張群慧

摘要：隨著社會的在不斷進步，人們日常生活水平顯著攀升，導致產(chǎn)品感染引發(fā)的不良反應日益增多，通過構建室內環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，保障室內潔凈無菌，降低產(chǎn)品污染機率成為目前迫切需要解決的關注點。然而，傳統(tǒng)的室內環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足當前需求，因此，構建室內環(huán)境智能化監(jiān)測系統(tǒng)，對各行各業(yè)發(fā)展具有重要作用。

Abstract： With the continuous progress of society， people's daily life level has risen significantly， leading to increasing adverse reactions caused by product infections. By building an indoor environment monitoring system， ensuring indoor cleanliness and sterility， and reducing the probability of product contamination has become an urgent concern that needs to be addressed. However， the traditional indoor environment monitoring system can no longer meet the current needs. Therefore， building an intelligent indoor environment monitoring system plays an important role in the development of various industries.

關鍵詞：無線傳感器;室內環(huán)境;監(jiān)測系統(tǒng)

Key words： wireless sensor;indoor environment;monitoring system

中圖分類號：TP274? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）32-0167-03

0? 引言

隨著科技的不斷進步，無線傳感器網(wǎng)絡作為一種全新信息處理技術，是在通信技術、微電子技術、計算機技術、傳感器技術等多種領域上綜合發(fā)展起來的，被廣泛應用于各個行業(yè)領域中，推動了生活與工作的智能化程度，促進了傳感器向低功耗與多功能發(fā)展[1]。文章探討了無線傳感器網(wǎng)絡的概念與進展，并基于該網(wǎng)絡架構，設計了一套室內環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，以保障室內環(huán)境滿足大部分行業(yè)生產(chǎn)需求，以此促進社會進一步發(fā)展。

1? 無線傳感器網(wǎng)絡的概述

新形勢下，我國在無線通信、電子技術、信息技術等多個領域中都取得了很大的發(fā)展，在此基礎上，傳統(tǒng)人工控制系統(tǒng)逐漸被取代，無線傳感器網(wǎng)絡順勢而為被廣泛應用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)與國防等多個領域，無線傳感器網(wǎng)絡的傳感器節(jié)點尺寸較小，在通信過程中，也能夠及時快速感知數(shù)據(jù)、采集數(shù)據(jù)并處理，其未來將發(fā)揮更大的作用、產(chǎn)生更大的價值。

在學術界和工業(yè)界，對無線傳感器網(wǎng)絡的研究關注與經(jīng)濟投入逐漸不斷增大;對于布線網(wǎng)絡部署技術難題，也擁有了切實有效的解決方案;對于人工無法到達的地帶，也能夠有辦法采集到相關傳感器數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的有效收集，無線傳感器網(wǎng)絡在多種方面如森林環(huán)境的監(jiān)控、氣象數(shù)據(jù)的采集等都能發(fā)揮重要作用[2]。

2? 無線傳感器網(wǎng)絡的室內環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的組成

2.1 室內環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的構成

在室內環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設計中，無線傳感器網(wǎng)絡作為基礎，傳感器對數(shù)據(jù)的采集、對環(huán)境的遠程監(jiān)測為整個系統(tǒng)應用提供了依據(jù)，為高層高效率的應用提供了數(shù)據(jù)保障。在整個室內環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，可直接將監(jiān)測系統(tǒng)作為一個數(shù)據(jù)采集節(jié)點，依照所采集的數(shù)據(jù)制定報警策略，也可將其拓展為多個節(jié)點構成的網(wǎng)絡，通過將節(jié)點采集的數(shù)據(jù)相互關聯(lián)，通過人機交互界面為工作人員展示室內環(huán)境相關數(shù)據(jù)[3]。

在監(jiān)測系統(tǒng)設計中，體系結構主要包含五部分：傳感器、數(shù)據(jù)處理、無線通信、數(shù)據(jù)庫與用戶界面，在本次室內環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計中，數(shù)據(jù)處理、無線通信兩個模塊的設計最為關鍵。因為，在監(jiān)測系統(tǒng)對室內環(huán)境進行監(jiān)測時，傳感器收集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理和無線通信模塊根據(jù)收集的數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)庫內的數(shù)據(jù)進行處理與分析，并將結果展現(xiàn)在用戶界面，達到監(jiān)測室內環(huán)境的有效性、便利性目的。

2.2 系統(tǒng)參數(shù)

在監(jiān)測系統(tǒng)對室內環(huán)境進行監(jiān)測時，影響監(jiān)測結果的因素較多，如：溫度、有害氣體的濃度、光照的強度、懸浮顆粒物的濃度、室內氣壓等，都直接影響著室內環(huán)境，同時，溫度與風速也會影響室內環(huán)境，進而影響整個監(jiān)測系統(tǒng)。其中，空氣溫濕度、顆粒物濃度與光照強度、氣壓等的影響最大[4]。在監(jiān)測系統(tǒng)設計中，應了解幾項參數(shù)對室內環(huán)境質量的影響。

①溫度：無論是人體居住環(huán)境、農(nóng)作物生長環(huán)境，還是產(chǎn)品生產(chǎn)環(huán)境等，溫度是衡量環(huán)境是否適宜的指標，對各項生理活動都會帶來影響，對于某些器械設備、產(chǎn)品質量也會產(chǎn)生影響。②濕度：空氣濕度過高會增大病原體繁殖，破壞產(chǎn)品本身的質量，導致用戶對產(chǎn)品出現(xiàn)不良反應。若空氣濕度過低，則空氣中的顆粒物將增多，還會對任意的水平衡帶來影響，因此，應將室內濕度控制在合理范圍。③顆粒物濃度：顆粒物濃度不僅反應了空氣質量，還會威脅人體健康，是室內環(huán)境的關鍵指標。一旦室內顆粒物濃度過高，極易導致人體出現(xiàn)呼吸道等各項疾病，因此，實時監(jiān)測室內顆粒物濃度，對改善室內環(huán)境具有關鍵作用。④光照強度：在室內環(huán)境監(jiān)測中，光照大多源于人工光源，若自然光源充足，可減少人工光源的使用，節(jié)約能源，促進人們、動植物等健康成長。⑤氣壓：在多項產(chǎn)品生產(chǎn)中，對室內氣壓要求較高，若無法達到要求，極易影響質量，而氣壓的監(jiān)測，能夠實時掌握并全面控制氣壓變化，避免外界因素影響氣壓。

3? 無線傳感器網(wǎng)絡的室內環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計

3.1 室內環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)總體功能設計

在本次室內環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計中，無線傳感器網(wǎng)絡基于ZigBee技術，通過Linux開源軟件操作系統(tǒng)平臺、QT嵌入式軟件開發(fā)平臺實現(xiàn)。在系統(tǒng)總功能設計中，應實現(xiàn)以下目標：

①在ZigBee技術的基礎上，設計適宜的網(wǎng)絡拓撲結構，使整個拓撲結構覆蓋整個室內，對室內環(huán)境進行全方位檢測。

②ZigBee技術下的網(wǎng)絡拓撲結構應在室內從整體和細節(jié)兩個方向部署傳感器節(jié)點，其中包含協(xié)調器節(jié)點、終端節(jié)點、路由網(wǎng)關節(jié)點，使無線傳感器網(wǎng)絡擁有自發(fā)組織功能，以此及時發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡中的故障節(jié)點、新增節(jié)點與刪除節(jié)點，以此快速鏈接網(wǎng)絡，發(fā)揮自組織網(wǎng)絡的各項功能，實現(xiàn)網(wǎng)絡的自動修復與自適應能力，優(yōu)化節(jié)點管理部署，全面覆蓋室內空間。

③以協(xié)議棧、IAR編譯環(huán)境對系統(tǒng)程序進行編寫，保障系統(tǒng)對室內環(huán)境的溫濕度、顆粒物濃度、光照強度等的準確及時監(jiān)測。無線傳感器網(wǎng)絡應用下的室內環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要擁有三個功能，環(huán)境信息的采集、傳輸與處理。

1）室內環(huán)境的信息采集功能。在室內環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計中，信息采集功能主要利用節(jié)點部署、無線傳感器實現(xiàn)對室內環(huán)境參數(shù)的采集，以此對室內當前溫濕度、光照強度、空氣顆粒物等快速采集[5]。2）室內環(huán)境信息傳輸功能。在無線傳感器的各個節(jié)點采集室內參數(shù)信息后，數(shù)據(jù)信息會經(jīng)過無線網(wǎng)傳輸至匯聚節(jié)點，保障監(jiān)測系統(tǒng)及時將采集的室內環(huán)境信息在人機交互界面展現(xiàn)，以供人們觀察時刻控制室內環(huán)境。信息傳輸需要經(jīng)過如下過程：無線傳感器的各個節(jié)點會對周圍環(huán)境感應并量化為數(shù)據(jù)，通過有線網(wǎng)或無線網(wǎng)，節(jié)點信息被傳輸?shù)絑igBee匯聚節(jié)點，后通過串口將匯聚的節(jié)點信息傳輸至監(jiān)測系統(tǒng)服務器，由顯示屏展示采集的實時數(shù)據(jù)。3）室內環(huán)境信息處理功能。室內環(huán)境相關參數(shù)信息被傳輸?shù)江h(huán)境監(jiān)測裝置后，若傳感器發(fā)現(xiàn)信息值超出之前設置的臨界值，檢測裝置應及時預警，并將相關數(shù)據(jù)存儲至服務器內的數(shù)據(jù)庫，便于用戶觀察所采集的歷史信息，了解信息超出臨界值的原因并解決，快速將室內環(huán)境恢復至臨界值內，滿足用戶需求。

3.2 室內環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)總體架構設計

本次設計中，為提高室內環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性、時延的短暫性、低功耗、大存量等，無線傳感器網(wǎng)絡可采用ZigBee技術。在監(jiān)測系統(tǒng)設計中，系統(tǒng)應具備數(shù)據(jù)的實時、全面采集功能，以及路由節(jié)點數(shù)據(jù)的傳輸功能，以此便于ARM系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的快速處理。ARM的應用，能夠每5秒對服務器進行一次檢測，以便及時對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行處理，并快速將處理結果展示在QT平臺所開發(fā)的監(jiān)測系統(tǒng)顯示屏上，便利用戶對室內環(huán)境的掌握。室內環(huán)境檢測系統(tǒng)的總體架構關系如圖1所示。

在室內環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，因系統(tǒng)采用了無線傳感器網(wǎng)絡，所以，系統(tǒng)總架構應具有三個層面：信息感知與傳輸層面、信息采集與處理層面、信息管理與決策層面。

①信息感知與傳輸層面：室內環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)通過傳感器節(jié)點監(jiān)測室內溫濕度、空氣顆粒物等，并將所采集的環(huán)境信息通過ZigBee技術構建的無線網(wǎng)絡傳輸至服務器。其中，傳感器的節(jié)點主要是對室內溫濕度、室內光照、氣體濃度、顆粒物濃度等進行感知，并量化為參數(shù)信息，通過匯聚節(jié)點將所有參數(shù)信息集中，并通過路由器轉發(fā)信息，實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的實時處理。

②信息采集與處理層：在此次監(jiān)測系統(tǒng)設計中，數(shù)據(jù)信息處理采用的是ARM嵌入式技術，通過將數(shù)據(jù)結構在服務器上匯總，有效組織所采集的室內環(huán)境參數(shù)并管理，最終將數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫內，為后續(xù)數(shù)據(jù)對比、異常數(shù)據(jù)剔除與問題解決提供數(shù)據(jù)支撐。在該層面中實現(xiàn)了串口設置、傳感器數(shù)據(jù)的顯示、信息接收與轉發(fā)等功能，ARM處理器在串口對ZigBee匯聚的節(jié)點信息有效讀取，為室內環(huán)境的顯示提供堅實依據(jù)。

③信息管理與決策層：在對室內環(huán)境監(jiān)測中，環(huán)境信息采集完成，數(shù)據(jù)處理層應將采集的信息傳輸至PC機，由PC機在數(shù)據(jù)庫后臺實現(xiàn)對室內環(huán)境的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)管理，形成歷史數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)，為室內環(huán)境監(jiān)測提供管理和決策功能。例如用戶可依照室內溫濕度情況對室內環(huán)境進行調節(jié)，若室內濕度較低，可通過加濕器提高室內濕度。同時利用PC機可以方便信息數(shù)據(jù)的查詢和解析。

3.3 系統(tǒng)安全架構設計

在室內環(huán)境監(jiān)測中，無線傳感器網(wǎng)絡作為基礎，具有無限性、廣泛性與擴散性，極易跨區(qū)域，容易產(chǎn)生信息安全問題。對此，由無線傳感器網(wǎng)絡的安全性方面看，應重視網(wǎng)絡安全架構設計，保障信息服務器的安全，避免服務器因黑客、病毒等導致宕機，影響整個室內環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)運行。同時，還應保障無線傳感器的外網(wǎng)安全，避免非法用戶侵入系統(tǒng)，因此，積極利用防火墻、限制登錄等方式，保障無線傳輸器的信息安全與完整。系統(tǒng)安全架構層次如圖2所示。

為保障室內環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的安全架構層次完整，必須具備以下安全層面：數(shù)據(jù)加密層面、數(shù)據(jù)控制層面、用戶管理層面、安全防護層面。四個層面具有如下功能：

①數(shù)據(jù)加密層面：在對室內無線傳感器網(wǎng)絡進行操作時，應保障遠程接入的數(shù)據(jù)安全，以此保障室內環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測結果的保密和準確性。②數(shù)據(jù)控制層面：若對整棟樓層的室內環(huán)境進行監(jiān)測，人員較多且分布于不同的樓層，在系統(tǒng)網(wǎng)絡設計中，如何有效合理控制各個節(jié)點成為關鍵。③安全防護層面：安全防護層主要用來預防網(wǎng)絡病毒與黑客入侵，通過對用戶認證和用戶管理，避免非法入侵，保障數(shù)據(jù)傳輸、存儲等的安全性，準確發(fā)揮室內環(huán)境監(jiān)測的作用。④用戶管理層面：無線傳感器網(wǎng)絡在收集各個節(jié)點各種不同的環(huán)境數(shù)據(jù)時，應對每個節(jié)點分配固定標識，依照用戶信息制定訪問權限，有效控制用戶的訪問，避免非法用戶入侵系統(tǒng)，影響整個系統(tǒng)的監(jiān)測結果。

3.4 系統(tǒng)硬件設計

①傳感器模塊：依照室內環(huán)境的要求，選擇溫濕度、空氣顆粒物、氣壓作為關鍵指標，對室內環(huán)境進行監(jiān)測，思考室內體積、成本消耗等因素，無線傳感器網(wǎng)絡可選擇如下型號：溫濕度傳感器可選擇DHT11，測量范圍在0～50℃，濕度為20～95%;氣壓傳感器，選擇型號BMP180，測量范圍在300～1100hPa;空氣顆粒物傳感器，型號為DSL-03，測量范圍在0～999μg/m3。

3.5 室內環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)軟件設計

在對系統(tǒng)軟件進行設計時，應做好傳感器模塊、ZigBee組網(wǎng)模塊、網(wǎng)關模塊的軟件開發(fā)設計。在對ZigBee組網(wǎng)模塊的軟件展開設計時，應將協(xié)調器節(jié)點的軟件、終端節(jié)點的軟件設計包含其中。應對室內環(huán)境的空氣顆粒物濃度、溫濕度、氣壓等信息進行緩存，形成一個隊列，在采集數(shù)據(jù)中，為有效去除各項因素的干擾，應利用中值濾波、滑動均值濾波算法處理數(shù)據(jù)。

4? 總結

綜上所述，為構建適宜所需的室內環(huán)境，文章基于無線傳感器網(wǎng)絡構建了室內環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，通過相關軟硬件的設計、開發(fā)與應用，結果顯示：該室內環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)能夠準確、及時、有效的監(jiān)測室內空氣溫濕度、氣壓、空氣顆粒物濃度等具體數(shù)據(jù)，為室內環(huán)境的控制提供了有效的方案和便利的措施，為生產(chǎn)的順利進行、保障產(chǎn)品良好質量奠定了堅實的環(huán)境監(jiān)控預警基礎。

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