家庭環境監測傳感器研究

王夢秋

摘 要：本文分析了家庭環境監測傳感器的分類與構成、多種傳感器的集成、通信與電源的設計等內容，重點分析了多種傳感器的集成和節能設計。通過以上分析，探索家庭環境監測傳感器研發的要點，力求研發出具有集成程度高、實用性強、可靠性高、成本較低的家庭環境監測傳感器，為家庭環境監測的信息采集奠定良好的基礎。

關鍵詞：環境監測；傳感器；研究

中圖分類號：TN929 文獻標識碼：A

一、研究背景

隨著現代社會的高速發展，人們對室內環境要求越來越高，通風、采光、溫度、濕度、氧氣、二氧化碳、一氧化碳、煤氣、PM2.5、裝修污染、放射性物質等環境因素，希望能有比較良好的、更適合人居住的數值。但是目前，這些因素還只停留在人的感覺層面，沒有形成能夠探測的、能夠采集的具體的信息數據。即使如溫度、濕度等環境因素能夠進行探測和采集，由于探測環境因素單一和不成體系，難有大范圍應用。因此，研發探測環境因素多、集成度高、實用性強、可靠性高的家庭環境探測傳感器，尤其必要，且能大范圍使用。

二、環境因素分類

1.氣體類：氣體類的環境因素有氧氣、煤氣、二氧化碳、一氧化碳、甲醛等；

2.微粒類：微粒類環境因素有PM2.5、PM10、灰塵等；

3.固體類：固體類環境因素有放射線等；

4.設備類：設備類環境因素有水壓、電壓、燃氣氣壓等；

5.綜合類：綜合類環境因素有：溫度、濕度、大氣氣壓、通風、采光等。

三、傳感器構成

家庭環境探測傳感器由環境因素探測模塊、數字化轉換模塊、綜合控制模塊、顯示模塊、無線通信模塊、電源模塊等六大模塊組成。如圖1所示：傳感器構成。

1.環境因素探測模塊

該模塊主要功能是對環境因素進行探測，根據不同探測對象，采用不同的探測媒介。主要作用是將探測的環境對象轉換為電信號，如溫度、濕度、氣壓、氧氣等環境因素，通過不同的感知媒介，將這些因素的波動情況轉換為電信號的波動。

2.數字化轉換模塊

該模塊的功能是將環境因素波動的電信號，轉換為數字信號。

3.綜合控制模塊

該模塊對傳感器各大模塊進行綜合控制，如提供時鐘、控制數據采集時間、通信方式、通信協議、數字化顯示、節電模式等。

4.顯示模塊

該模塊的功能是將轉換為數字的環境因素，在顯示屏上進行顯示。

5.無線通信模塊

該模塊的功能是將采集到的環境因素數字信號，通過無線通信方式向其他設備發送。

6.電源模塊

該模塊的功能是為傳感器提供穩定可靠的電源，根據不同的電源類別（如干電池、充電電池、市電），提供不同的電源保護、過濾模式，避免電源電壓的波動對傳感器探測數據的影響。

四、傳感器集成

根據家庭環境因素探測的類別和環境因素探測媒介，按照便于探測、便于集成、便于部署的原則，盡可能將多種探測媒介集成在一個傳感器上，以便于部署、降低成本、提高實用價值。如圖2所示，傳感器集成結構圖，如：溫度、濕度、采光、通風、大氣氣壓等5個環境因素可以集成在一個傳感器，主要部署在客廳和臥室，既便于部署、又降低了成本，與分別采用5個傳感器相比，實用性大幅增加。

氧氣、二氧化碳、一氧化碳、甲醛、PM2.5、PM10、放射線等因素可以集成在一起，主要部署在客廳和臥室；

煤氣、通風等因素集成在一起，主要部署在廚房。

水壓、電壓、燃氣氣壓等因素，只能用單獨的傳感器。

五、傳感器精度

每種傳感器，都有不同的數據采集精度，不同的精度，成本差異較大。對家庭環境探測傳感器的精度，根據探測因素的重要性，分別采用不同的精度值。

對有毒類因素，如煤氣、一氧化碳、二氧化碳等，采用較高的精度值。

對人們生活影響不大的因素，如采光、通風、氧氣、氣壓，可以采用較低或一般的精度值，以降低成本。

六、可靠性與節能

1.可靠性

對環境因素探測傳感器，其自身穩定運行的環境有一定要求，可以根據不同地域的氣候特點研制不同型號的傳感器，以提高其適應性和可靠性。

如針對南方溫度高、濕度大、海拔低的環境，研制與南方環境相適應的傳感器；針對北方氣溫低、氣候干燥，研制適應北方環境的傳感器；對海拔高、日照長、空氣稀薄的高原地區，研制適應于該環境的傳感器。

針對不同環境專門研制的傳感器，可靠性可以大幅提升。

2.節能性能

家庭環境探測，常采用多個傳感器，為便于部署，難以全部采用市電電源，往往采用干電池或充電電池，這類電池，很難保障對傳感器長期持續地供電。為提升傳感器持續使用時間，必須提升傳感器的節能性能。一是硬件設備上，盡可能使用功耗小的設備，如貼片電阻、電容，以降低傳感器功耗；二是減少數據采集時間，根據不同環境因素，設置不同的數據采集時間；三是減少無線通信次數，根據設定的數據采集時間，只有在數據采集成功后才短時通信，其余時間，處于低功耗的節能狀態。

結語

綜上所述，家庭環境探測傳感器，是現代社會人們急切需要、技術上可以實現的傳感器，通過對各類環境探測因素的有機集成，進一步降低傳感器的成本和部署難度，使家庭環境探測成為可以實現的一種方便、實用的環境因素探測設備，能夠大范圍在普通家庭使用。這種傳感器的使用，能夠改變家庭環境因素不可見、難以探測的現狀，能夠為人們建設美好的家庭環境提供有效的探測工具。

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