田悅妍 何揚(yáng) 杜霖 任光遠(yuǎn) 邳鵬

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)存在的問(wèn)題，提出了一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)。詳細(xì)闡述了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想、硬件結(jié)構(gòu)和軟件的設(shè)計(jì)方法。使用CC2530組成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，采用多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)室內(nèi)一氧化碳、二氧化碳、氧氣、甲醛、PM2.5以及溫濕度進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)結(jié)果并進(jìn)行超限報(bào)警。

關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò);空氣質(zhì)量;檢測(cè);

1背景

隨著社會(huì)發(fā)展水平的提高，室內(nèi)空氣環(huán)境質(zhì)量是人們追求幸福美好生活的重要關(guān)注點(diǎn)。我國(guó)對(duì)室內(nèi)空氣環(huán)境的治理要求在不斷地提高。2020年8月1日住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部頒布了新修訂的《民用建筑工程室內(nèi)環(huán)境污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50325-2020），對(duì)室內(nèi)空氣中污染物、污染物含量（釋放量）限量及測(cè)定方法、室內(nèi)裝飾裝修設(shè)計(jì)提出了污染控制預(yù)評(píng)估要求及材料選用具體要求、幼兒園、學(xué)校教室、學(xué)生宿舍等裝飾裝修提出了更加嚴(yán)格的污染控制要求、室內(nèi)空氣中污染物濃度限量值等方面做了最新修訂。傳統(tǒng)的室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)存在布置困難、組網(wǎng)通信不便等諸多固有缺點(diǎn)，本文基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，提出了一種針對(duì)室內(nèi)環(huán)境的空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)，將一氧化碳、二氧化碳、甲醛等氣體濃度傳感器布置于室內(nèi)各個(gè)區(qū)域，通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與處理，并能通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)連接上位機(jī)對(duì)用戶進(jìn)行報(bào)警等服務(wù)。

2室內(nèi)氣體無(wú)線檢測(cè)技術(shù)

目前無(wú)線傳輸通信技術(shù)主要有Zig Bee、紅外、藍(lán)牙、Wi-Fi、GPRS/GSM等。紅外線是一種頻率低于可見(jiàn)光的電磁波，其波長(zhǎng)較短，只適用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的短距離無(wú)線通信。藍(lán)牙使用通用的2.4GHz ISM頻段，使用IEEE802.15協(xié)議。藍(lán)牙具有跳頻的功能，安全性和抗干擾能力強(qiáng)，但傳輸距離較短，主要工作范圍在10米左右，經(jīng)過(guò)增加射頻功率可以擴(kuò)展到100米。Wi-Fi是IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)，其無(wú)線通信質(zhì)量有待進(jìn)一步提升，數(shù)據(jù)安全性能遜于藍(lán)牙，傳輸質(zhì)量也有待提高，優(yōu)點(diǎn)是傳輸速度非?？?，可以達(dá)到9.6Gbps。Zig Bee是一種近年來(lái)新興的基于IEEE的802 15.4標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線連接技術(shù)，使用2.4GHz頻段時(shí)最高速度可達(dá)250kbit/s，傳輸距離可達(dá)百米。Zig Bee具有低成本、易于組網(wǎng)等突出優(yōu)點(diǎn)，非常適用于大面積大范圍無(wú)線檢測(cè)系統(tǒng)。

3系統(tǒng)組成與工作原理

本系統(tǒng)采用Zig Bee技術(shù)作為無(wú)線組網(wǎng)通信方式。系統(tǒng)主要由傳感器節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器和監(jiān)控終端構(gòu)成。系統(tǒng)將無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)分布于室內(nèi)的監(jiān)測(cè)區(qū)域，這些傳感器節(jié)點(diǎn)以自組織和多跳的方式構(gòu)成無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)，傳感器節(jié)點(diǎn)自動(dòng)完成網(wǎng)絡(luò)偵測(cè)與加入，自動(dòng)完成組網(wǎng)通信，區(qū)域內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)自發(fā)感知，自主多跳組網(wǎng)，完成數(shù)據(jù)采集與傳輸處理，并通過(guò)協(xié)調(diào)器把感測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)控終端。

傳感器節(jié)點(diǎn)連接空氣質(zhì)量傳感器陣列，可以檢測(cè)CO、CO2、PM2.5、甲醛、臭氧、溫濕度等等空氣參數(shù)，節(jié)點(diǎn)之間采用ZigBee技術(shù)進(jìn)行無(wú)線組網(wǎng)。傳感器節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)采集處理后傳送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)處理后打包傳送給監(jiān)控終端。所有接收到的數(shù)據(jù)可以在監(jiān)控終端進(jìn)行處理、分析和顯示。系統(tǒng)可以預(yù)設(shè)各類空氣質(zhì)量參數(shù)閾值，當(dāng)相關(guān)參數(shù)超過(guò)閾值后，系統(tǒng)報(bào)警。

4系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1傳感器電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通過(guò)氣體傳感器陣列來(lái)檢測(cè)空氣質(zhì)量指標(biāo)參數(shù)。氣體傳感器能夠檢測(cè)相應(yīng)的氣體，并且經(jīng)過(guò)內(nèi)部電路或者外部電路處理之后顯示出來(lái)。衡量氣體傳感器優(yōu)劣的指標(biāo)主要有：穩(wěn)定性、靈敏度、選擇性、抗腐蝕性。氣體傳感器的分類主要有：半導(dǎo)體式氣體傳感器、電化學(xué)式氣體傳感器、接觸燃燒式氣體傳感器和光學(xué)式氣體傳感器。結(jié)合系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境和工程實(shí)際，同時(shí)考慮室內(nèi)空氣質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)，系統(tǒng)選擇6個(gè)傳感器搭建空氣質(zhì)量傳感器陣列，分別檢測(cè)室內(nèi)一氧化碳、二氧化碳、氧氣、甲醛、PM2.5以及溫濕度等空氣質(zhì)量參數(shù)。一氧化碳傳感器選用美國(guó)SPEC Sensors公司的3SP-CO-1000，其檢測(cè)量程為0-1000 ppm，檢測(cè)下限為0.5ppm，響應(yīng)時(shí)間一般小于15秒，工作溫度范圍為-30到55°C，濕度范圍為0到95%，功耗極低，只有10到50 u W。二氧化碳傳感器選用英國(guó)GSS CO2傳感器Coz IR-Blink，Coz IR-Blink是一款低功耗CO2傳感器，具有I2C接口，低功耗、長(zhǎng)壽命的紅外CO2傳感器，與Zig Bee，Wi-Fi，Lo Ra，藍(lán)牙，Sig Fox和En Ocean等無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)集成，非常適合低功耗、電池和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，具備自動(dòng)校準(zhǔn)功能，測(cè)量范圍為0-2000ppm，0-5000ppm和0-1%。氧氣傳感器選用英國(guó)alphasense公司的O2-M2，其為電化學(xué)氧氣傳感器，氧氣濃度測(cè)量范圍：0-30%，響應(yīng)時(shí)間小于15秒，全量程時(shí)線性誤差<0.6ppm。甲醛傳感器選用英國(guó)DART公司的WZ-S，其檢測(cè)量程為0-1ppm，分辨率達(dá)到0.001ppm，響應(yīng)時(shí)間小于90秒，低功耗，接口電路簡(jiǎn)單。PM2.5傳感器采用夏普公司光學(xué)型傳感器GP2Y1010AU0F，其通過(guò)電壓信號(hào)來(lái)指示當(dāng)前空氣質(zhì)量，單位是mg/m^3，其內(nèi)部放置紅外線發(fā)光二極管和光電晶體管，PM2.5粒子將光子散射到光電晶體管檢測(cè)區(qū)，引起光電晶體管電流的變化，經(jīng)過(guò)放大器處理，最終輸出模擬電壓信號(hào)。PM2.5粒子散射光的強(qiáng)度與其質(zhì)量濃度成正比，因此可從輸出的模擬電壓信號(hào)得到PM2.5粒子的濃度?？蓹z測(cè)0.8微米以上的微小粒子，靈敏度達(dá)到0.5V/（0.1mg/m3），體積小、重量輕、便于安裝應(yīng)用十分簡(jiǎn)便。需要特別指出的是，GP2Y1010AU0F傳感器工作時(shí)對(duì)驅(qū)動(dòng)其紅外線發(fā)光二極管提供的采樣周期、脈寬和采樣時(shí)間精準(zhǔn)度要求較高。除了提供紅外LED的驅(qū)動(dòng)脈沖外，還需要提供傳感器電源電壓，主要供給光電晶體管和放大器，輸入端電壓供給紅外發(fā)光二極管。溫濕度傳感器選用含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的AM2302，具有I2C接口，與處理器連接十分方便。溫度測(cè)量范圍：-40～+80℃，溫度精度：±0.5℃，濕度測(cè)量范圍：0～99.9%RH，濕度精度：±3%RH，功耗低，傳輸信號(hào)距離遠(yuǎn)。

4.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件部分設(shè)計(jì)是系統(tǒng)一個(gè)重要的部分，軟件程序編程直接決定了一個(gè)系統(tǒng)能否正常運(yùn)行。軟件系統(tǒng)由無(wú)線通信模塊、實(shí)時(shí)檢測(cè)模塊、參數(shù)設(shè)置以及輸出模塊組成。無(wú)線通信模塊用于系統(tǒng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)通信，實(shí)時(shí)檢測(cè)模塊用于室內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)并傳輸處理，參數(shù)設(shè)置以及輸出模塊用于室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的設(shè)定，以及檢測(cè)結(jié)果的輸出、存儲(chǔ)、打印以及超限報(bào)警等，空氣質(zhì)量參數(shù)設(shè)定參考《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 18883-2002）。本系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境是IAR軟件，程序設(shè)計(jì)基于Z-Stack協(xié)議棧，主要包括無(wú)線傳感器采集節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)。采集節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)底層空氣質(zhì)量傳感器數(shù)據(jù)的采集，而協(xié)調(diào)器一方面將上位機(jī)的監(jiān)控命令等信息下發(fā)到參數(shù)采集節(jié)點(diǎn);另一方面將各采集節(jié)點(diǎn)傳感數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)涉及五個(gè)方面：串命令I(lǐng)D;對(duì)各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集;數(shù)據(jù)校驗(yàn);數(shù)據(jù)上傳。無(wú)線傳感器檢測(cè)節(jié)點(diǎn)程序工作流程如下：傳感器節(jié)點(diǎn)上電后進(jìn)行初始化配置，之后將進(jìn)行無(wú)線網(wǎng)絡(luò)掃描并發(fā)送入網(wǎng)請(qǐng)求信號(hào)，確認(rèn)入網(wǎng)成功后利用定時(shí)器控制采樣率進(jìn)行周期性輪流采集傳感器信息，為減少誤差需對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑濾波處理后發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。為了降低傳感器節(jié)點(diǎn)能耗，節(jié)點(diǎn)空閑時(shí)將進(jìn)入休眠模式。

5結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)由多個(gè)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)組成無(wú)線傳感器室內(nèi)空氣檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)室內(nèi)環(huán)境中的一氧化碳、二氧化碳、氧氣、甲醛、PM2.5以及溫濕度等空氣質(zhì)量參數(shù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)及異常報(bào)警。系統(tǒng)采用低功耗、高精度的傳感器構(gòu)成空氣質(zhì)量參數(shù)檢測(cè)陣列，利用ZigBee技術(shù)組建無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)具有部署靈活、易于擴(kuò)展、響應(yīng)及時(shí)和檢測(cè)精度高等優(yōu)點(diǎn)。

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