量的相關參數(shù)值，系統(tǒng)中的客戶端具有良好的人機交互界面，并設有相應的功能按鍵供用戶使用，進而可進行手動調(diào)控家中電視、空調(diào)、加濕器、空氣凈化器、卷簾窗、燈光等家電。

2 系統(tǒng)的硬件設計

2.1 控制中心硬件結(jié)構設計

系統(tǒng)的服務器硬件結(jié)構設計如圖2所示，由圖2可知，智能控制中心以ARM9[2]嵌入式微處理器S3C2440為控制核心，外圍擴展了存儲器、鍵盤操作、LCD液晶顯示、以太網(wǎng)傳輸接口、串口等。

圖2 系統(tǒng)服務器結(jié)構圖

2.1.1 嵌入式微處理器

本系統(tǒng)選用三星電子的基于ARM920T內(nèi)核的32位嵌入式微處理器S3C2440[3]作為系統(tǒng)的控制中心，該芯片本身提供了豐富的內(nèi)部設備。支持從NAND flash存儲器的啟動，采用4KB內(nèi)部緩沖器進行啟動引導。其低功耗、 簡單、優(yōu)雅以及全靜態(tài)設計特點，適合于對成本和功率敏感型的應用。

2.1.2 系統(tǒng)存儲器

S3C2440的存儲控制器為訪問外部存儲的需要提供了存儲器控制信號，用戶只需要根據(jù)自己的需求選擇合適的外部FLASH[4]和SDRAM與其相連即可實現(xiàn)存儲數(shù)據(jù)的功能。本系統(tǒng)采用的是256MB的NAND FLASH存儲器，用于存放系統(tǒng)掉電后需要保存的用戶數(shù)據(jù)，以及用戶的程序。選用64MB SDRAM用作程序的運行空間、數(shù)據(jù)及堆棧區(qū)。

2.1.3 以太網(wǎng)控制模塊

由于S3C2440本身沒有集成以太網(wǎng)控制模塊，所以需要選擇一個與其相匹配的控制芯片來實現(xiàn)以太網(wǎng)擴展接口，本系統(tǒng)中所用的是DM9000[5]，該DM9000支持8位、16位和32位接口訪問內(nèi)部存儲器，以支持不同的處理器。它的自動協(xié)調(diào)功能將自動完成配置以最大限度地適合其線路帶寬，還支持IEEE802.3x全雙工流量控制。同時用戶可以容易地移植任何系統(tǒng)下的端口驅(qū)動程序。

2.2 檢測裝置硬件結(jié)構設計

系統(tǒng)的檢測裝置如圖3所示。由圖3可知，檢測裝置以STM32F103RCT6為中心，外圍設計出溫濕度檢測電路、PM2.5和PM10檢測電路、甲醛檢測電路、一氧化碳檢測電路、光照檢測電路等。

圖3 系統(tǒng)檢測板結(jié)構圖

2.2.1 STM32F103RCT6微處理器

室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測裝置的C P U選用STM32F103RCT6，該CPU頻率為72MHZ，擁有256K程序空間，48K的RAM，足以滿足用戶程序的存儲和處理；擁有3個USART和2個UART，可滿足串口數(shù)據(jù)的通訊；擁有3個ADC且每個ADC有16個通道，可滿足對甲醛氣體的采集；擁有2個I2C，可滿足對光照值的采集，其CPU最小系統(tǒng)如圖4、圖5所示。

2.2.2 Wi-Fi通信模塊

為了實現(xiàn)無線通訊，選用EMW系列嵌入式Wi-Fi模塊。該模塊是高速率嵌入式Wi-Fi模塊，它的內(nèi)部集成了TCP/IP協(xié)議棧和Wi-Fi通訊模塊驅(qū)動，用戶利用它可以輕松實現(xiàn)嵌入式設備的無線網(wǎng)絡功能。該系列模塊可以最大限度地降低對嵌入式設備的性能要求，在嵌入式設備中不需要實現(xiàn)任何有關網(wǎng)絡處理的功能。這節(jié)省了開發(fā)時間，提高了利用效率。本系統(tǒng)將采用多個嵌入式設備與一個嵌入式設備通訊的方法，室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測裝置與多個智能控制終端進行通訊，通訊方式采用UDP通訊。

2.2.3 溫濕度檢測模塊

溫濕度檢測采用數(shù)字溫濕度傳感器DHT11[6]，溫度測量范圍為0到50攝氏度，濕度測量范圍為20%到90%RH。它是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器，它采用專用的數(shù)字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接通訊，抗干擾能力強，性價比高。采用單總線數(shù)據(jù)格式，單線雙向，一次通訊時間4毫秒左右，數(shù)據(jù)分小數(shù)部分和整數(shù)部分，根據(jù)系統(tǒng)應用條件，本系統(tǒng)采用整數(shù)溫濕度值。設計應用電路如圖6所示。

2.2.4 PM2.5和PM10檢測模塊

PM2.5和PM10傳感器模塊選用PMS5003。該傳感器是一款基于激光散射原理的數(shù)字式通用顆粒物濃度傳感器，可連續(xù)采集并計算單位體積內(nèi)空氣中不同粒徑的懸浮顆粒物個數(shù)，即顆粒物濃度分布，進而換算成為質(zhì)量濃度，并以通用數(shù)字接口形式輸出。采用的是激光散射原理，即令激光照射在空氣中的懸浮顆粒物上產(chǎn)生散射，同時在某一特定角度收集散射光，得到散射光強隨時間變化的曲線。進而微處理器利用基于米氏(MIE)理論的算法，得出顆粒物的等效粒徑及單位體積內(nèi)不同粒徑的顆粒物數(shù)量。該傳感器實時響應，數(shù)據(jù)準確，零錯誤報警率。實時響應支持連續(xù)采集，也支持工作和休眠模式設置。采用串口通信協(xié)議，本系統(tǒng)系設計中將CPU的串口與其相連進行通訊，對傳感器采集回的32個字節(jié)數(shù)據(jù)中，取出其中的第12、13字節(jié)經(jīng)標準計算得出國標下的PM2.5濃度值，取出其中的第14、15字節(jié)經(jīng)標準計算得出國標下的PM10濃度值，單位都為微克每立方米。

圖4 最小系統(tǒng)電路

圖5 CPU引腳圖

圖6 溫濕度檢測電路

圖7 甲醛檢測電路

2.2.5 甲醛檢測模塊

甲醛傳感器采用半導體類型的MS1100。傳感器內(nèi)部包含一個常規(guī)的兩電極燃料電池傳感器。工作電極通過外電路將電子釋放到計數(shù)電極，并且在計數(shù)電極端隨著氧的減少而消耗，內(nèi)電路由電解液中的離子流來實現(xiàn)。 設計精良，便于電解液的消長。電解液的消長隨環(huán)境溫度和濕度的變化而變化，但是仍可正常工作不會影響到校準值。本系統(tǒng)設計中，采用AD采集輸出電壓，根據(jù)標準的濃度值和電壓、電阻的曲線圖計算出所測出的甲醛濃度值。設計電路圖如圖7所示。

2.2.6 一氧化碳檢測模塊

一氧化碳傳感器采用ZE07-CO電化學傳感器。主要用于室內(nèi)煤氣泄漏檢測。它是一個通用型、小型化模組，利用電化學原理對空氣中存在的CO進行探測，具有良好的選擇性、穩(wěn)定性，內(nèi)置溫度傳感器，可進行溫度補償，同時具有數(shù)字輸出和模擬電壓輸出，方便使用。本系統(tǒng)設計中采用其數(shù)字輸出功能，將CPU的串口與其相連進行通訊，對傳感器采集回的9個字節(jié)數(shù)據(jù)中，取出其中的第6、7字節(jié)經(jīng)標準計算得出一氧化碳濃度值，單位為ppm，再將ppm值經(jīng)單位換算得出毫克每立方米的濃度值。

2.2.7 光照值檢測模塊

光照值傳感器采用數(shù)字光強度BH1750FVI，主要用于室內(nèi)燈光的調(diào)節(jié)，以達到節(jié)約能源的目的。其可測量光照度范圍為0到65535lx。光照度的單位是勒克斯，是英文lux的音譯，也可寫為lx。被光均勻照射的物體，在1平方米面積上得到的光通量是1流明時，它的照度是1勒克斯。該傳感器內(nèi)置16bitAD轉(zhuǎn)換器，直接數(shù)字輸出，省略復雜的計算和標定。接近于視覺靈敏度的分光特性，可對廣泛的亮度進行1勒克斯的高精度測定。本系統(tǒng)設計中采用標準NXP IIC通信協(xié)議讀取該傳感器采回的光照值，設計電路圖如圖8所示。

圖8 光照檢測電路

3 系統(tǒng)的軟件設計

系統(tǒng)的軟件設計包括智能家居控制中心軟件設計、室內(nèi)檢測裝置軟件設計以及智能控制終端軟件設計三大部分。智能家居控制中心軟件設計包括系統(tǒng)軟件設計(嵌入式Linux操作系統(tǒng)、嵌入式Linux應用程序、嵌入式Web服務器)和應用軟件設計(網(wǎng)頁設計及CGI應用程序)。室內(nèi)檢測裝置軟件設計為編寫各個傳感器模塊的驅(qū)動程序。智能控制終端軟件設計為編寫控制家電的驅(qū)動程序。

3.1 控制中心軟件設計

3.1.1 控制中心系統(tǒng)軟件設計

1)嵌入式操作系統(tǒng)的選擇及移植[7]。

本控制中心系統(tǒng)采用Linux作為操作系統(tǒng)，并用Linux 4.4.3內(nèi)核在嵌入式微處理器S3C2440上移植，具體移植方法如下。

①準備Linux 4.4.3內(nèi)核壓縮包linux-4.4.3.tar.xz以及交叉編譯工具arm-linux-gcc-4.3.2.tar.bz2。

②解壓壓縮包并安裝編譯器arm-linux-gcc-4.3.2。

③修改Make fi le文件，修改機器類型ID號等。

④執(zhí)行make menucon fi g，并對選項進行配置，以達到對內(nèi)核進行裁剪，節(jié)省內(nèi)存空間，提高編譯效率。

⑤執(zhí)行make uImage進行編譯，將生成的內(nèi)核鏡像文件uImage通過tftp、nand等命令燒入存儲器中，完成Linux 4.4.3內(nèi)核在ARM微處理器上的移植。

2)嵌入式Web服務器選擇及移植[8]。

常見的嵌入式Web服務器主要有：lighttpd、thttpd、shttpd和Boa等等。本系統(tǒng)在設計中選擇了支持CGI又較適合嵌入式系統(tǒng)的Boa Web服務器，并將其移植在該系統(tǒng)中，使系統(tǒng)實現(xiàn)嵌入式Web服務器功能，具體移植實現(xiàn)方法如下。

①準備Boa服務器源代碼boa-0.94.13.tar.gz，并將其進行解壓縮。

②在src目錄下執(zhí)行命令./configure，會產(chǎn)生一個makefile文件，修改src目錄下makefile文件，boa.c文件，compat.h文件。

③編譯，把“src/”目錄下編譯得到的boa可執(zhí)行文件拷貝到文件系統(tǒng)的“sbin/”目錄下，在/etc目錄下建立一個boa目錄，把“boa-0.94.13/”目錄下的boa.conf文件拷貝到文件系統(tǒng)的“etc/boa/”目錄下。

④創(chuàng)建日志文件所在目錄/var/log/boa，創(chuàng)建html文檔的主目錄/www，創(chuàng)建CGI腳本所在目錄/www/cgi-bin。

⑤修改boa.conf文件，把Linux系統(tǒng)etc/目錄下的mime.types拷貝到文件系統(tǒng)etc/目錄下。

3)CGIC庫的移植。

①準備cgic205.tar.gz源碼包，并將其進行解壓縮。

②修改Make fi le文件后，并進行編譯。

③拷貝cgic205目錄下的capture文件到文件系統(tǒng)/www/cgi-bin目錄下。

3.1.2 控制中心應用軟件設計

智能家居控制中心的核心是一個嵌入式Web服務器，其應用軟件的設計包括網(wǎng)頁設計、CGI應用程序設計。網(wǎng)頁設計[9-10]采用設計工具Dreamweaver CS6、Photoshop來實現(xiàn)，系統(tǒng)設計中采用網(wǎng)頁每2秒更新一次數(shù)據(jù)，故采用ajax與CGI相結(jié)合的技術，這樣可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的更新在后臺完成，使網(wǎng)頁頁面更加友好。當Web頁面打開時，用戶通過點擊頁面相應功能按鈕實現(xiàn)相應的操作。當點擊查看按鈕時，將調(diào)用腳本文件中的相應函數(shù)，函數(shù)中再調(diào)用相應CGI程序，讀出已經(jīng)采集存入文件中的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行處理后發(fā)送到網(wǎng)頁端進行動態(tài)顯示，顯示的數(shù)據(jù)有溫度值、濕度值、PM2.5濃度值、PM10濃度值、甲醛濃度值、CO濃度值、光照值和室內(nèi)空氣質(zhì)量等級。除了查看功能，頁面中還設有溫度設定、濕度設定、開空調(diào)、關空調(diào)、溫度+、溫度-、開加濕器、關加濕器、開卷簾窗、關卷簾窗、開燈、關燈、開電視機、關電視機、啟用智能控制、啟用手動控制等按鈕，用戶通過點擊相應按鈕實現(xiàn)對家用電器的控制。在系統(tǒng)設計中，CGI應用程序的編寫采用C語言，實現(xiàn)外部實時數(shù)據(jù)的采樣、與外部設備的通信與控制等。本系統(tǒng)控制中心的應用軟件工作流程如圖9所示。

圖9 控制中心應用軟件工作流程

3.2 室內(nèi)檢測裝置應用軟件設計

由于檢測裝置上的每個傳感器模塊實現(xiàn)采集的數(shù)據(jù)功能不同，所以要針對不同的模塊編寫不同的底層驅(qū)動程序，實現(xiàn)對室內(nèi)空氣質(zhì)量參數(shù)的實時采集。檢測裝置采用的CPU是STM32F103RCT6，就其本身硬件資源而言，選用ucosII操作系統(tǒng)在CPU上進行移植效果較好。該系統(tǒng)下需要創(chuàng)建三個任務，分別完成傳感器數(shù)據(jù)的采集，將采集處理好的數(shù)據(jù)發(fā)送到服務器，將服務器端的控制命令發(fā)送到智能控制終端。檢測裝置軟件工作流程如圖10所示。

圖10 檢測裝置軟件工作流程

3.3 智能控制終端應用軟件設計

智能控制終端負責執(zhí)行服務器端下達的控制命令，比如開空調(diào)、開加濕器等。該智能控制終端選用的CPU為STM32F103C8T6，與檢測裝置CPU功能相似，選用ucosII操作系統(tǒng)在CPU上進行移植效果較好，硬件資源足以滿足設計要求，其應用軟件設計相對其他部分來說要簡單些。其工作流程如圖11所示。

4 控制策略

本智能家居室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測、評價與監(jiān)控系統(tǒng)中采用智能控制和手動控制兩種策略，可供用戶自由選擇。

圖11 智能終端軟件工作流程

4.1 智能控制策略

當用戶點擊客戶端的啟用智能控制后，系統(tǒng)將進入智能控制模式。系統(tǒng)檢測裝置根據(jù)實時采回的數(shù)據(jù)由預先編入的控制策略[11]對家中的空調(diào)、加濕器、空氣凈化器、卷簾窗、燈光進行智能控制，進而使室內(nèi)環(huán)境保持在一個較好的狀態(tài)下。

4.2 手動控制策略

當用戶點擊客戶端的啟用手動控制后，系統(tǒng)將進入手動控制模式。這種模式下，系統(tǒng)將失去對家電的智能控制，由用戶通過客戶端的按鈕對家中的空調(diào)、加濕器、空氣凈化器、卷簾窗、燈光、電視機進行控制。

5 實例應用

以北京工業(yè)大學科學樓1113室為實驗對象進行室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測、評價與監(jiān)控。其客戶端顯示界面如圖12所示。

圖12 客戶端顯示界面圖

6 結(jié)語

與傳統(tǒng)的智能家居系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)主要實現(xiàn)對室內(nèi)空氣質(zhì)量的檢測、評價與監(jiān)控，并且系統(tǒng)設有智能控制與手動控制兩種模式，用戶可根據(jù)自己的需求進行選擇?？蛻舳颂峁┝擞押玫娜藱C交互界面，實現(xiàn)了遠程的檢測與監(jiān)控。該系統(tǒng)的智能控制終端個數(shù)可根據(jù)用戶需求而改變，進而使系統(tǒng)的升級與擴展更加靈活。但是，本系統(tǒng)對室內(nèi)空氣污染物的檢測并不全面，只選擇了其中的物理性和化學性的幾種作為檢測對象，生物性和放射性由于現(xiàn)實條件沒有考慮其中，期望以后更加完善。

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