基于物聯網的樓宇空氣檢測系統設計分析

于瑩瑩

(遼寧裝備制造職業技術學院,遼寧沈陽 110161)

0 引言

對于傳統空氣質量的檢測系統而言,其數據分析以及在線監測的連續性不足,在物聯網概念不斷發展過程中,為空氣檢測系統開發工作提供全新思路。通過相關物聯網平臺,結合物聯網技術促使云端、APP以及終端設備實現連接,使得檢測系統具備遠程管理、控制、檢測以及其他功能,充分促進空氣檢測裝置不斷朝著智能化方向發展[1]。

1 樓宇空氣檢測重要性

對于樓宇空氣污染物,其來源主要涵蓋以下幾點:(1)室外污染空氣通過窗戶、房門等通道流入室內。(2)在居民日常生活中會形成一些有害氣體。(3)一些裝飾材料以及建筑材料可能釋放有害物質或是氣體。

在樓宇空氣污染方面,主要污染源涵蓋甲醛、TVOC、氨氣以及苯系物等。若是此類物質在空氣中的含量較大,并且居民長時間處于此種環境中,會對居民神經系統以及呼吸系統造成嚴重破壞,并且會誘發白血病和癌癥等疾病。所以通過監測工作能夠及時了解當前樓宇空氣質量,并及時通過空氣凈化設備或是通風放氣等方法優化空氣。而這些工作的前提下就是需要擁有良好檢測系統提供保障,才能夠促使檢測工作順利完成[2]。

2 系統總體方案設計

當前,樓宇空氣檢測系統通常選擇有線方式進行通信,就是將傳感器放在監控現場需要監測的位置,通過傳感器收集信息,同時借助電纜箱中央采集站傳輸,并通過采集站向上位機集中發送信號,實時采集數據。然而此種方式的接線工作較為繁瑣、線路部署較為復雜,并且線路維護成本較高。因為樓宇構造,可以選擇無線技術對傳統有線技術進行替代,促使數據采集與傳感器可以實現直接通訊,能夠解決在有毒有害氣體以及無人等環境下開展遠程監控同時,同時能夠保證在無法布線條件下開展環境監控工作,解決有線傳輸中布線問題。對此,本文以及ZigBee技術為基礎,設計一種空氣檢測系統[1]。

3 系統硬件設計

3.1 芯片選擇

本文主要采用TI公司CC2530芯片開展設計工作,其中涵蓋射頻RFCC2520,可以基于ZigBee協議棧上開展,具有重量輕、體積小等特點。與傳統檢測系統相比,其體積與功率更低、可靠性更高。

3.2 功能模塊

(1)內存與CPU。CC253x芯片主要采用8051CPU內核,其訪問總線有三種形式,主SRAM、DATA、SFR。并涵蓋輸入擴展中斷模塊與調試接口。

(2)中斷控制器。其中中斷源為18個,中斷組為6個。在設備由活動模式向空閑模式切換之后,中斷服務的請求會被激活,還能夠借助終端促使設備由睡眠狀態轉為工作狀態。

(3)外設。CC2530涵蓋多種外設,程序開發人員不斷進行應用開發。簡單介紹其外設與作用。1)調試接口:可以對專用兩線串行的接口進行執行,調試內電路。2)I/O控制器:用于通用I/O引腳。3)睡眠定時器:超低功耗定時器,對32KHzRC振蕩器或是32KHz晶振周期進行計算[2]。

(4)無線設備。CC2530中涵蓋一個IEEE802.15.4收發器。模擬無線單元由RF內核所控制。同時,其可以提供無線設備與MCU之間的接口,能夠發送命令,進行狀態讀取以及對無線設備時間相應順序進行確定,無線設備中還涵蓋地址識別以及數據包過濾等模塊。

3.3 傳感器

(1)溫濕度傳感器。本系統選擇DHT11型號傳感器。其主要應用溫濕度傳感以及數字模塊采集兩種技術手段。測溫元件為NTC、感濕元件為電阻式型號。該傳感器具有性價比高、抗干擾能力強、響應速度快等特點。串行接口為單線制形式,促使系統集成更加便捷。四針單排形式的封裝具有連接便捷、功率低以及體積小等特點,與本系統需求非常相符,并且DHT11型號傳感器使用壽命長。穩定性高。

(2)甲烷傳感器。本系統主要選擇MC114型傳感器。該型傳感器的催化元件按照催化燃燒效應原理進行工作,電橋兩臂由補償元件與檢測元件構成,遇到可燃性氣體支護,檢測元件的電阻會增大,改變橋路的輸出電壓,在氣體濃度不斷升高過程中其電壓變量也隨之增加,補償元件主要進行溫度補償以及參比作用。

3.4 節點硬件

(1)節點硬件設計方案。在硬件中主要涵蓋,終端節點、協調器節點以及路由器節點三個硬件設計環節。

終端節點主要負責網絡系統運行控制以及數據采集工作,其負責對室內氣體與溫度數據采集、協調器執行等命令。涵蓋供電、ZigBee收發、傳感器等模塊。在本文ZigBee系統中,氣體信息采集由傳感器開展,終端節通過協調器節點和無線核心模塊傳輸數據,借助LED將其網絡狀態與工作狀態充分顯示出來。

路由器節點涵蓋數據中繼轉發、路由表維護以及數據采集等功能。其節點硬件與終端節點具有相似性,主要差異在于傳感器數量與類型。所以,下面僅介紹一下協調器節點。

在ZigBee網絡中,協調器節點屬于核心部分,承擔網絡構建與管理、上機位通信以及傳感器數據收集與處理等工作。主要結構涵蓋顯示單元、ZigBee單元、供電單元等。本文中,協調器借助RS-232接口實現上機位通信,數據處理以及無線傳輸主要由無線核心單元開展,借助LED將其網絡狀態與工作狀態充分顯示出來。

(2)無線核心單元設計。傳統樓宇的空氣檢測系統中,CC2430+MS430以及CC2430單機片無法進行遠距離傳輸,若是開展大規模空氣監測工作,應該選擇可以遠距離傳輸的模塊開展。本文將CC2530與CC2591芯片同時運用于檢測系統中,有效提高傳輸距離。

該模塊主要涵蓋天線、濾波電路、CC2591、CC2530以及時鐘電路等。

(3)協調器外圍電路。下面簡單介紹RS-232接口與JTAG接口兩種電路。

首先,RS-232接口電路,系統中,協調器與上機位監控室應該保持良好距離,因此通過RS-232接口和上機位進行通信。在該電路中,電平轉換芯片選擇M A X 3232CSE。該芯片為MAX3232發展型號,借助雙電荷泵,基于3.0～5.5V供壓條件,將RS-232協調器效能充分體現出來。

其次,JTAG接口電路。終端節點、協調器節點以及路由節點電路板中均設置了十芯JTAG接口,Pin1是接地,Pin2是3.3V電源,Pin3與Pin4為下載線,Pin7是復位,其他接口為I/O拓展口。

在三個節點電路中均設置了四芯SPI接口,與CC2530接口功能相對的是:CC2530P1-4與Pin1;CC2530P1-5與Pin2;CC2530P1-6與Pin3;CC2530P1-7與Pin4。

4 軟件設計

4.1 軟件開發平臺

在本系統中,選擇IAR EW進行集成開發。其交叉編譯器與C/C++調試器是現階段使用最容易以及最完整的專業嵌入式開發工具。在不同類型微處理器中可以提供相同的用戶界面,功能較為完善。IAR EW涵蓋匯編器、編輯器以及連接定位器等器件。其中編輯中代碼最為優化與緊湊,有效節約硬件資源,進而減少產品成本,提高產品競爭力。IAR EW可以保證CC2530芯片的在線下載、編程以及調試等方面需求得到充分滿足。本系統中選擇其IAR7.51A型號。

4.2 軟件系統構成

ZigBee協調器節點軟件。對于協調器,在上位機和無線網絡通信中具有重要意義,借助連接上位機和串口。網絡構建與維持是其主要功能。對協調器進行上電處理之后,構建網狀網絡,并向上位機發送信息。若是網絡中終端設備或是路由器提交了加入申請,在設備成功加入網絡后,會向協調器發送相關信息,并由協調器進行轉發。另外,其還能夠實現上位機串口指令接收,并向上位機傳輸數據。

4.3 上位機監控系統

上位機可以顯示系統采集數據,同時處理、存儲相關數據。所以需要設計相應監控系統,本文主要通過Visual Bassic6.0編寫。

(1)內部控件。第一,TextBox。通過文本框控件實現用戶輸入信息的接收,同時能夠將系統文本信息顯示出來。可以對文本進行編輯,系統中主要借助該控件進行文本編寫。第二,PictureBox。通過圖片框顯示圖形,文件格式主要涵蓋gif、jpg、wmf、ico以及bmp等。另外可以用于其他控件容器。第三,Menu。自定義菜單,可以對應用程序進行執行。使用軟件過程中,該控件能夠充分配置以及保存參數。本軟件主要設計了場所選擇、工具、報警、數據采集、幫助、監控管理以及數據管理等菜單。第四,Timer。定時器主要用于在相關時間間隔所觸發的事件中,工作過程中不可見。其重要屬性就是Intrrval,設置時間間隔(ms),取值范圍是0—65767。若是為0,代表定時器處于無效狀態。第五,ToolBar。涵蓋Button對象幾何,能夠借助添加按鈕進行工具欄創建。本系統中,可以通過工具條控件,在其中放置串口、波特率的選擇。

(2)MSComm控件。MSComm屬于VB通信空間。該控件所提供的串口數據接、發功能非常完善,MSComm處理方式主要涵蓋以下兩種類型:1)查詢方式:借助對Comm Event屬性值對事件以及錯誤進行科學判斷。2)事件驅動:通過MS Com m中On Co mm 捕獲時間,同時對通信錯誤進行處理。

MSComm控件主要通過API函數進行通信,并且API函數主要是通過Comm.drv進行解釋,同時向驅動程序傳送,通過了解事件用法以及MSComm控件屬性,能夠進行串口操作。比如,VommPort主要是進行通信端口號設置;Settings主要是通過字符串形式進行停止位、數據位、波特率等方面的設置。

(3)數據庫。在程序設計行業中,數據庫設計較為活躍。一般以數據庫為基礎進行管理系統設計。Visual Basic 6.0語言功能非常強大,其能夠高效、迅速進行數據庫系統開發工作。VB數據庫涵蓋Access數據庫與本地數據庫兩種類型。基于VB環境中可視化管理器,能夠實現創建,選擇MDB作為后綴。同時,VB中還涵蓋Text File、ODBC、dBase以及其他格式。本系統選擇Access數據庫。

(4)監控界面。在本系統中,節點數量為2個,其中終端節點數量為2個,路由器節點數量為2個,協調器節點數量為1個。在客廳與主臥房間安裝。

登錄界面中涵蓋密碼、用戶名等版塊。對于樓宇空氣檢測系統,通過設定密碼和用戶名可以有效提高系統安全性。借助用戶登錄,可以對室內空氣展開實時監控,提高樓宇安全性。

監控系統中,對于甲醛、甲烷、溫濕度等采集數據可以借助RS-232串口與監控系統通信。通信過程中,可以通過上機位的數據庫儲存數據。

5 結語

綜上所述,以物聯網技術為基礎的樓宇空氣檢測系統能夠對室內粉塵顆粒、有害氣體以及其他污染物濃度進行數據采集以及分析等工作,同時通過無線傳輸形式向物聯網中傳輸檢測數據,進行遠程檢測。具有成本低、重量輕、體積小、檢測快速以及便攜性強等特點。同時,該系統在娛樂以及學校等場所開展空氣檢測工作,充分保障民眾健康。