基于多傳感器信息融合的大型場館室內環境監測系統設計

韓靜，田晶，喬記平

（1.山西工程職業學院計算機信息系，山西 太原 030032；2.山西天地煤機裝備有限公司，山西 太原 030006；3.太原理工大學電氣與動力工程學院，山西 太原 030024）

隨著人民群眾生活水平的不斷提高以及休閑娛樂方式的快速發展，人們在大型場館內的活動越來越多，其室內環境質量的優劣直接影響人們的舒適度和身心健康。而且傳統管理方式普遍存在效率低下、不能形成管理維護的閉環等缺陷。因此，大型場館環境的智能化監測就變得尤為重要。綜合上述問題，本文提出了基于LoRa（Long Range Radio）無線傳輸技術的大型場館室內環境多參數監測方法，針對室內環境的溫濕度、甲醛、可吸入顆粒物濃度等環境參數，利用多傳感器信息融合方法，設計了針對大型場館室內環境參數的無線傳感器網絡。它的實施和運行可使大型場館的管理更加高效、安全、便捷，并可為場館管理提供科學的決策依據。

1 系統總體設計

本文提出的大型場館環境多參數監測系統的總體結構框圖如圖1所示，主要由數據采集系統、匯聚節點和遠程數據中心組成。具體而言，數據采集系統包括溫濕度傳感器、甲醛傳感器和可吸入顆粒物傳感器，微處理器通過采集各個傳感器數據，并通過LoRa無線通信模塊，將所采集的環境參數發送給匯聚節點；匯聚節點由處理器模塊、LoRa無線接收模塊、4G模塊和電源模塊組成，匯聚節點通過LoRa模塊接收數據采集系統的數據，并通過4G模塊將各個終端所采集的環境數據發給遠程數據中心；遠程數據中心將數據存儲至數據庫服務器，并通過信息融合處理，實現大型場館環境實時數據的存儲、顯示、分析和查詢等服務。

圖1 系統總體結構框圖

2 系統硬件結構設計

本系統的硬件設計主要包括數據采集系統和匯聚節點。系統采用模塊化設計，便于前期開發調試和后期維護。

2.1 傳感器選型及電路設計

根據環境監測要求，選取的傳感器需要提供不同的工作電壓，并根據輸出信號的差異進行電路的設計。

溫濕度傳感器選用Silicon Lab公司的Si7021溫濕度傳感器。Si7021包含VCC、GND、SCL、SDA四個引腳，工作電壓1.9-3.6V。該模塊內置了濕度和溫度傳感器元件、AD轉換器、信號調理、數據校準和I2C接口，可將采集的信號直接轉換成數字信號。其濕度量程為0～100%RH，溫度量程為-40～+125℃，測溫精度可達±0.4℃，具有體積小、功率低等優點，具有較高的可靠性與長期穩定性，廣泛應用于環境監測、工業測量等領域。甲醛傳感器選用ZE08-CH20型電化學甲醛傳感器，該傳感器利用電化學原理對空氣中存在的甲醛進行檢測，具有良好的穩定性和選擇性，內置的溫度傳感器可實現對溫度的補償。其工作電壓為3.7～5.5V，具有模擬和數字信號輸出方式，并提供UART、ADC、PWM 3種信號輸出方式，因而具有靈敏度高、穩定性好、功耗低、使用壽命長等優點。ZE08-CH20傳感器傳送的數據幀格式如表1所示，其氣體濃度值計算方法為：氣體濃度值=高位氣體濃度×256＋低位氣體濃度值。

表1 ZE08-CH20型甲醛傳感器數據幀格式

1014AU0F光學粉塵傳感器進行監測。該傳感器內部安裝有紅外發光二極管和光電晶體管，通過監測環境空氣中塵埃的反射光，可實現0.8～10μm大小顆粒物濃度的監測，其輸出為一正比于粉塵濃度的模擬電壓，范圍為0～4.5V，靈敏度可達0.5V/(0.1mg/m3)，工作電壓為5～7V，最大消耗電流為20mA。

2.2 處理器模塊

系統選用意法半導體生產的基于ARM Cortex-M3內核的32位STM32F103RET6微處理器，以滿足數據采集系統低功耗的要求。具有高度集成、高性能、低成本、低功耗、低電壓和開發方便等優點。其內置512KB Flash，64KB RAM，自帶64引腳和兩條連接APB總線的外設。微處理器供電電壓范圍為2～3.6V，一般選用3.3V供電，工作頻率可達72MHz，包含I2C、CAN總線、USART、SPI、USB等多種通信接口，低功耗模式下，芯片可配置睡眠、待機和停機模式，使系統在運行時降低功耗。

2.3 無線通信模塊

針對大型場館監測節點分布廣泛、傳輸距離遠等特點，采用LoRa和4G兩種無線傳輸技術相互結合的模式實現數據的傳輸。首先，分布在大型場館內的各傳感器數據采集模塊將環境監測數據通過LoRa方式傳輸至匯聚節點；匯聚節點再通過4G方式將數據實時傳輸至遠程數據中心。這種模式不僅能簡化系統設計，在實現數據高效傳輸的同時，大幅降低了系統功耗，可保證系統長期穩定運行。LoRa網絡選用優信電子設計的RHF76-052無線通信模塊，該模塊使用的射頻芯片為SX1276，工作頻率在433-470MHz，并設有UART通信接口，輸出功率可達17dBm，內置LoRaWAN協議棧，采用LoRa擴頻調制技術，具有傳輸距離遠、功耗低、抗干擾能力強、靈敏度高等優點。4G模塊選用WH-LTE-7S4，該模塊為插針式設計，可實現UART與4G的雙向透傳功能；具有高速率、低時延得有點；允許2個網絡鏈接同時在線，支持TCP、UDP通信協議；支持網絡透傳、HTTP、UDC工作模式；其電路連接如圖2所示。

圖2 4G模塊電路圖

2.4 電源模塊

系統采用5V鋰電池為各模塊供電，如圖3所示，因系統中部分主要器件的工作電壓為3.3V，如微處理器、溫濕度傳感器，因此在供電電路中使用LT1117降壓穩壓器將5V電壓降為3.3V，穩壓器內部集成限流和過熱保護，滿足系統供電需求。

圖3 供電電路原理圖

3 系統軟件設計

系統軟件設計包括數據采集系統軟件設計，匯聚節點軟件設計和上位機的開發與設計。

3.1 數據采集系統軟件設計

數據采集系統由STM32F103RET6微處理器、傳感器模塊、LoRa模塊和電源模塊組成。溫濕度傳感器Si7021與STM32通過I2C總線通信，甲醛傳感器通過STM32內部 ADC模塊讀取數據，LoRa模塊通過UART串口與STM32單片機進行通信。首先對系統進行初始化并配置計時器，配置完成系統進入休眠狀態；當采集時間到達后，處理器驅動傳感器采集各個環境數據，各傳感器輪詢工作，采集通道數為0時數據采集完成，此時即可通過LoRa模塊將數據發送至匯聚節點。

3.2 匯聚節點軟件設計

匯聚節點由STM32處理器、電源模塊、LoRa模塊和4G模塊組成。匯聚節點的功能是接收所有監測節點的數據，將數據打包，利用4G模塊將數據發送到服務器。當4G模塊與服務器連接成功后，通過AT指令查詢4G模塊是否接收到服務器下發的指令。當4G模塊接收到下發指令，微處理器對指令進行解析，并將數據下發到數據采集節點。數據采集節點接收到返回數據后，通過SX1276接收數據，并通過4G模塊將數據上傳至服務器。

3.3 上位機軟件設計

本系統以LabVIEW為開發平臺搭建遠程數據中心，使用SQL Server創建數據管理系統。LabVIEW與數據庫連接，實現環境數據的管理和存儲。Web發布是LabVIEW提供的一種可以直接從網頁訪問并操作程序前面板的方法。

通過Web發布監測平臺到局域網服務器，用戶可以通過瀏覽器對上位機程序進行訪問，獲取場館內的歷史及實時環境數據。系統上位機前面板顯示包括：環境參數實時顯示、報警提示、歷史數據查詢和傳感器運行狀態監控界面。硬件系統每30s向上位機發送一組環境數據，通過垂直滑動桿控件和數字顯示控件進行直觀形象地顯示，包括溫度、濕度、甲醛濃度、灰塵濃度。由于場館面積較大，通常會布置多組數據采集設備，為了便于后期設備維護、保持系統良好運行，上位機會監控每個傳感器的運行狀態，當其中一個傳感器發生故障時，系統運行狀態不會受到影響。另外，當溫度、濕度、甲醛、灰塵超出閾值時，系統將發出報警提醒，提示場館工作人員及時調節相應的環境調節設備，改善場館內環境質量。

4 系統測試

將硬件設備布置在某體育場館內，根據場地大小合理布置五組數據采集硬件設備。各部分硬件設備正常供電后，傳感器正常工作，系統運行穩定可靠。為了測試系統的穩定性和精確度，選取系統穩定運行1h的各傳感器數據值，通過分析可得，隨著時間的推移，濕度數據和甲醛濃度值基本保持不變，溫度值在±0.1℃范圍內變化，灰塵濃度在±10μg/m3范圍內變化。系統數據傳輸穩定性高，傳輸速率快，滿足了大型場館的環境監測和現代化管理需求。

5 結語

由于大型場館面積大、范圍廣，綜合布線難度較大，本文利用LoRa和4G無線通信技術傳輸距離遠、通信范圍廣、抗干擾能力強等優點，提出了基于無線傳感網絡的大型場館環境監測系統，實現了溫度、濕度、甲醛濃度、灰塵濃度的監測工作，通過對環境數據的實時監測，能夠及時發現館內的環境變化，并提出有效的調節措施。經測試，系統檢測精度高，運行能耗低，網絡通信良好，可長期穩定運行。