基于嵌入式技術(shù)的居室健康環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

李 楊，郭培源，劉 波，向玲孜

（北京工商大學(xué) 計算機與信息工程學(xué)院，北京 100048）

居室空氣質(zhì)量的好壞影響著人體的健康。許多居室環(huán)境的監(jiān)測是采用PC作為控制中心，不便于移動。而且大多采用有線的布線方式[1]，因此存在可移動性差、布線繁瑣、功能可擴展性差、維護難的問題[2]。針對以上問題，本文設(shè)計了一種易于擴展并且可移動的無線式居室健康環(huán)境檢測系統(tǒng)。本系統(tǒng)根據(jù)國家室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，對主要環(huán)境參數(shù)進行檢測，并通過數(shù)據(jù)融合以及模糊算法對其進行處理，用戶可在客戶終端上了解到居室環(huán)境質(zhì)量狀況、環(huán)境健康預(yù)警及采取的措施。

1系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 總體模塊設(shè)計

本系統(tǒng)為了能夠?qū)崿F(xiàn)可移動性，采用模塊化的設(shè)計方式，將系統(tǒng)分為終端采集模塊以及控制中心模塊，模塊結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。終端采集模塊由傳感器與ZigBee終端組成，主要實現(xiàn)居室環(huán)境信息采集以及數(shù)據(jù)傳送功能；控制中心模塊由控制器樹莓派與ZigBee協(xié)調(diào)器組成，主要完成對各終端節(jié)點傳送數(shù)據(jù)的接收以及數(shù)據(jù)處理，顯示居室環(huán)境參數(shù)狀況以及與Internet網(wǎng)絡(luò)進行通信。

圖1 模塊結(jié)構(gòu)圖

1.2 總體工作流程設(shè)計

圖2 系統(tǒng)總體工作流程

系統(tǒng)內(nèi)部由ZigBee網(wǎng)絡(luò)組成，所采集的數(shù)據(jù)通過居室內(nèi)部所建立的網(wǎng)絡(luò)傳輸[3]。總體工作流程如圖2所示。分布在居室內(nèi)部的各傳感器定時采集居室環(huán)境參數(shù)，通過ZigBee無線通信，由控制器接收并處理數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合和模糊算法的處理，將居室環(huán)境信息顯示到由QT所設(shè)計的系統(tǒng)界面中。用戶也可通過網(wǎng)絡(luò)遠程訪問控制器，了解居室內(nèi)部環(huán)境情況。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 控制中心硬件設(shè)計

本系統(tǒng)中，控制中心的控制器采用樹莓派(Raspberry pi)，它是一款基于ARM的微型電腦主板，又稱卡片式電腦，是由英國慈善組織“Raspberry Pi基金會”開發(fā)的。樹莓派是一個開源的硬件，可支持Linux操作系統(tǒng)，其硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。它使用SoC(片上系統(tǒng))，是Broadcom公司的 BCM2835，其中 CPU以 ARM11為核心，接口包括2個USB2.0接口并且支持USB Hub擴展，同時擁有視頻模擬信號的電視輸出接口和HDMI高清視頻輸出接口、一個以太網(wǎng)接口、8XGPIO、一組 UART、一組I2C以及兩個選擇的SPI總線[4]。

圖3 樹莓派硬件結(jié)構(gòu)示意圖

ZigBee協(xié)調(diào)器負責(zé)各ZigBee終端節(jié)點的通信管理、數(shù)據(jù)的傳輸以及動態(tài)組網(wǎng)。本系統(tǒng)中ZigBee協(xié)調(diào)器選用的是德州儀器公司的CC2530芯片，它是基于2.4 GHz IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE的片上系統(tǒng)解決方案，支持低功耗及安全可靠的無線通信。

樹莓派接口中含有一路UART串行接口，其第8引腳是TXD，第10引腳是RXD。利用該接口可以與ZigBee協(xié)調(diào)器連接和通信。其硬件連接示意圖如圖4所示。

2.2 采集模塊硬件設(shè)計

根據(jù)國家室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB/T18883-2002對可能影響人體健康以及舒適程度的環(huán)境參數(shù)進行檢測，主要包括溫濕度、二氧化硫、一氧化碳、二氧化碳和甲醛。傳感器與ZigBee終端節(jié)點相連，Zig-Bee 終端節(jié)點選用CC2530與ZigBee協(xié)調(diào)器進行通信。

圖4 硬件連接示意圖

溫濕度傳感器選用SHT71數(shù)字式傳感器，其內(nèi)部集成了溫度傳感器以及濕度傳感器，并且包括14位A/D轉(zhuǎn)換器和串口電路。其溫度和濕度的測量分別可達到14位和12位的分辨率。由于其相對濕度的輸出存在一定的非線性，因此需要進行修正?？砂词?1)修正濕度值：

式中RHL為相對濕度修正值，SORH為傳感器相對濕度測量值。

當(dāng)溫度T≠25℃時，需對相對溫度進行溫度補償，補償公式如式（2）：

式中RHT是溫度為T時的相對濕度值。

當(dāng)供電電壓為3 V時，將溫度輸出轉(zhuǎn)換為實際溫度值的公式如式（3）：

式中T為實際溫度值，單位為℃。

二氧化硫傳感器選用SO2-7SH型三極型電化學(xué)傳感器，測量范圍為0～100×10-6。它將空氣中的二氧化硫氣體轉(zhuǎn)化為電流，并通過運放將電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號。

一氧化碳傳感器選用MQ-7。它對一氧化碳氣體有良好的靈敏度，可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與一氧化碳濃度相對應(yīng)的輸出信號。當(dāng)一氧化碳濃度增大時，傳感器的電導(dǎo)率也隨之增大。

二氧化碳傳感器選用MG811。其對二氧化碳有良好的靈敏度以及選擇性，具有很好的穩(wěn)定性。

甲醛傳感器選用Dart Sensor公司的甲醛檢測傳感器，它能在不采用氣泵抽取的前提下連續(xù)地檢測空氣中的甲醛氣體。傳感器輸出地電流與空氣中的甲醛濃度呈線性關(guān)系，傳感器檢測到的電信號經(jīng)過數(shù)據(jù)處理[5]后送至CCS2530。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 終端模塊主程序設(shè)計

終端模塊的主要作用是采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)打包后通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器。終端模塊的主程序流程如下：從硬件上電開始先進行初始化，然后尋找網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)入，加入網(wǎng)絡(luò)后進入低功耗模式，等待采集時間到后采集數(shù)據(jù)，隨后將數(shù)據(jù)進行處理并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器，最后進入低功耗模式等待下一次采集時間。

3.2 協(xié)調(diào)器主程序設(shè)計

ZigBee協(xié)調(diào)器主要起到建立網(wǎng)絡(luò)以及管理網(wǎng)絡(luò)的作用，從各個節(jié)點接收數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)通過UART傳給控制器。協(xié)調(diào)器主程序流程如下：從硬件上電開始先初始化，然后建立網(wǎng)絡(luò)等待新節(jié)點加入，當(dāng)有新節(jié)點加入時儲存其網(wǎng)絡(luò)地址并等待接收節(jié)點數(shù)據(jù)，最后對數(shù)據(jù)進行解析并發(fā)送給樹莓派控制器。

3.3 控制器軟件設(shè)計

3.3.1 控制器主程序設(shè)計

樹莓派通過Python來使用GPIO端口上的針腳，因此需要安裝GPIO的Python庫。為了與ZigBee協(xié)調(diào)器進行通信，需用到樹莓派上的UART，而系統(tǒng)把這個串口默認為調(diào)試口，因此需要編輯配置文件cmdline.txt來關(guān)閉調(diào)試輸出功能，這樣就可以正常使用該串口。

控制器從ZigBee協(xié)調(diào)器收到數(shù)據(jù)信息，并對數(shù)據(jù)進行處理后用文字語言顯示當(dāng)前居室環(huán)境各個參數(shù)狀況以及相應(yīng)的建議或提醒?？刂破髦鞒绦蛄鞒倘缦拢嚎刂破鳂漭杀O(jiān)測UART串口數(shù)據(jù)，當(dāng)有數(shù)據(jù)時，首先解析數(shù)據(jù)，判斷各個傳感器數(shù)據(jù)信息，之后對數(shù)據(jù)進行模糊算法處理，得出各個參數(shù)的語言變量值；最后將環(huán)境健康預(yù)警結(jié)果及應(yīng)采取的措施顯示在客戶終端上。

3.3.2 數(shù)據(jù)處理

居室內(nèi)某一個參數(shù)需要通過分布在居室不同空間位置的多個傳感器進行數(shù)據(jù)采集。為了達到檢測精度及減少誤差，在數(shù)據(jù)處理時需要進行多傳感器數(shù)據(jù)融合。根據(jù)各個終端節(jié)點具體的分布情況，用求概率權(quán)的方法進行數(shù)據(jù)融合[6]，所選權(quán)重不會受到主觀因素的影響，可客觀、真實地反映各個傳感器所測量數(shù)據(jù)。利用概率權(quán)重Wi，每個參數(shù)按如下式（4）進行數(shù)據(jù)融合：

以國家室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB/T18883-2002作為參考，對數(shù)據(jù)融合后的數(shù)據(jù)進行模糊化處理[7]。為每個參數(shù)在其取值范圍上定義3個概念，比如一氧化碳濃度（0～30 mg/m3）定義 3個概念（未超標(biāo)、輕微超標(biāo)、嚴(yán)重超標(biāo)），選用梯形隸屬度函數(shù)。一氧化碳與甲醛作為人體健康主要的影響因素，需要將一氧化碳以及甲醛所得的語言值進行綜合處理求出健康危害程度，相應(yīng)的健康危害程度規(guī)則如表1所示。通過以上的數(shù)據(jù)處理可以為用戶提供更加直觀易懂的語言信息。

表1 健康危害程度規(guī)則表

根據(jù)各個參數(shù)的語言值提供建議或提醒，如當(dāng)空氣中危險氣體濃度將要超過標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值時，提醒用戶開窗通風(fēng)，保持空氣流通；當(dāng)家居環(huán)境濕度過低時，提醒用戶注意保持空氣濕潤，并且會提出建議，提供能保持潮濕的有效措施，這樣有助于保持人居健康環(huán)境。

3.3.3 程序界面設(shè)計

用QT設(shè)計程序界面，在Linux系統(tǒng)中操作方便，用戶更加容易了解環(huán)境狀況[8]。在樹莓派上安裝QT用aptget命令，再安裝 qtcreator，最后打開 qtcreator配置編譯環(huán)境。當(dāng)打開QT程序后環(huán)境信息就會顯示到界面上，其中包括各個參數(shù)的具體數(shù)值以及相對應(yīng)的語言值、健康的危害程度以及相應(yīng)的措施。

本文以樹莓派作為核心控制器，在Linux系統(tǒng)下進行軟件設(shè)計，運用ZigBee無線技術(shù)，研究和實現(xiàn)了一種家居健康環(huán)境檢測系統(tǒng)方案。樹莓派作為主要的控制器，使得系統(tǒng)功能的修改以及拓展更為方便；采用模塊化設(shè)計，使得各終端節(jié)點可根據(jù)具體的要求增減與布局。本系統(tǒng)可應(yīng)用于更加復(fù)雜的智能家居系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集應(yīng)用中。

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