基于有害氣體的物聯(lián)網(wǎng)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉俊琪，王黎明，侯 亮，周 旸，郭天賜

（吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 132101）

基于有害氣體的物聯(lián)網(wǎng)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉俊琪，王黎明，侯 亮，周 旸，郭天賜

（吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 132101）

針對(duì)目前室內(nèi)有害氣體檢測(cè)方面存在的問題，文章介紹了一種能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)室內(nèi)有害氣體濃度的預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)由氣體傳感器、單片機(jī)、GPRS等模塊構(gòu)成，其中以ZigBee cc2530為主要核心，能實(shí)現(xiàn)對(duì)有害氣體的檢測(cè)與數(shù)據(jù)傳送，可通過電腦或手機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該傳感器網(wǎng)絡(luò)具有工作穩(wěn)定、精度高等特點(diǎn)。

ZigBee cc2530；氣體傳感器MQ-2；傳感器網(wǎng)絡(luò)

1 有害氣體檢測(cè)研究

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，有害氣體在人們的生活中越來越常見，而這一現(xiàn)象在裝修房屋時(shí)體現(xiàn)得尤為明顯。但目前市面上有害氣體的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)都存在很多問題[1]：

（1）多為現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)；線路多，不易挪動(dòng)。

（2）操作復(fù)雜；很多家庭疲于檢測(cè)。這就導(dǎo)致了許多家庭在買房后對(duì)房間進(jìn)行裝修時(shí)難以對(duì)其所散發(fā)的有害氣體引起注意，長(zhǎng)此以往很容易患上例如白血病等類似疾病。所以對(duì)此提出一種適合于室內(nèi)的有害氣體監(jiān)測(cè)設(shè)備，通過手機(jī)移動(dòng)終端App的應(yīng)用開發(fā)來對(duì)有害氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。用手機(jī)來給人們預(yù)報(bào)有害氣體殘余量的具體情況是便捷且有效的，具有較高的性價(jià)比，能夠在日常生活中保護(hù)用戶身體健康。

2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

該檢測(cè)設(shè)備通過氣體檢測(cè)節(jié)點(diǎn)來檢測(cè)有害氣體的濃度，通過ZigBee自組網(wǎng)傳輸給ZigBee協(xié)調(diào)器，最終利用ZigBee協(xié)調(diào)器上的WiFi模塊[2]傳輸給上位機(jī)或手機(jī)，根據(jù)對(duì)室內(nèi)有害氣體存余量的實(shí)時(shí)掌握來人為控制房屋通風(fēng)時(shí)間的長(zhǎng)短。數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

2.1 氣體檢測(cè)儀的數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

圖2為氣體采集節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，包括ZigBee cc2530、有害氣體檢測(cè)系統(tǒng)MQ-2。其中ZigBee cc2530是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)，具有體積小、成本低、可靠性高等特點(diǎn)。

圖2 氣體采集節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

而MQ-2型傳感器對(duì)有害氣體[3]有很高的靈敏度。當(dāng)其與有害氣體接觸時(shí)，晶粒間界處的勢(shì)壘受到該有害氣體的調(diào)制而變化，就會(huì)引起電導(dǎo)率的變化。利用這一點(diǎn)即可獲得有害氣體存在的信息。有害氣體濃度越大，電導(dǎo)率越大。當(dāng)氣體濃度高于設(shè)定值時(shí)，輸出為低電平，用0表示；當(dāng)氣體濃度為正常狀態(tài)值時(shí)為高電平，用1表示。電路原理如圖3所示。

圖3 MQ-2電路原理示意

2.2 數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)器的硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)器由ZigBee cc2530和WiFi模塊組成。ZigBeecc2530技術(shù)是一種介于無限標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)提案，主要用于近距離無線連接。WiFi模塊的功能是將串口或TTL電平轉(zhuǎn)為符合WiFi無線網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式模塊。ZigBee協(xié)調(diào)器利用WiFi模塊中的ESP8266將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)信息傳送到手機(jī)或上位機(jī)中。

2.3 數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)器的軟件設(shè)計(jì)

通過無線設(shè)備建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)[4]，從而進(jìn)入無線監(jiān)控狀態(tài)，監(jiān)測(cè)空氣中的無線信號(hào)并發(fā)送數(shù)據(jù)，遇到監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)時(shí)則自動(dòng)申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)，分配網(wǎng)絡(luò)地址，最終加入監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)列，無信號(hào)時(shí)則進(jìn)行無限循環(huán)，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，發(fā)送到上位機(jī)或手機(jī)機(jī)終端，如果出現(xiàn)異常則啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。如圖4所示。

3 上位機(jī)的設(shè)計(jì)

上位機(jī)的作用是監(jiān)控各系統(tǒng)的運(yùn)行情況，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)設(shè)備工作時(shí)，上位機(jī)能很好地顯示出各系統(tǒng)之間的狀態(tài)（如正常、報(bào)警、故障等）。上位機(jī)的設(shè)計(jì)一般是使用VB開發(fā)，通過控件來發(fā)送和接收串口數(shù)據(jù)，通過人為控制作出決策，然后再通過串口發(fā)送出去。

上位機(jī)的設(shè)計(jì)特別適合于數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)、近距離的傳送，方便了人們對(duì)有害氣體濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制[5]，為有害氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的家庭化提供了可能。

4 結(jié)語

完成了對(duì)軟硬件的設(shè)計(jì)與調(diào)試并通過最終的實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)了最初的目標(biāo)。

總而言之，該系統(tǒng)具有實(shí)用性強(qiáng)、價(jià)格低廉、操作簡(jiǎn)單、易于普及等多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，可以對(duì)室內(nèi)的有害氣體濃度作出正確的判斷，從而保證了用戶的健康。在環(huán)境檢測(cè)等方面有著廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展空間。

圖4 系統(tǒng)流程

[1]范奧博，鐵治欣，吳銘程，等.室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 浙江理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2015（5）：382-389.

[2]陳文周.WiFi技術(shù)研究及應(yīng)用[J].數(shù)據(jù)通信，2008（2）：14-17.

[3]單慧琳，張銀勝，李春，等.室內(nèi)有害氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2014（22）：151-152.

[4]李俊斌，胡永忠.基于cc2530的ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2011（16）：108-111.

[5]楊萌，趙亮.基于ZigBee技術(shù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)研究[J].電子技術(shù)與軟件工程，2015（1）：34.

Design of Internet of Things detection system based on harmful gas

Liu Junqi, Wang Liming, Hou Liang, Zhou Yang, Guo Tianci
（Electrical and Information Engineering College of Agriculture Science and Technology College, Changchun 132101, China）

Aiming at the problems existing in the detection of harmful gases indoor, an early warning system capable of real-time monitoring of indoor harmful gas concentration is introduced in this paper. The system consists of gas sensors, single-chip and GPRS and other module, among them, Zigbee cc2530 is the main core, which can realize the detection and data transmission of harmful gas, and carries out monitoring through computer or mobile phone. The sensor network has the characteristics of stable work and high precision.

Zigbee cc2530; gas sensor MQ-2; sensor networks

劉俊琪（1996— ），女，新疆昌吉，本科；研究方向：信號(hào)處理與檢測(cè)。