基于EnOcean?WiFi的遠程室內空氣監測系統研究

安艷萍 錢平 陳超群

摘 要： 針對空氣質量影響著人類的生活與健康的問題，設計一種基于EnOcean和WiFi雙重網絡的無線無源遠程智能監測系統。空氣檢測傳感器節點之間采用EnOcean協議進行通信，經過EnOcean轉WiFi模塊將傳感器采集的信息傳輸到云端，上位機利用LabVIEW對云端信息進行分析后，定時推送信息，對空氣質量語音播報、智能啟停空氣凈化器，移動終端可以隨時查看和控制。該系統使用的新型傳感器技術與傳統的Zigbee、藍牙等技術相比，具有無源、實時、超低功耗的優點，且不需要對電池進行維護，實現經濟效益和安全效益。

關鍵詞： EnOcean技術； 無線無源監測系統； 無線傳感網絡； 智能監測

中圖分類號： TN926?34； TP277 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）08?0064?04

Indoor air remote monitoring system based on EnOcean?WiFi

AN Yanping， QIAN Ping， CHEN Chaoqun

（ Engineering Innovation College， Shanghai Institute of Technology， shanghai 201418， China ）

Abstract： A wireless and passive remote intelligent monitoring system based on EnOcean and WiFi was designed for the influence of air quality on human life and health. Its communication between air detection sensor nodes is achieved by means of EnOcean protocol. The information collected by the sensor is transferred to cloud through EnOcean to WiFi module. After the cloud information is analyzed by PC with LabVIEW， PC sends the information to the terminal on time for voice broadcast of air quality， intelligent start?stop of air purifier， and examination and control by mobile terminal at any moment. Compared with conventional ZigBee and bluetooth technology， the new sensor technology has the advantages of passive， real?time， energy?saving， low power consumption， and doesnt need any maintenance for batteries. It achieved the economic and security benefits.

Keywords： EnOcean technology； wireless and passive monitoring system； wireless sensor network； intelligent monitoring

0 引 言

隨著人民生活水平的提高，對生活的舒適、健康、節能越來越重視，由于建筑、裝飾裝修、家具以及煤氣泄漏引發的室內環境污染引起了人們的廣泛關注，因此，對室內空氣質量實時監測具有重要意義。傳統監測系統的組網大多是采用有線的方式傳輸信號，文獻[1]總結了多種弊端：光纜、電纜布線不方便，費用較高，容易損壞；由于距離遠，信息不能準確、及時地反饋；監控范圍小。

隨著計算機、自動化、電子技術的不斷發展，無線網絡傳感器網絡技術被應用到空氣質量監測系統中。通常情況下，無線傳感器節點由電池供電，在監測范圍較廣的無線傳感器網絡中，通常有成百上千個節點，增加了更換電池的難度和成本。

針對以上問題，本文應用一種新型的無線傳感技術，組建了EnOcean和WiFi雙重網絡的無線監控管理系統。該系統傳感器節點之間采用EnOcean協議進行通信，通過EnOcean轉WiFi模塊將節點信息傳輸到云端，上位機對空氣質量分析，將分析的結果通過語音播報、短信推送和移動終端應用程序的方式，讓人們了解當前的環境狀況，同時開啟空氣凈化器實現空氣的凈化處理，該系統功耗低，而且無線無源，不需要對電池進行維護，靈活性、穩定性好，具有更長使用壽命和更廣泛的監測范圍。

1 系統結構和相關技術

1.1 EnOcean技術簡介

EnOcean是由德國公司推出了一種新型的無線傳輸技術，其技術是基于機械激發等能量捕獲原理，其無線傳感器不用電池，具有免維護功能。數據包僅為14 B，傳輸速率為120 Kb/s，設備傳輸頻率為[2]868.3 MHz，當以1 mW的發射功率工作時，可保證超過300 m的傳輸距離。該技術與ZigBee，WiFi，Bluetooth，Z?Wave等無線技術相比最大的優點就是功耗極低、無電池、免維護、傳輸距離最遠。EnOcean無源無線通信時通過BACnet網關轉換成TCP/IP協議、WiFi協議和互聯網進行數據通信，可以實現室內遠程的控制和數據監測，從而實現對空氣凈化治理的無線智能控制，提供一個安全的生活環境。

EnOcean無源通信模塊源于西門子的無線通信技術，其僅采用采集的能量來驅動低功耗的芯片組，實現高質量的無線通信技術[2]。在保證通信距離的同時還具有超強的抗干擾能力，滿足惡劣的環境的要求，通過重復發送多個信號以及加密功能，保證整個通信系統的穩定性、安全性。

1.2 WiFi技術

WiFi無線通信技術是基于IEEE 802.11標準的，工作頻段在2.4 GHz以下，是目前使用最為廣泛的無線局域網絡技術，可以把計算機、手機等終端以無線的方式互相連接，實現了用戶間的數據連接[3]。WiFi無線通信技術具有帶寬自動調整的特性，在信號強度小或是存在干擾的情況下，帶寬可進行相應的調整。在室內空氣的智能監測系統中，將數據通過WiFi技術發送到上位機，利用Internet的資源，發揮更大的功能。

將EnOcean技術和WiFi技術相結合，可以覆蓋全小區范圍，實現多功能無線網絡，意味著在小區物理空間內形成了一個無線共享信息池，使住戶、設備和過程相互之間實現最優互動，使得在合適的時間與地點始終有合適的人員存在，從而提升可靠性與安全性，保證了小區住戶的健康、舒適性。

1.3 系統結構

系統由上位機（PC機/移動終端）、云端、WiFi模塊、EnOcean無源通信模塊、空氣質量分析軟件空氣凈化器等組成，監控系統總體結構框圖如圖1所示。其中：移動終端，實時監測室內空氣的質量；云端，存儲節點信息。n個空氣檢測傳感器，不同的模塊有不同的檢測功能，例如甲醛傳感器檢測空氣中甲醛的含量有沒有超標，煤氣傳感器檢測煤氣有沒有泄露的情況，一氧化碳傳感器檢測一氧化碳的情況，粉塵傳感器檢測春天粉塵濃度，空氣綜合質量傳感器檢測空氣中多種氣體的含量，如果氧氣的含量下降，細菌以及濕度的含量增加，會提示通風換氣、凈化空氣器開啟等；空氣質量分析軟件，會根據傳輸過來的數據進行分析處理；空氣質量語音播報器，是利用語音合成技術，嵌入語音合成芯片，把空氣質量分析結果合成語音播報出來，及時地提醒住戶采取措施以免事故發生；空氣凈化器是整個系統的凈化終端，其可以凈化粉塵、煙等可吸入顆粒物，它的活性炭濾網能夠減少甲烷含量，光觸媒濾網能夠高效降解空氣中的有毒有害氣體，有效殺滅多種病菌。

2 總體方案設計

2.1 CORTEX?M0控制器模塊

主控芯片采用基于ARM CORTEX?M0的32位處理器，主要特點：主頻50 MHz，0.9 DMIPS/MHz，運行效率很高，能在較少的周期里完成一項任務；處理內核、系統和存儲器小，降低了成本；有3種電源管理模式，具有良好的能耗效率；提供快速中斷向量控制器NVIC，滿足高速臨界的控制應用。支持UART、SPI控制器、I2C總線接口等串行外設，集成的CGU（Clock Generation Unit）結合一個DLL，可從主晶體震蕩器、內部RC震蕩器中提供系統時鐘生成提供多種封裝選項。組成框圖見圖2。

無線傳感器節點通過EnOcean通信，不需要給傳感器節點額外提供電池供電，但處理器CORTEX?M0芯片需要提供供電模塊。由于CORTEX?M0內部同時具有PLL、10位的ADC的模擬部件，屬于A/D混合系統，模擬部件和數字部件通過不同的引腳分開供電，供電電路示意圖如圖3所示。

2.2 WG1300?B0模塊

WiFi模塊選用JorJin公司的WG1300?B0模塊，WG1300?B0芯片是一款內置IEEE 802.11無線網MAC/基帶的單芯片，集成TCP/IP協議，實現了物聯網應用設計的嵌入式網絡芯片，能夠隨時隨地啟用通用IP連接，與低內存、低成本、低功耗微控制器系統輕松配對，主要特點：尺寸小、集成度高、功耗低、性價比高。

2.3 傳感器中心節點硬件設計

在室內放置若干個不同功能的傳感器，對井下不同氣體進行檢測、采集數據，通過EnOcean建立無線通信網絡。傳感器中心節點硬件結構框圖如圖4所示。

EnOcean系統組成模塊主要有無線能量采集傳感器模塊、接收和發射模塊、無線能量采集開關、無線通信模塊。傳感器室內各種氣體含量進行檢測、采集數據，通過射頻收發器接收傳感器模塊采集的信號，之后無線通信模塊與其他傳感器節點進行無線通信，交換控制信息和收發采集數據。

傳感器節點之間采用EnOcean協議進行通信，多個不同功能的傳感器節點采集空氣中甲醛濃度、一氧化碳濃度、粉塵濃度、其他有害氣體以及氧氣等濃度，這些信號通過射頻收發器匯總到傳感器中心節點，通過CORTEX?M0處理器，由數據處理單元處理后送往數據傳輸單元，通過天線將WiFi信號發送到云端。基于CORTEX?M0芯片驅動，將EnOcean和WG1300?B0模塊進行二次封裝，減小模塊的體積和降低功耗。

采用SWD串行模式進行調試，SWD調試接口的信號與CORTEX?M0主要采用串行時鐘和串行調試數據輸入/輸出，連接電路如圖5所示。圖中給出了SWD引腳信號的定義以及與芯片CORTEX?M0的引腳的連接，在接口處選擇10 kΩ的上拉、下拉電阻。

CORTEX?M0控制器與WiFi之間使用異步串行通信接口，UART的總線通過一個串行發送引腳TXD和一個串行接收引腳RXD，進行雙向通信，實現了全雙工傳輸和接收。CORTEX?M0控制器通過USART串口與ARM控制終端COM口進行連接；由于電平為TTL，串口電路通過MAX232實現電平的轉換。串行接口圖如圖6所示。

3 系統軟件部分設計及主要流程

空氣檢測傳感器節點是檢測網絡的核心，Cortex?M0控制系統先進行系統初始化操作及配置相應的外設端口，微控制器的外設配置包括： NVIC配置、WIC、睡眠模式和節能、存儲系統大小端模式、系統滴答時鐘等。系統初始化以及外設配置完成后，根據多個不同傳感器節點對空氣質量的采集 EnOcean可實現信息的連續多次采樣，保證了采集的穩定性和信息的準確性。通過射頻收發器接收來自傳感器節點的信號，數據保存選擇保存在云端，通過WiFi利用一定的通信規約發送通信報文；上位機通過LabVIEW軟件編程，有一個良好的人機交互界面，監控人員可以對空氣的參數有一個直觀的了解；通過上位機對信息的處理，向相關人員推送當前空氣狀況，當有質量超標時報警，并向相關人員發出告警信息，使相關人員可以及時采取措施。傳感器節點程序流程圖和質量分析軟件程序流程圖如圖7所示。

4 系統軟件的測試分析

空氣質量分析軟件是整個監控系統的核心，它對云端的數據進行分析、處理。系統軟件開發是基于LabVIEW的VISA模塊，主要優點是不受平臺、總線和環境的限制，按照一定的調用流程，可以對USB，串口以及以太網等進行編程、調試和配置[4]。系統軟件設計程序調用流程圖如8所示。

空氣質量分析軟件能夠完成數據的分析和處理，并且具有很強的移動網絡通信功能，將程序發布到Web瀏覽器上，能夠遠程傳輸數據，程序前面板交互界面嵌入到HTML網頁中，用戶通過瀏覽器可以遠程登陸和控制監測系統。當系統出現故障時，進行語音播報、短信提醒等，提醒管理員采取相應的措施。

5 結 論

系統在硬件設計中，采用模塊化的設計思想，便于測試和修改，利用CORTEX?M0控制芯片和傳感器，以EnOcean和WiFi技術作為通信手段，完成了傳感器節點數據采集模塊、設計，通過上位機對信息處理，實現了信息發送和語音播報等功能。基于 EnOcean 和 WiFi 雙重網絡下的超低功耗智能監測系統測試表明：

（1） 使用EnOcean技術，傳感器節點無需電池供電，降低了成本，監測靈活，監測范圍廣；

（2） 控制系統根據當前的空氣質量狀況對空氣凈化器進行智能控制，同時通過移動終端也可以遠程控制，數據傳輸通過云端傳輸，便于保存分析歷史數據；

（3） 實時監控，擁有可視化界面，便于查詢和管理，對空氣質量可以語音播報，短息提醒，實現了分散控制、集中管理，給人們提供了健康、安全、舒適的生活環境。

參考文獻

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