張棣，陳向東

（西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川成都611756）

中國國內(nèi)城鎮(zhèn)居民每天80%以上的時(shí)間處于室內(nèi)環(huán)境[1]，李啟東在研究中指出，室內(nèi)空氣污染物的濃度要高出室外2～5倍[2]。

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人民生活水平的提高，良好的室內(nèi)空氣品質(zhì)成為人們新的訴求，社會(huì)和個(gè)人對室內(nèi)空氣品質(zhì)問題（IAQ）的關(guān)注度也日益提升，室內(nèi)空氣品質(zhì)問題的研究也吸引了越來越多的學(xué)者和專家[3-4]。牛小玲等[5]、周岳斌等[6]與聞明等[7]設(shè)計(jì)了一系列室內(nèi)有害氣體檢測設(shè)備，這些設(shè)備只能進(jìn)行單一指標(biāo)的檢測，檢測時(shí)需要人工作業(yè)，不能遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測；王銘明等和[8]程磊等[9]研究了基于ZigBee的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)測，但未對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；鄭惋月[10]和王昭俊等[11]對室內(nèi)空氣品質(zhì)評價(jià)方法進(jìn)行了一些研究，但數(shù)據(jù)由人工采集，沒有設(shè)計(jì)前端監(jiān)測設(shè)備。

本文設(shè)計(jì)了一種室內(nèi)空氣品質(zhì)無線監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)采用嵌入式技術(shù)設(shè)計(jì)采集終端，C#與MATLAB編程技術(shù)設(shè)計(jì)監(jiān)測中心。該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：1）實(shí)時(shí)性，對所監(jiān)測室內(nèi)區(qū)域的空氣品質(zhì)做到實(shí)時(shí)監(jiān)測；2）網(wǎng)絡(luò)化，采集終端和監(jiān)測中心使用Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)連接，用戶可以遠(yuǎn)程獲取待監(jiān)測區(qū)域空氣指標(biāo)；3）數(shù)據(jù)可追溯性，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，可在無人值守情況下進(jìn)行監(jiān)測記錄；4）智能化，本系統(tǒng)應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)分析法設(shè)計(jì)室內(nèi)空氣評價(jià)功能，智能分析監(jiān)測區(qū)域空氣品質(zhì)；5）友好性，本系統(tǒng)監(jiān)測指標(biāo)擁有多種顯示手段：圖表、數(shù)值等，用戶直觀得到監(jiān)測區(qū)域空氣品質(zhì)狀況。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)構(gòu)架可分為3個(gè)部分：空氣品質(zhì)采集終端，無線通信系統(tǒng)和監(jiān)測中心，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架

目前國內(nèi)外對室內(nèi)空氣品質(zhì)普遍關(guān)注的指標(biāo)有二氧化碳、甲醛等有機(jī)物（TVOC）、可吸入顆粒物、一氧化碳、氡等[12]，本系統(tǒng)選擇CO2、甲醛及PM2.5作為主要監(jiān)測指標(biāo)，溫度和濕度作為輔助監(jiān)測指標(biāo)。采集終端的主要功能是采集上述指標(biāo)，并通過Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)將這些參數(shù)實(shí)時(shí)傳輸給計(jì)算機(jī)終端。

無線通信系統(tǒng)基于Wi-Fi設(shè)計(jì)，保證采集終端與監(jiān)測中心得實(shí)時(shí)通信。

監(jiān)測中心基于C#語言設(shè)計(jì)，擁有數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、即時(shí)報(bào)警、空氣品質(zhì)評價(jià)及歷史記錄查詢等功能。

2 硬件設(shè)計(jì)

空氣品質(zhì)指標(biāo)采集終端結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括：微處理器、多個(gè)傳感器模塊、LCD顯示屏及電源模塊組成。

傳感器方面，選擇了型號為MG811的CO2傳感器、型號為DSM501a的粉塵傳感器、型號為MS1100的TVOC傳感器及型號為AMS2302的溫濕度傳感器。Wi-Fi無線通信模塊選擇了安信可公司出品的ATK_ESP8266。選擇了意法半導(dǎo)體公司的STMF446RET作為本系統(tǒng)的主控芯片，具有性能強(qiáng)大，功耗低，接口資源豐富的特點(diǎn)[13]。

圖2 空氣品質(zhì)采集終端結(jié)構(gòu)框圖

2.1 電源電路設(shè)計(jì)

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，供電問題必須得到重視。本文選擇TPS54311同步壓降轉(zhuǎn)換器作為系統(tǒng)電源主控芯片。如圖3為系統(tǒng)電源電路，輸入為+12 V，輸出為+6 V。

圖3 系統(tǒng)電源電路

系統(tǒng)中各模塊工作電壓不同，為此本文設(shè)計(jì)了3.3 V與5 V電壓轉(zhuǎn)換電路，限于篇幅不詳細(xì)介紹。

2.2 部分工作電路設(shè)計(jì)

CO2傳感器工作電路如圖4所示，該傳感器工作原理是：當(dāng)其暴露在空氣中，陰、陽兩電極與空氣中的CO2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，通過采樣陰陽兩電極之間電勢差即可獲知CO2濃度變化。

甲醛傳感器的工作電路如圖5所示。該傳感器工作原理是：傳感器內(nèi)部貴金屬氧化物接觸到甲醛后阻值將發(fā)生變化。

Wi-Fi模塊電路僅需將串口引腳與STM32對應(yīng)連接，復(fù)位引腳和固件燒寫引腳拉高，如圖6所示。

除上述電路以外，本文還設(shè)計(jì)了LCD工作電路，PM2.5及溫濕度傳感器工作電路，依據(jù)工作手冊分別設(shè)計(jì)了復(fù)位和JLINK接口下載調(diào)試電路，方便進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。

圖4 CO2傳感器工作電路

圖5 TVOC傳感器工作電路

圖6 Wi-Fi模塊工作電路

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 采集終端軟件設(shè)計(jì)

采集終端主要工作是：采集室內(nèi)空氣指標(biāo)，經(jīng)過簡單處理后通過Wi-Fi發(fā)送至計(jì)算機(jī)終端。本文向STM32平臺移植了RT-Thread嵌入式操作系統(tǒng)，使用線程編程技術(shù)完成設(shè)計(jì)。如圖7所示為線程流程圖。

圖7 線程流程圖

3.2 數(shù)據(jù)庫管理

本文采用Oracle公司旗下的MySQL作為數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)[14]。目前系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)有監(jiān)測數(shù)據(jù)表，監(jiān)測數(shù)據(jù)表主要記錄采集終端采集指標(biāo)，主要包括監(jiān)測時(shí)間、各個(gè)傳感器監(jiān)測值等。

3.3 監(jiān)測中心設(shè)計(jì)

監(jiān)測中心基于C#編程語言設(shè)計(jì)。

如圖8所示，主界面分為4個(gè)區(qū)域，上部為菜單欄，需要用戶操作的功能均在此處；左側(cè)為空氣品質(zhì)等級顯示區(qū)域；中部為曲線顯示區(qū)域；右側(cè)為數(shù)據(jù)顯示區(qū)域，以表格形式顯示各項(xiàng)監(jiān)測指標(biāo)。

圖8 監(jiān)測中心軟件主界面

4 空氣品質(zhì)評價(jià)

文中采用灰色關(guān)聯(lián)分析法對空氣品質(zhì)進(jìn)行評價(jià)。其基本思想是比較參考序列曲線和若干個(gè)比較序列曲線的相似程度，曲線越相似，反映關(guān)聯(lián)度越高[15]。灰色關(guān)聯(lián)分析的具體計(jì)算步驟如下：

1）序列去量綱化。去量綱化方法如下：

2）計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)。依下式求參考序列與比較序列之間關(guān)聯(lián)系數(shù)ξoi(j)：

公式（2）中，zij=|x0j-xij|，ρ為分辨系數(shù)，ρ∈(0,1)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)ρ≤0.5463時(shí)效果最好，通常取0.5[15]。

3）計(jì)算關(guān)聯(lián)度。序列關(guān)聯(lián)度由下式計(jì)算：

公式（3）中，ωj是比較序列各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重，權(quán)重越高，代表該項(xiàng)指標(biāo)在關(guān)聯(lián)度計(jì)算中重要性越高，要求∑ωj=1。

4）關(guān)聯(lián)度排序

關(guān)聯(lián)度以大小排序，得到各比較序列與參考序列的關(guān)聯(lián)度，即可得出空氣品質(zhì)的優(yōu)劣。

灰色關(guān)聯(lián)分析法使用MATLAB編程實(shí)現(xiàn)，模擬數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 灰色關(guān)聯(lián)分析法模擬數(shù)據(jù)

*PM2.5單位為 Kcps，CO2、甲醛為 PPM

標(biāo)準(zhǔn)序列為優(yōu)秀情況下各指標(biāo)閾值，序列1模擬輕度污染，序列2模擬優(yōu)秀，序列3模擬重度污染各指標(biāo)參數(shù)。MATLAB程序運(yùn)行后，得到關(guān)聯(lián)度如圖9所示。

由圖9可知，關(guān)聯(lián)度排序?yàn)樾蛄?>序列1>序列3，即空氣品質(zhì)排序?yàn)樾蛄?最好，序列1次之，序列最差，與模擬數(shù)據(jù)設(shè)置一致。

圖9 灰色關(guān)聯(lián)分析法仿真圖

5 系統(tǒng)測試

為了驗(yàn)證方案的可行性與有效性，文中模擬某些指標(biāo)超標(biāo)情況。甲醛對人體危害較大，選用酒精替代實(shí)驗(yàn)，選用二氧化碳?xì)怏w及香煙燃燒產(chǎn)生的煙霧對本系統(tǒng)進(jìn)行測試。

5.1 采集終端運(yùn)行測試

系統(tǒng)上電啟動(dòng)后，等待傳感器預(yù)熱完成，系統(tǒng)穩(wěn)定顯示各傳感器數(shù)值，運(yùn)行狀況正常。如圖10所示。

圖10 采集終端運(yùn)行測試

5.2 監(jiān)測中心與采集終端聯(lián)合測試

本項(xiàng)測試過程主要進(jìn)行以下步驟：

1）采集終端上電，等待傳感器預(yù)熱。

2）連接采集終端創(chuàng)建的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)；

3）打開監(jiān)測中心軟件，設(shè)置服務(wù)端網(wǎng)絡(luò)相關(guān)配置信息。

4）成功建立通信連接后，導(dǎo)航界面實(shí)時(shí)監(jiān)測按鈕，進(jìn)入實(shí)時(shí)監(jiān)測界面。菜單欄選擇甲醛傳感器進(jìn)行監(jiān)測，使用乙醇溶液接近采集終端，可以明顯觀察到有一段曲線提升，甲醛中度超標(biāo)（乙醇模擬），二氧化碳濃度超標(biāo)，由上文灰色關(guān)聯(lián)分析法所設(shè)計(jì)空氣評價(jià)方法，左側(cè)顯示空氣品質(zhì)等級為中度污染。

5）歷史數(shù)據(jù)查詢

歷史數(shù)據(jù)查詢功能利用實(shí)時(shí)監(jiān)測界面設(shè)計(jì)，通過菜單欄控制進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)查詢切換。如圖11所示。

在查詢時(shí)間段選擇區(qū)域選擇需要查看的歷史數(shù)據(jù)時(shí)間段；然后在傳感器選擇菜單選擇需要觀察的傳感器。

如圖12可以得出，甲醛濃度有一段升高，與4）中使用乙醇溶液模擬甲醛超標(biāo)結(jié)果一致。

綜上，歷史查詢功能運(yùn)行正常。

圖11 監(jiān)測中心實(shí)時(shí)監(jiān)測功能測試

圖12 歷史數(shù)據(jù)查詢功能測試

綜上所述，本文設(shè)計(jì)采集終端、監(jiān)測中心及無線通信系統(tǒng)功能正常。

6 結(jié)束語

文中將嵌入式技術(shù)，傳感器技術(shù)，無線通信技術(shù)，RT-Thread嵌入式系統(tǒng)技術(shù)，C#編程技術(shù)等相關(guān)技術(shù)結(jié)合，設(shè)計(jì)了一個(gè)室內(nèi)空氣品質(zhì)無線監(jiān)測系統(tǒng)。經(jīng)過測試，各項(xiàng)功能正常，本系統(tǒng)具有一定的實(shí)用意義。

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