基于IoT的二氧化碳濃度檢測(cè)及通風(fēng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李萬鵬等

摘 要：目前，在北方地區(qū)很多地方都用地窖來存放蔬菜和水果，人們?cè)谙碌亟讶∷栉锲非靶枰ㄙM(fèi)很長時(shí)間去通風(fēng)來排放地窖中的二氧化碳?xì)怏w等，這就在時(shí)間和效率上浪費(fèi)了很多資源。本設(shè)計(jì)在調(diào)研實(shí)際需求和應(yīng)用環(huán)境的基礎(chǔ)上，針對(duì)目前在地窖方面人工下地窖存在的弊端，提出基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的通風(fēng)控制系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)不僅適用于地窖、煤礦及其深洞，也適用于具有多氣體濃度檢測(cè)環(huán)境等。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；二氧化碳濃度檢測(cè)；通風(fēng)控制

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-2163（2015）01-

Abstract：Nowadays，people in northern area use cellarsto to place vegetables and fruits.They have to spend a lot of time to let carbon dioxide and other gas off. It wastes a lot of resources in time and efficiency. With the survey research on the practical demand and application environment based，aiming at the abuse of artificial work under callars，this design brings up a ventilation control system based on Internet of Things technology.It may apply to cellars，coal mines or its deep holes and environment detection with a variety of gas.

Key word：IoT； Carbon Dioxide Concentration Detection； Ventilation Control

0 引 言

在北方，地窖多是用于存放蔬菜和水果，而若要取出儲(chǔ)在地窖中的物品時(shí)，就需要進(jìn)入地窖。但由于地窖是密封空間，其內(nèi)部蔬菜和水果通過呼吸作用將釋放大量二氧化碳等氣體，導(dǎo)致地窖內(nèi)二氧化碳濃度過高，人們?cè)谶M(jìn)入的時(shí)候會(huì)發(fā)生頭暈甚至休克窒息死亡現(xiàn)象。為了避免這一現(xiàn)象發(fā)生，就需要提前進(jìn)行通風(fēng)。通風(fēng)的傳統(tǒng)方式就是打開地窖的蓋子實(shí)行自然通風(fēng)，這一方式在時(shí)間和效果上都很不理想。因而需要一種更加有效、更加省時(shí)的方法，使得進(jìn)入到地窖中的安全性能夠得到切實(shí)充分的保障。

在過去最常見、最簡單的方法，就是人們?cè)谶M(jìn)入地窖之前，拿一個(gè)蠟燭放在地窖入口處，如果蠟燭熄滅了，則證明地窖內(nèi)的二氧化碳?xì)怏w濃度過高、需要通風(fēng)，且此時(shí)并不適合進(jìn)入。但是這種方法只能適用于個(gè)體家庭或小型地窖，那么如果是大型的儲(chǔ)存室或者地窖，這種方法就顯得過于粗糙了。目前常用的檢測(cè)二氧化碳濃度的方法有色譜法，奧式氣體分析儀法，但色譜法[1-2]只適合檢測(cè)低含量的二氧化碳；奧式氣體分析儀法[3]卻也因含量太高太低而難得準(zhǔn)確。目前，市面上推出多種專用的二氧化碳分析儀，其中主要利用非分散紅外原理[4-5]，并具有精度高，穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。而且，儀器采樣方式分為泵吸式與擴(kuò)散式，具體地：泵吸式儀器特點(diǎn)是反應(yīng)速度快，適用于快速測(cè)定密閉空間和不容易進(jìn)入地方的二氧化碳濃度，而擴(kuò)散式儀器則僅適合需要長時(shí)間監(jiān)測(cè)二氧化碳濃度的一個(gè)區(qū)域，同時(shí)還可記錄一段時(shí)間內(nèi)的濃度變化?；诖耍鞠到y(tǒng)采用的是便攜式泵吸紅外數(shù)顯二氧化碳變送器，可以做到快速測(cè)定在地窖中的二氧化碳濃度，從而為安全進(jìn)入地窖做好必要準(zhǔn)備。

1系統(tǒng)功能描述

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)再現(xiàn)了一個(gè)典型的物聯(lián)網(wǎng)完整架構(gòu)，包含感知層，網(wǎng)絡(luò)層與應(yīng)用層。由于在比較深的地窖中，越深的地方二氧化碳濃度越高，因此深度不同即會(huì)導(dǎo)致二氧化碳的濃度也隨之不同。本系統(tǒng)通過在地窖內(nèi)從低到高依次安裝多個(gè)二氧化碳傳感器，將可在同一時(shí)間檢測(cè)多范圍內(nèi)的二氧化碳的濃度，并以低于海平面最低的傳感器數(shù)值作為基準(zhǔn)，協(xié)同判斷是否啟動(dòng)自動(dòng)通風(fēng)系統(tǒng)，從而有效地解決人們進(jìn)入地窖的安全問題。

本系統(tǒng)主要完成二氧化碳濃度檢測(cè)、數(shù)據(jù)傳輸、警報(bào)、啟動(dòng)通風(fēng)控制系統(tǒng)等功能，詳細(xì)論述分別如下：

（1）二氧化碳濃度檢測(cè)

通過繼電器和二氧化碳變送器組成的二氧化碳傳感器，對(duì)地窖內(nèi)的二氧化碳濃度進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)后的數(shù)據(jù)將通過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，實(shí)物如圖1所示。

（2）數(shù)據(jù)傳輸

采用Zigbee技術(shù)對(duì)實(shí)際采集并數(shù)字化后的信息進(jìn)行傳輸，即借助網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)無線傳送至服務(wù)器端，服務(wù)器端則將數(shù)據(jù)傳到一個(gè)數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行存儲(chǔ)。

（3）警報(bào)

根據(jù)數(shù)據(jù)異常，啟動(dòng)預(yù)先設(shè)置的報(bào)警方式及裝置，即警報(bào)信號(hào)燈點(diǎn)亮并發(fā)出報(bào)警信息，此時(shí)就可以啟動(dòng)通風(fēng)控制系統(tǒng)對(duì)地窖進(jìn)行通風(fēng)。

（4）通風(fēng)控制系統(tǒng)

接收到警報(bào)信息后，系統(tǒng)將啟動(dòng)執(zhí)行通風(fēng)控制的程序，另外還需要一個(gè)繼電器來控制通風(fēng)設(shè)備，從而達(dá)到自動(dòng)進(jìn)行通風(fēng)的目的，當(dāng)然也可以由用戶自己手動(dòng)控制通風(fēng)系統(tǒng)。當(dāng)?shù)亟褍?nèi)的二氧化碳值降為安全值后，系統(tǒng)就會(huì)關(guān)閉通風(fēng)系統(tǒng)。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

（1）軟件環(huán)境

操作系統(tǒng)：Windows 7、Windows 8；

開發(fā)平臺(tái)：Visual Studio 2012；

開發(fā)語言：C#；Java；

其它軟件：SQL server 2008 R2，visio_2010。

（2）硬件環(huán)境

計(jì)算機(jī)：CPU intel i5處理器；內(nèi)存4G；硬盤500G；

控制設(shè)備：二氧化碳濃度變送器；繼電器；無線網(wǎng)關(guān)；離心式風(fēng)機(jī)。

軟件系統(tǒng)主要分為初始化模塊、信息采集模塊、信息傳輸模塊、信息接收模塊、數(shù)據(jù)分析、報(bào)警和通風(fēng)系統(tǒng)等七個(gè)模塊，如圖2所示。

將四個(gè)二氧化碳傳感器從低到高安置于地窖內(nèi)，位置最好是濃度差比較大的地方，檢測(cè)出濃度值，然后，通過無線傳播（如圖3所示），將數(shù)據(jù)傳送到PC機(jī)上（如圖4所示），再通過二氧化碳濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的程序?qū)Σ杉蟮臄?shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和判斷，如果測(cè)到的四個(gè)傳感器內(nèi)的最大值處于危害人體健康的濃度范圍，則可通過相應(yīng)的程序提示報(bào)警信息，表示“濃度過高，請(qǐng)開啟通風(fēng)系統(tǒng)”，操作人員即通過相應(yīng)信息，進(jìn)行相關(guān)操作。整個(gè)系統(tǒng)的流程圖如圖5所示。

3測(cè)試結(jié)果

針對(duì)各類范圍內(nèi)的二氧化碳濃度含量，現(xiàn)給出與其相關(guān)的人體生理反應(yīng)如下：

（1）350～450ppm：同一般室外環(huán)境。

（2）350～1000ppm：空氣清新，呼吸順暢。

（3）1 000～2 000ppm：感覺空氣渾濁，并開始覺得昏昏欲睡。

（4）2 000～5 000ppm：感覺頭痛、嗜睡、呆滯、注意力無法集中、心跳加速、輕度惡心。

（5）大于5 000ppm：可能導(dǎo)致嚴(yán)重缺氧，造成永久性腦損傷、昏迷、甚至死亡。

由于本設(shè)計(jì)是以人們生命安全作為研究側(cè)重，所以系統(tǒng)的檢測(cè)時(shí)間至為關(guān)鍵，要求本系統(tǒng)的檢測(cè)時(shí)間必須小于30秒。

經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)測(cè)試，本系統(tǒng)可以準(zhǔn)確測(cè)取當(dāng)前環(huán)境的二氧化碳濃度值，而在系統(tǒng)模擬二氧化碳濃度超過閾值1 000ppm時(shí)，系統(tǒng)的報(bào)警模塊與通風(fēng)系統(tǒng)也可以正常運(yùn)行。系統(tǒng)的平均檢測(cè)時(shí)間為15秒，且系統(tǒng)每10秒中將會(huì)自動(dòng)刷新一次。系統(tǒng)測(cè)試參數(shù)如圖6所示。其中，propvalues即為測(cè)試到的二氧化碳的數(shù)值。

4結(jié)束語

本設(shè)計(jì)采用典型的物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了二氧化碳濃度檢測(cè)及通風(fēng)控制系統(tǒng)，有效地解決了人們進(jìn)入地窖時(shí)的安全隱患。而且本設(shè)計(jì)不只局限于大型的地窖，也可應(yīng)用于煤礦，或野外探測(cè)地洞等領(lǐng)域。

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