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        基于數(shù)據(jù)分析的甲醛與PM2.5無線監(jiān)控與預(yù)測系統(tǒng)

        2019-08-23 05:34:47趙麗鄭艷芳田會峰張寶芳王俊杰
        現(xiàn)代電子技術(shù) 2019年16期
        關(guān)鍵詞:污染監(jiān)測趨勢分析遠(yuǎn)程監(jiān)控

        趙麗 鄭艷芳 田會峰 張寶芳 王俊杰

        摘? 要: 針對室內(nèi)環(huán)境的甲醛和PM2.5的濃度測量與預(yù)測的需求,設(shè)計基于MEGA2560微控制器和ZigBee的無線監(jiān)控預(yù)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于數(shù)據(jù)分析,采用ZigBee、藍(lán)牙等多種無線通信技術(shù)通過節(jié)點對甲醛、PM2.5進(jìn)行污染監(jiān)測,并發(fā)送數(shù)據(jù)到主機(jī)。主機(jī)對各個節(jié)點的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,并在人機(jī)交互界面上能夠顯示各個節(jié)點的實時污染狀態(tài)、歷史數(shù)據(jù)、趨勢曲線、工作狀態(tài)等。同時能夠在污染物濃度超過閾值時進(jìn)行報警,通過算法對甲醛、PM2.5濃度進(jìn)行趨勢分析,算出其達(dá)到正常值的時間,再以液晶屏顯示、語言播報形式提示用戶。此外,還能夠?qū)⒁陨蟼髦潦謾C(jī)上,實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。實驗結(jié)果表明,該系統(tǒng)能夠?qū)崟r地監(jiān)控各個節(jié)點的工作運行情況,可以滿足室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測的要求。

        關(guān)鍵詞: 數(shù)據(jù)分析; 污染監(jiān)測; ZigBee通信; 人機(jī)交互界面; 趨勢分析; 遠(yuǎn)程監(jiān)控

        中圖分類號: TN921?34; TP391.8? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號: 1004?373X(2019)16?0053?05

        0? 引? 言

        隨著我國環(huán)保理念的提出,人們在關(guān)注大氣污染的同時也開始關(guān)注室內(nèi)空氣的污染。在室內(nèi)污染中,甲醛和PM2.5是主要的污染源。研究表明,甲醛存在強(qiáng)烈的致癌和促癌作用。有文獻(xiàn)報道:甲醛對人體健康的影響主要表現(xiàn)在嗅覺異常、刺激、過敏、肺功能異常、肝功能異常和免疫功能異常等方面[1]。新裝修的房間甲醛含量較高,是眾多疾病的主要誘因。PM2.5指環(huán)境空氣中空氣動力學(xué)當(dāng)量直徑小于等于2.5 μm的顆粒物,空氣中含量越高,說明空氣污染越嚴(yán)重。與較粗顆粒物相比,PM2.5粒徑小、表面積大、活性強(qiáng)、易附帶有毒有害物質(zhì)、停留時間長、輸送距離遠(yuǎn),對人體健康和大氣環(huán)境質(zhì)量有非常大的影響。PM2.5可引起人群日總死亡率升高,影響呼吸系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)、心血管與神經(jīng)系統(tǒng)以及生殖系統(tǒng)功能,造成相關(guān)疾病的發(fā)病率及死亡率升高[2]。目前,世界主要發(fā)達(dá)國家以及亞洲的泰國和印度等國家都已將PM2.5列入空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。因此,在保護(hù)空氣環(huán)境的同時,研究一種可以實時、靈敏、快速、直觀地監(jiān)測甲醛及PM2.5的系統(tǒng)十分重要。

        1? 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

        本系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心,實現(xiàn)對甲醛、PM2.5監(jiān)測的基本控制功能。系統(tǒng)主要功能包括:數(shù)據(jù)采集、無線通信、數(shù)據(jù)分析、人機(jī)交互、趨勢預(yù)測及語音播報等功能。各個節(jié)點實時采集甲醛、PM2.5數(shù)值并通過ZigBee與主機(jī)通信,主機(jī)對節(jié)點信息進(jìn)行處理,顯示濃度信息并繪制預(yù)測曲線,當(dāng)超出標(biāo)準(zhǔn)值時報警。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

        2? 系統(tǒng)硬件設(shè)計

        系統(tǒng)由節(jié)點與主機(jī)兩部分組成,節(jié)點負(fù)責(zé)采集各個點的甲醛、PM2.5數(shù)據(jù)并通過ZigBee上傳給主機(jī),當(dāng)數(shù)據(jù)超出標(biāo)準(zhǔn)值時,節(jié)點會產(chǎn)生報警信息;主機(jī)接收各個節(jié)點的數(shù)據(jù)并通過觸摸屏顯示控制,并可以實時播報所選節(jié)點的信息,也可以用手機(jī)通過藍(lán)牙控制主機(jī)。節(jié)點與主機(jī)的系統(tǒng)框圖如圖2和圖3所示。

        2.1? ZigBee通信模塊設(shè)計

        ZigBee是基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗個域網(wǎng)協(xié)議,而ZigBee通信技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線組網(wǎng)通信技術(shù),可用于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域。

        本文采用的是遠(yuǎn)程控制這一特點,ZigBee通信作為電源模塊和上位機(jī)之間的連接橋,其可實現(xiàn)無線透明高速傳輸,有效地保證了整個系統(tǒng)的快速反應(yīng)。本系統(tǒng)使用的德州儀器公司的CC2530 ZigBee芯片。系統(tǒng)中傳感器檢測點有多個,所以必須實現(xiàn)多點間通信。每個傳感器模塊分別對應(yīng)一個ZigBee信號發(fā)送,主機(jī)設(shè)置一個ZigBee信號接收模塊。CC2530芯片原理圖如圖4所示。

        2.2? JQ6500語音模塊設(shè)計

        JQ6500是一款提供串口的MP3芯片,它集成了MP3和WMV硬解碼。同時軟件支持TF卡驅(qū)動,支持電腦直接更新SPI內(nèi)容的閃存SPI FLASH的內(nèi)容,支持FAT16,F(xiàn)AT32文件系統(tǒng)。該芯片的最大優(yōu)點是可以靈活替代 SPI FLASH中的語音內(nèi)容,避免需要安裝主機(jī)的語音芯片替代語音的麻煩,使產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)變得簡單易行。語音功放原理和語音芯片接口原理圖如圖5和圖6所示。

        2.3? 甲醛傳感器模塊設(shè)計

        甲醛檢測儀采用英國達(dá)特(DART)公司生產(chǎn)的甲醛傳感器。該傳感器測量精度高、響應(yīng)速度快、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)。這是一種雙電極電化學(xué)傳感器,由擴(kuò)散原理實現(xiàn),無需外部采樣硬件。當(dāng)存在甲醛氣體時,將會有非常小的直流產(chǎn)生;傳感器本身不需要電源,但產(chǎn)生的電流需要外部數(shù)據(jù)采集才能將其轉(zhuǎn)換為可讀信號,甲醛傳感器的原理圖如圖7所示。

        2.4? PM2.5傳感器模塊設(shè)計

        夏普(SHARP)光學(xué)灰塵傳感器(GP2Y1010AU0F)在檢測香煙煙霧等非常細(xì)小的顆粒方面特別有效,是一種常見的空氣凈化系統(tǒng)。該裝置中,紅外發(fā)光二極管和光電晶體管對角排列,使其能夠檢測到空氣中的灰塵反射光。檢測原理:傳感器中心有一個孔讓空氣自由流動,定向發(fā)出LED光,并通過檢測空氣中灰塵折射后的光線來確定灰塵的含量,夏普PM2.5粉塵傳感器電路圖如圖8所示。

        3? 系統(tǒng)軟件設(shè)計

        3.1? 主程序設(shè)計

        整個設(shè)計系統(tǒng)要完成的主要任務(wù)是驅(qū)動傳感器,采集傳感器輸出的電壓值,通過單片機(jī)的實時計算,在LCD上顯示出測量的甲醛、PM2.5濃度值,通過擬合關(guān)系,繪出趨勢圖。主機(jī)運行流程如圖9所示,串口屏幕顯示歡迎界面,點擊該界面進(jìn)入主菜單,分別有概覽和說明,點入概覽后顯示3個節(jié)點詳情,判斷是否按下節(jié)點,如果按下則顯示該節(jié)點的詳情信息,并判斷是否按下該節(jié)點的燈開關(guān)按鈕,進(jìn)行開關(guān)燈操作。

        3.2? 節(jié)點軟件主程序設(shè)計

        節(jié)點進(jìn)行PM2.5、甲醛濃度的檢測,并對檢測結(jié)果濾波,同時進(jìn)行指令判斷,如果有開關(guān)燈指令就進(jìn)行開關(guān)燈操作,如果有上傳指令則上傳測試結(jié)果。節(jié)點流程圖如圖10所示。

        3.3? ZigBee組網(wǎng)程序設(shè)計

        系統(tǒng)中傳感器檢測點有多個,所以必須實現(xiàn)多點間通信。每個傳感器模塊分別對應(yīng)一個ZigBee信號發(fā)送,主機(jī)設(shè)置一個ZigBee信號接收模塊。此外,必須考慮防止數(shù)據(jù)包在空氣中的傳輸時相互碰撞,為了建立可靠的無線傳輸通路,考慮采用頻分多址(FDMA)。FDMA技術(shù)將可用的頻率帶寬拆分為具有較窄帶寬的子信道,這樣每個子信道均獨立于其他子信道,從而可被分配給單個發(fā)送器,組網(wǎng)流程圖如圖11所示。

        3.4? 數(shù)字濾波

        最終采用數(shù)字濾波算法來解決PM2.5的干擾問題。這種濾波方式適用于實時性較強(qiáng)的系統(tǒng),可以加快數(shù)據(jù)處理的速度,可以有效抑制脈沖干擾和周期性干擾,提高濾波算法的靈敏度,應(yīng)用該種算法使PM2.5傳感器的測試結(jié)果趨于正常。

        滑動平均濾波器是一種有限脈沖濾波器,其是通過平均濾波改進(jìn)而得來。它是通過一個長度為N的滑動窗,沿離散時間不斷向前滑動,每隔一個采樣周期向前滑動一次。設(shè)滑動時窗的采樣寬度為T,采樣點數(shù)為N,并設(shè)置N個存放采樣數(shù)據(jù)的緩沖區(qū),為反應(yīng)信號的實時變化,按計數(shù)值[k(k=0,1,2,…,N-1)]依次更新并存放當(dāng)前采樣數(shù)據(jù)[i(k)],即當(dāng)采樣第K個點時,用當(dāng)前采樣周期的新信息覆蓋前一個采樣周期的同位置信息,每次采樣新數(shù)據(jù)只覆蓋緩沖區(qū)中的一個舊數(shù)據(jù),其他N-1個數(shù)據(jù)無變化,由此得出滑動平均值濾波器的遞推公式為:

        [i(k)=i(k-1)+(i(k)-i(k-N))N]

        式中:[i(k)]為采樣值;[i(k)]為輸入[i(k)]的移動平均值;N為數(shù)據(jù)緩沖器長度[3]。

        該濾波方法既能有效地抑制脈沖干擾和周期性干擾,又能提高濾波算法的靈敏度。

        4? 系統(tǒng)運行及改進(jìn)

        經(jīng)過不斷調(diào)試,本系統(tǒng)運行良好,能夠迅速測出并預(yù)算出甲醛和PM2.5曲線,最終得到甲醛和PM2.5的趨勢圖如圖12和圖13所示。

        本系統(tǒng)尚存在一些不足,后期需在以下幾個方面不斷完善:

        1) 利用云服務(wù),開發(fā)WiFi客戶端,實現(xiàn)全平臺適配;

        2) 改進(jìn)算法,提高預(yù)測的精度。

        5? 結(jié)? 語

        針對室內(nèi)環(huán)境的甲醛和PM2.5的濃度測量與預(yù)測的需求,設(shè)計了基于MEGA2560微控制器和ZigBee的無線監(jiān)控預(yù)測系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明,該系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)控各個節(jié)點的工作運行情況,可以滿足室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測的要求。本系統(tǒng)克服了市面上已有產(chǎn)品的沒有歷史數(shù)據(jù)記錄、沒有分析功能、沒有污染趨勢計算以及不能對環(huán)境污染物的趨勢進(jìn)行分析等弊端,實現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控、趨勢分析、歷史報表等高級功能,符合智能化、遠(yuǎn)程化、人性化的物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展趨勢。

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