無線室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

北方民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院 曹 龍 劉 煒 曾 力

無線室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

北方民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院 曹 龍 劉 煒 曾 力

針對傳統(tǒng)室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)采集參數(shù)單一和網(wǎng)絡(luò)化程度低等問題，本文設(shè)計(jì)了一種無線室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)綜合ARM嵌入式技術(shù)、ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和傳感器技術(shù)，完成了對室內(nèi)各區(qū)域的溫度、濕度、光照強(qiáng)度、PM2.5和氨硫類氣體的遠(yuǎn)程定時(shí)采集，從而實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測的網(wǎng)絡(luò)化、智能化。

空氣質(zhì)量；監(jiān)測，嵌入式系統(tǒng)；ARM； ZigBee

1.引言

現(xiàn)代人平均有80% ～ 90%的時(shí)間在室內(nèi)度過，確切的測定證實(shí)室內(nèi)空氣中的污染物濃度要高于室外2 ～ 5倍，由于人們對于生存環(huán)境，尤其是室內(nèi)生產(chǎn)環(huán)境和生活環(huán)境的要求不斷提高，室內(nèi)空氣質(zhì)量問題已引起相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域?qū)W者與專家的廣泛重視和關(guān)注[1]。

筆者設(shè)計(jì)了一種基于嵌入式系統(tǒng)的無線室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用ARM嵌入式技術(shù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)集中控制器和數(shù)據(jù)監(jiān)測終端，通過ZigBee技術(shù)建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，完成對公共場所各區(qū)域的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)定時(shí)采集，可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測的網(wǎng)絡(luò)化、智能化。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由兩個(gè)部分組成：數(shù)據(jù)監(jiān)測終端、數(shù)據(jù)集中控制器。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

數(shù)據(jù)監(jiān)測終端：完成室內(nèi)環(huán)境因素進(jìn)行采集，通過OLED液晶屏進(jìn)行顯示，同時(shí)接收數(shù)據(jù)集中控制器的召測指令，通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)集中控制器。

數(shù)據(jù)集中控制器：向下通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)監(jiān)測終端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，接收數(shù)據(jù)并處理及存儲(chǔ)，相關(guān)信息通過觸摸屏顯示出來；用戶可以通過觸摸屏與集中控制器進(jìn)行交互；同時(shí)根據(jù)采集的數(shù)據(jù)信息，給用戶提供合理的調(diào)節(jié)策略。

3.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)集中控制器硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)集中控制器主要由ARM處理器，電源管理模塊、存儲(chǔ)模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊、ZigBee模塊、觸摸屏顯示模塊等組成，硬件框圖如圖2所示。其核心處理器采用ATMEL SAMA5D36工業(yè)級(jí)處理器，外接 256M NAND flash 用以啟動(dòng) Linux系統(tǒng)。基于ZigBee 網(wǎng)絡(luò)模塊選用 TI 公司的 CC2530 芯片。在人機(jī)交互方面采用的7寸觸摸式液晶屏對采集的信息進(jìn)行顯示,用于管理室內(nèi)環(huán)境信息的歷史數(shù)據(jù)信息，方便用戶查詢。

圖2 系統(tǒng)集中控制器硬件框圖

3.2 數(shù)據(jù)監(jiān)測終端硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)監(jiān)測終端以STM32F103C8T6單片機(jī)為核心，由DHT11溫濕度傳感器模塊、BH1750FVI光照度傳感器模塊、GP2Y-1010AU0F灰塵傳感器模塊、MQ-135有害氣體傳感器模塊、OLED顯示模塊、ZigBee通訊模塊和電源模塊組成。通過各類傳感器模塊完成各區(qū)域溫度、濕度、光照強(qiáng)度、PM2.5濃度、氨硫化物類有害氣體的監(jiān)測。數(shù)據(jù)監(jiān)測終端硬件框圖如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)監(jiān)測終端硬件框圖

4.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 數(shù)據(jù)集中控制器軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)集中控制器的應(yīng)用程序采用基于Linux下的QT編程，QT具有優(yōu)良的跨平臺(tái)特性，其軟件開發(fā)是基于C/C++的，同時(shí)提供了信號(hào)與槽的安全機(jī)制，方便程序各模塊之間的交互，系統(tǒng)中使Sqlite數(shù)據(jù)庫對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)集中控制器軟件系統(tǒng)主要包括初始化模塊、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示模塊、數(shù)據(jù)查詢模塊、監(jiān)測曲線模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、參數(shù)設(shè)置等模塊。在各模塊的相互配合下實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，數(shù)據(jù)顯示，數(shù)據(jù)召測等功能。

4.1.1 UI界面設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電后在初始化模塊的作用下進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)庫連接、通信串口初始化等操作，啟動(dòng)后進(jìn)入主顯示界面。系統(tǒng)使用QStackedWidget類建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)曲線、歷史數(shù)據(jù)、參數(shù)設(shè)置四個(gè)子UI 界面，同時(shí)將主界面中的QBushButton類按鈕控件設(shè)置了信號(hào)與槽的連接，當(dāng)用戶點(diǎn)擊相應(yīng)的界面切換按鈕時(shí)，程序按照相應(yīng)槽連接跳轉(zhuǎn)至相應(yīng)的函數(shù)，調(diào)用QStackedWidget類下的void setCurrentIndex(int index)函數(shù)完成界面的切換。

1）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測子界面主要是顯示實(shí)時(shí)監(jiān)測環(huán)境數(shù)據(jù)。系統(tǒng)將每一次輪詢后數(shù)據(jù)監(jiān)控終端而獲得數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫中，每隔一段時(shí)間去執(zhí)行刷新數(shù)據(jù)庫的操作，通過液晶屏進(jìn)行顯示，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測功能。

歷史數(shù)據(jù)子界面主要供用戶進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)的查詢。用戶根據(jù)“日期”和“監(jiān)測點(diǎn)”兩個(gè)限定條件進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢，以便了解室內(nèi)環(huán)境在一段時(shí)間內(nèi)的變化情況，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的可追溯性。

監(jiān)測曲線子界面可實(shí)現(xiàn)顯示的為當(dāng)天的各區(qū)域污染物的曲線描述，用戶不僅可以查看指定監(jiān)測物數(shù)據(jù)曲線，而且可以查詢?nèi)勘O(jiān)測物的綜合曲線。

參數(shù)設(shè)置子界面用來設(shè)置數(shù)據(jù)集中控制器和數(shù)據(jù)監(jiān)測物終端的某些可選或配置參數(shù)，如數(shù)據(jù)集中控制器的 ID、端口號(hào)、IP 地址等。

4.1.2 數(shù)據(jù)召測程序設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)召測模塊是根據(jù)用戶設(shè)定，定時(shí)輪詢各數(shù)據(jù)監(jiān)控終端，收集各監(jiān)控點(diǎn)的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，并將采集的數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)召測程序流程圖如圖4所示：

圖4 數(shù)據(jù)召測程序流程圖

系統(tǒng)觸發(fā)數(shù)據(jù)召測程序，初始化ZigBee模塊通訊串口，設(shè)置波特率、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位等；然后向串口發(fā)送終端數(shù)據(jù)召測命令，通過ZigBee通訊模塊經(jīng)無線網(wǎng)將命令發(fā)送至數(shù)據(jù)監(jiān)控終端。命令下達(dá)完畢后，等待終端回復(fù)數(shù)據(jù)，若在規(guī)定時(shí)間內(nèi)沒有收到終端回復(fù)，則判斷為采集超時(shí)，系統(tǒng)向用戶給出錯(cuò)誤提示，并記錄錯(cuò)誤事件。收到終端回復(fù)后通過解析程序?qū)⑹盏降臄?shù)據(jù)進(jìn)行解析，存入Sqlite數(shù)據(jù)庫。當(dāng)所有設(shè)備都輪詢完畢后，結(jié)束數(shù)據(jù)召測程序。

4.2 數(shù)據(jù)監(jiān)測終端軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)監(jiān)控終端，該系統(tǒng)中有共有四種傳感器模塊，采集溫濕度、光照強(qiáng)度、PM2.5和氨硫類有害氣體五種類型數(shù)據(jù)，主要包括主程序和中斷程序。

4.2.1 數(shù)據(jù)監(jiān)測終端主程序

主程序先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，包括系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置、定時(shí)器初始化、通訊初始化等，然后進(jìn)入數(shù)據(jù)采集和顯示階段，系統(tǒng)按照各傳感器規(guī)定的協(xié)議，采集當(dāng)前室內(nèi)空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)并送至OLED顯示。系統(tǒng)中使用了四種傳感器模塊，下面以PM2.5傳感器模塊為例介紹傳感器的采集原理和方法：

PM2.5灰塵傳感器模塊是以夏普 GP2Y1010AU0F 為核心，測量數(shù)據(jù)的輸出形式為電壓輸出，該電壓與灰塵濃度在一定范圍內(nèi)成線性關(guān)系。通過計(jì)算該電壓值即可計(jì)算出空氣中的灰塵含量。

圖5 PM2.5灰塵傳感器模塊輸出特性曲線

由傳感器的輸出特性曲線可見：在0到0.5mg/m3范圍內(nèi)，傳感器輸出電壓與灰塵濃度呈線性關(guān)系，其輸出曲線近似轉(zhuǎn)換的方程為DustDensity = 0.17 * OutPutVoltage - 0.1。其中DustDensity當(dāng)前空氣中PM2.5的濃度，OutPutVoltage為對應(yīng)輸出的電壓值。STM32FC8T6采用12位AD，基準(zhǔn)電壓為3.3V，得到公式OutPutVoltage=ADout*(3.3 /4095),其中ADout為AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量輸出。

根據(jù)上面兩個(gè)公式可得當(dāng)前空氣中PM2.5的濃度與AD轉(zhuǎn)換輸出的數(shù)字量之間的關(guān)系滿足方程DustDensity = 0.17 * AD-out*(3.3 /4095)-0.1，從而根據(jù)ADout數(shù)值測量出當(dāng)前空氣中PM2.5的濃度。

PM2.5灰塵傳感器采集模塊數(shù)據(jù)采集流程如下：

將ILED引腳置高電平，啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集。

延時(shí)0.28ms，AOUT引腳輸出的波形穩(wěn)定。

對AOUT輸出電壓進(jìn)行采樣，這里對模擬量進(jìn)行20次采樣，采用均值濾波的方法，先去掉最大值和最小值，在求平均值的方法確保數(shù)據(jù)的精確度。

采樣完畢，將ILED引腳設(shè)為低電平。

根據(jù)傳感器輸出電壓與灰塵濃度關(guān)系方程，計(jì)算灰塵濃度，完成PM2.5采集。

4.2.2 中斷程序

在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，若系統(tǒng)接收到集中控制器發(fā)送的召測命令后進(jìn)入中斷程序。中斷程序的主要功能是解析上位機(jī)下發(fā)的指令，按照指令完成相應(yīng)的傳感器數(shù)據(jù)監(jiān)測及數(shù)據(jù)上傳工作。

中斷程序流程如下：ZigBee模塊接收到集中控制器發(fā)送的數(shù)據(jù)；解析數(shù)據(jù)確定為數(shù)據(jù)采集命令；按照各傳感器的通訊協(xié)議，以輪詢的方式采集當(dāng)前區(qū)域空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)；按照自定義協(xié)議，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包；通過ZigBee模塊將數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)集中控制器。中斷采集程序流程圖如圖6所示：

圖6 中斷采集程序流程圖

5. 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的無線室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)可以有效的完成公共場所內(nèi)溫度、濕度、光照強(qiáng)度、PM2.5和氨硫類氣體的監(jiān)測，從為改善的公共場所的空氣質(zhì)量提供數(shù)據(jù)支持。通過更換傳感器的類型，該系統(tǒng)不僅可以應(yīng)用于商場、學(xué)校、醫(yī)院等場所，還可以應(yīng)用于特定的工業(yè)場所，具有良好的擴(kuò)展性，在室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

[1]童江松.基于ARM的智能家居紅外控制系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].浙江理工大學(xué),2015.

[2]楊晨.基于ARM和Linux的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].沈陽工業(yè)大學(xué),2013.

[3]李鋒.基于ZigBee的無線監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].信息技術(shù),2009.