室內(nèi)空氣質(zhì)量的監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周虎 秦沿海 代祥軍 李玉中 李瑞

摘 要：空調(diào)的普及使得無(wú)論何時(shí)都能獲得相對(duì)恒溫的室內(nèi)環(huán)境，但伴隨而來(lái)的是室內(nèi)通風(fēng)性差，空氣質(zhì)量下降，嚴(yán)重影響人的身心健康，因此智能地均衡室內(nèi)空氣質(zhì)量和室內(nèi)溫度具有重要的意義[1]。為此，提出了一項(xiàng)室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測(cè)與控制的智能化解決方案，該方案基于嵌入式系統(tǒng)、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)、遠(yuǎn)程管理技術(shù)。該系統(tǒng)使用ARM9作為主控中心，負(fù)責(zé)接收并處理ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)氖覂?nèi)環(huán)境信息、網(wǎng)頁(yè)傳輸?shù)挠脩?hù)遠(yuǎn)程控制命令，并通過(guò)學(xué)習(xí)型紅外模塊發(fā)送紅外遙控命令來(lái)控制空調(diào)或排風(fēng)機(jī)，達(dá)到調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣質(zhì)量的目的。該系統(tǒng)可以有效地提高室內(nèi)空氣質(zhì)量，改善用戶(hù)的生活或工作環(huán)境，消除健康隱患，提高工作效率。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng) 無(wú)線通信 遠(yuǎn)程控制 智能家居 物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP27 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）04（a）-0037-02

在物聯(lián)網(wǎng)和智能家居中，嵌入式系統(tǒng)、ZigBee和紅外無(wú)線通信技術(shù)、遠(yuǎn)程控制技術(shù)是不可或缺的重要組成部分。

本系統(tǒng)通過(guò)ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)采集室內(nèi)環(huán)境信息，嵌入式系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行處理，以太網(wǎng)和紅外通信技術(shù)遠(yuǎn)程、智能控制室內(nèi)家居，達(dá)到調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣質(zhì)量，改善空氣質(zhì)量的目的。

1 嵌入式系統(tǒng)

一個(gè)嵌入式系統(tǒng)裝置一般都由嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和執(zhí)行裝置組成，嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是整個(gè)嵌入式系統(tǒng)的核心，由硬件層、中間層、系統(tǒng)軟件層和應(yīng)用軟件層組成。執(zhí)行裝置也稱(chēng)為被控對(duì)象，它可以接受嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)出的控制命令，執(zhí)行所規(guī)定的操作或任務(wù)[2]。

系統(tǒng)使用Mini2440作為嵌入式硬件平臺(tái)，以裁剪后的Linux作為嵌入式軟件系統(tǒng)。Mini2440采用Samsung S3C2440為微處理器，主頻400MHz，在板64M SDRAM，在板256M Nand Flash，1個(gè)100M以太網(wǎng)RJ-45接口（采用DM9000網(wǎng)絡(luò)芯片），3個(gè)串行口，3.5寸LCD[3]。Linux 2.6.32內(nèi)核可根據(jù)系統(tǒng)需求進(jìn)行裁剪。Mini2440及Linux操作系統(tǒng)可以滿(mǎn)足系統(tǒng)的功能需求。

2 ZigBee和紅外無(wú)線通信技術(shù)

ZigBee技術(shù)是一種基于802.15.4的近距離、低功耗、低成本的雙向無(wú)線通訊技術(shù)。本系統(tǒng)選用的ZigBee模塊是TI的CC2530，其使用的8051 CPU內(nèi)核是一個(gè)單周期的8051兼容內(nèi)核，具有18個(gè)中斷源，8KB SRAM，256KB 閃存塊，提供一個(gè)IEEE 802.15.4兼容無(wú)線收發(fā)器，用Z-Stack可進(jìn)行應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)[5]。

學(xué)習(xí)型紅外遙控模塊利用單片機(jī)STC89C52對(duì)多個(gè)紅外遙控編碼的脈沖寬度進(jìn)行測(cè)量，并原封不動(dòng)地把發(fā)射信號(hào)中高、低電平的時(shí)間寬度記憶至擴(kuò)展存儲(chǔ)區(qū)的指定地址。當(dāng)要發(fā)射紅外信號(hào)時(shí)，從擴(kuò)展存儲(chǔ)區(qū)中還原出相應(yīng)的紅外遙控編碼，并調(diào)制到38KHz的載波信號(hào)上，最后，通過(guò)三極管放大電路驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)光二極管發(fā)射紅外信號(hào)，達(dá)到學(xué)習(xí)和發(fā)射的目的，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)遙控器控制多種紅外遙控設(shè)備。

3 遠(yuǎn)程控制技術(shù)

BOA服務(wù)器是一個(gè)小巧高效的web服務(wù)器，是一個(gè)運(yùn)行于unix或linux下的，支持CGI的、適合于嵌入式系統(tǒng)的單任務(wù)的http服務(wù)器，源代碼開(kāi)放、性能高。制作網(wǎng)頁(yè)并接入Internet，使用BOA作為web服務(wù)器，完成遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)程控制[6]。

4 系統(tǒng)架構(gòu)及工作原理

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)UART0接收DHT11、MQ2等傳感器采集的室內(nèi)空氣質(zhì)量參數(shù)，終端節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)無(wú)線發(fā)送到ZigBee協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過(guò)串口將數(shù)據(jù)傳輸至Mini2440，同時(shí)Mini2440接收以太網(wǎng)傳輸?shù)倪h(yuǎn)程控制數(shù)據(jù)和命令，將接收到的所有數(shù)據(jù)和命令進(jìn)行處理，根據(jù)處理結(jié)果得到相應(yīng)的控制命令，利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)將命令發(fā)送到學(xué)習(xí)型紅外遙控模塊，紅外遙控模塊對(duì)空調(diào)或排風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制，達(dá)到調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣質(zhì)量的目的。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以室內(nèi)空氣質(zhì)量問(wèn)題對(duì)居民身體健康的影響為出發(fā)點(diǎn)，設(shè)計(jì)基于嵌入式、ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、氣體傳感器檢測(cè)和無(wú)線紅外通信技術(shù)的室內(nèi)空氣質(zhì)量的監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)，來(lái)改善室內(nèi)空氣質(zhì)量。研究成果可以應(yīng)用到物流公司倉(cāng)庫(kù)的環(huán)境監(jiān)測(cè)和智能控制、醫(yī)藥公司的藥物存儲(chǔ)室等。

隨著無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、嵌入式技術(shù)、射頻技術(shù)和紅外無(wú)線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷成熟，現(xiàn)有室內(nèi)空氣質(zhì)量的監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)可以進(jìn)一步完善。具體可以從以下幾個(gè)方面繼續(xù)研究。

（1）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供了添加新的功能傳感器模塊接口。目前設(shè)計(jì)的室內(nèi)空氣質(zhì)量的監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)能夠檢測(cè)空氣內(nèi)的二氧化碳、甲醛、煙霧、溫度和濕度值。隨著新型傳感器技術(shù)的發(fā)展以及根據(jù)特定的氣體檢測(cè)要求，可以設(shè)計(jì)添加新的功能傳感器模塊。

（2）將射頻技術(shù)應(yīng)用到ARM9上。隨著物聯(lián)網(wǎng)概念的提出和與之配套的產(chǎn)品技術(shù)的不斷發(fā)展，路由器終端必將成為家庭設(shè)備與外界通信的核心媒介，所以可以將本設(shè)計(jì)中的ARM9終端與路由器功能相結(jié)合，使ARM9的功能更加強(qiáng)大，成為家庭物聯(lián)設(shè)備控制樞紐。

（3）設(shè)計(jì)多接口的無(wú)線網(wǎng)關(guān)設(shè)備。目前監(jiān)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)使用的無(wú)線網(wǎng)關(guān)是將接收到的ZigBee無(wú)線信號(hào)通過(guò)串口直接傳輸?shù)紸RM9?？梢栽跓o(wú)線網(wǎng)關(guān)設(shè)備上添加以太網(wǎng)等接口電路，將接收到的ZigBee信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為工業(yè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)格式后，傳送到企業(yè)管理網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)多個(gè)網(wǎng)關(guān)同時(shí)在一個(gè)企業(yè)網(wǎng)絡(luò)中工作。用戶(hù)通過(guò)調(diào)用管理網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器內(nèi)收集的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模監(jiān)測(cè)或遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)控制。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄒歡.住宅通風(fēng)與節(jié)能[J].城市住宅，2003（10）：4.

[2] 唐振名.田榮華.楊強(qiáng).ARM體系結(jié)構(gòu)與編程[M].電子工業(yè)出版社，2012.

[3] FriendlyARM.Mini2440用戶(hù)手冊(cè)[R].2013.

[4] 王小強(qiáng).歐陽(yáng)駿.黃寧淋.ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[5] 豈興明.唐杰.51單片機(jī)編程基礎(chǔ)與開(kāi)發(fā)實(shí)例詳解[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[6] Lambert M.Surhone，Mariam T. Tennoe，Susan F.Henssonow.Boa（Web Server）[Z].2011.