基于EnOcean?WiFi的遠(yuǎn)程室內(nèi)空氣監(jiān)測系統(tǒng)研究

安艷萍 錢平 陳超群

摘 要： 針對空氣質(zhì)量影響著人類的生活與健康的問題，設(shè)計一種基于EnOcean和WiFi雙重網(wǎng)絡(luò)的無線無源遠(yuǎn)程智能監(jiān)測系統(tǒng)?？諝鈾z測傳感器節(jié)點之間采用EnOcean協(xié)議進(jìn)行通信，經(jīng)過EnOcean轉(zhuǎn)WiFi模塊將傳感器采集的信息傳輸?shù)皆贫?，上位機(jī)利用LabVIEW對云端信息進(jìn)行分析后，定時推送信息，對空氣質(zhì)量語音播報、智能啟?？諝鈨艋鳎苿咏K端可以隨時查看和控制。該系統(tǒng)使用的新型傳感器技術(shù)與傳統(tǒng)的Zigbee、藍(lán)牙等技術(shù)相比，具有無源、實時、超低功耗的優(yōu)點，且不需要對電池進(jìn)行維護(hù)，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和安全效益。

關(guān)鍵詞： EnOcean技術(shù)； 無線無源監(jiān)測系統(tǒng)； 無線傳感網(wǎng)絡(luò)； 智能監(jiān)測

中圖分類號： TN926?34； TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）08?0064?04

Indoor air remote monitoring system based on EnOcean?WiFi

AN Yanping， QIAN Ping， CHEN Chaoqun

（ Engineering Innovation College， Shanghai Institute of Technology， shanghai 201418， China ）

Abstract： A wireless and passive remote intelligent monitoring system based on EnOcean and WiFi was designed for the influence of air quality on human life and health. Its communication between air detection sensor nodes is achieved by means of EnOcean protocol. The information collected by the sensor is transferred to cloud through EnOcean to WiFi module. After the cloud information is analyzed by PC with LabVIEW， PC sends the information to the terminal on time for voice broadcast of air quality， intelligent start?stop of air purifier， and examination and control by mobile terminal at any moment. Compared with conventional ZigBee and bluetooth technology， the new sensor technology has the advantages of passive， real?time， energy?saving， low power consumption， and doesnt need any maintenance for batteries. It achieved the economic and security benefits.

Keywords： EnOcean technology； wireless and passive monitoring system； wireless sensor network； intelligent monitoring

0 引 言

隨著人民生活水平的提高，對生活的舒適、健康、節(jié)能越來越重視，由于建筑、裝飾裝修、家具以及煤氣泄漏引發(fā)的室內(nèi)環(huán)境污染引起了人們的廣泛關(guān)注，因此，對室內(nèi)空氣質(zhì)量實時監(jiān)測具有重要意義。傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)的組網(wǎng)大多是采用有線的方式傳輸信號，文獻(xiàn)[1]總結(jié)了多種弊端：光纜、電纜布線不方便，費(fèi)用較高，容易損壞；由于距離遠(yuǎn)，信息不能準(zhǔn)確、及時地反饋；監(jiān)控范圍小。

隨著計算機(jī)、自動化、電子技術(shù)的不斷發(fā)展，無線網(wǎng)絡(luò)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)被應(yīng)用到空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)中。通常情況下，無線傳感器節(jié)點由電池供電，在監(jiān)測范圍較廣的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，通常有成百上千個節(jié)點，增加了更換電池的難度和成本。

針對以上問題，本文應(yīng)用一種新型的無線傳感技術(shù)，組建了EnOcean和WiFi雙重網(wǎng)絡(luò)的無線監(jiān)控管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)傳感器節(jié)點之間采用EnOcean協(xié)議進(jìn)行通信，通過EnOcean轉(zhuǎn)WiFi模塊將節(jié)點信息傳輸?shù)皆贫?，上位機(jī)對空氣質(zhì)量分析，將分析的結(jié)果通過語音播報、短信推送和移動終端應(yīng)用程序的方式，讓人們了解當(dāng)前的環(huán)境狀況，同時開啟空氣凈化器實現(xiàn)空氣的凈化處理，該系統(tǒng)功耗低，而且無線無源，不需要對電池進(jìn)行維護(hù)，靈活性、穩(wěn)定性好，具有更長使用壽命和更廣泛的監(jiān)測范圍。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和相關(guān)技術(shù)

1.1 EnOcean技術(shù)簡介

EnOcean是由德國公司推出了一種新型的無線傳輸技術(shù)，其技術(shù)是基于機(jī)械激發(fā)等能量捕獲原理，其無線傳感器不用電池，具有免維護(hù)功能。數(shù)據(jù)包僅為14 B，傳輸速率為120 Kb/s，設(shè)備傳輸頻率為[2]868.3 MHz，當(dāng)以1 mW的發(fā)射功率工作時，可保證超過300 m的傳輸距離。該技術(shù)與ZigBee，WiFi，Bluetooth，Z?Wave等無線技術(shù)相比最大的優(yōu)點就是功耗極低、無電池、免維護(hù)、傳輸距離最遠(yuǎn)。EnOcean無源無線通信時通過BACnet網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換成TCP/IP協(xié)議、WiFi協(xié)議和互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，可以實現(xiàn)室內(nèi)遠(yuǎn)程的控制和數(shù)據(jù)監(jiān)測，從而實現(xiàn)對空氣凈化治理的無線智能控制，提供一個安全的生活環(huán)境。

EnOcean無源通信模塊源于西門子的無線通信技術(shù)，其僅采用采集的能量來驅(qū)動低功耗的芯片組，實現(xiàn)高質(zhì)量的無線通信技術(shù)[2]。在保證通信距離的同時還具有超強(qiáng)的抗干擾能力，滿足惡劣的環(huán)境的要求，通過重復(fù)發(fā)送多個信號以及加密功能，保證整個通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性。

1.2 WiFi技術(shù)

WiFi無線通信技術(shù)是基于IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的，工作頻段在2.4 GHz以下，是目前使用最為廣泛的無線局域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以把計算機(jī)、手機(jī)等終端以無線的方式互相連接，實現(xiàn)了用戶間的數(shù)據(jù)連接[3]。WiFi無線通信技術(shù)具有帶寬自動調(diào)整的特性，在信號強(qiáng)度小或是存在干擾的情況下，帶寬可進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。在室內(nèi)空氣的智能監(jiān)測系統(tǒng)中，將數(shù)據(jù)通過WiFi技術(shù)發(fā)送到上位機(jī)，利用Internet的資源，發(fā)揮更大的功能。

將EnOcean技術(shù)和WiFi技術(shù)相結(jié)合，可以覆蓋全小區(qū)范圍，實現(xiàn)多功能無線網(wǎng)絡(luò)，意味著在小區(qū)物理空間內(nèi)形成了一個無線共享信息池，使住戶、設(shè)備和過程相互之間實現(xiàn)最優(yōu)互動，使得在合適的時間與地點始終有合適的人員存在，從而提升可靠性與安全性，保證了小區(qū)住戶的健康、舒適性。

1.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由上位機(jī)（PC機(jī)/移動終端）、云端、WiFi模塊、EnOcean無源通信模塊、空氣質(zhì)量分析軟件空氣凈化器等組成，監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。其中：移動終端，實時監(jiān)測室內(nèi)空氣的質(zhì)量；云端，存儲節(jié)點信息。n個空氣檢測傳感器，不同的模塊有不同的檢測功能，例如甲醛傳感器檢測空氣中甲醛的含量有沒有超標(biāo)，煤氣傳感器檢測煤氣有沒有泄露的情況，一氧化碳傳感器檢測一氧化碳的情況，粉塵傳感器檢測春天粉塵濃度，空氣綜合質(zhì)量傳感器檢測空氣中多種氣體的含量，如果氧氣的含量下降，細(xì)菌以及濕度的含量增加，會提示通風(fēng)換氣、凈化空氣器開啟等；空氣質(zhì)量分析軟件，會根據(jù)傳輸過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理；空氣質(zhì)量語音播報器，是利用語音合成技術(shù)，嵌入語音合成芯片，把空氣質(zhì)量分析結(jié)果合成語音播報出來，及時地提醒住戶采取措施以免事故發(fā)生；空氣凈化器是整個系統(tǒng)的凈化終端，其可以凈化粉塵、煙等可吸入顆粒物，它的活性炭濾網(wǎng)能夠減少甲烷含量，光觸媒濾網(wǎng)能夠高效降解空氣中的有毒有害氣體，有效殺滅多種病菌。

2 總體方案設(shè)計

2.1 CORTEX?M0控制器模塊

主控芯片采用基于ARM CORTEX?M0的32位處理器，主要特點：主頻50 MHz，0.9 DMIPS/MHz，運(yùn)行效率很高，能在較少的周期里完成一項任務(wù)；處理內(nèi)核、系統(tǒng)和存儲器小，降低了成本；有3種電源管理模式，具有良好的能耗效率；提供快速中斷向量控制器NVIC，滿足高速臨界的控制應(yīng)用。支持UART、SPI控制器、I2C總線接口等串行外設(shè)，集成的CGU（Clock Generation Unit）結(jié)合一個DLL，可從主晶體震蕩器、內(nèi)部RC震蕩器中提供系統(tǒng)時鐘生成提供多種封裝選項。組成框圖見圖2。

無線傳感器節(jié)點通過EnOcean通信，不需要給傳感器節(jié)點額外提供電池供電，但處理器CORTEX?M0芯片需要提供供電模塊。由于CORTEX?M0內(nèi)部同時具有PLL、10位的ADC的模擬部件，屬于A/D混合系統(tǒng)，模擬部件和數(shù)字部件通過不同的引腳分開供電，供電電路示意圖如圖3所示。

2.2 WG1300?B0模塊

WiFi模塊選用JorJin公司的WG1300?B0模塊，WG1300?B0芯片是一款內(nèi)置IEEE 802.11無線網(wǎng)MAC/基帶的單芯片，集成TCP/IP協(xié)議，實現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計的嵌入式網(wǎng)絡(luò)芯片，能夠隨時隨地啟用通用IP連接，與低內(nèi)存、低成本、低功耗微控制器系統(tǒng)輕松配對，主要特點：尺寸小、集成度高、功耗低、性價比高。

2.3 傳感器中心節(jié)點硬件設(shè)計

在室內(nèi)放置若干個不同功能的傳感器，對井下不同氣體進(jìn)行檢測、采集數(shù)據(jù)，通過EnOcean建立無線通信網(wǎng)絡(luò)。傳感器中心節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

EnOcean系統(tǒng)組成模塊主要有無線能量采集傳感器模塊、接收和發(fā)射模塊、無線能量采集開關(guān)、無線通信模塊。傳感器室內(nèi)各種氣體含量進(jìn)行檢測、采集數(shù)據(jù)，通過射頻收發(fā)器接收傳感器模塊采集的信號，之后無線通信模塊與其他傳感器節(jié)點進(jìn)行無線通信，交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)。

傳感器節(jié)點之間采用EnOcean協(xié)議進(jìn)行通信，多個不同功能的傳感器節(jié)點采集空氣中甲醛濃度、一氧化碳濃度、粉塵濃度、其他有害氣體以及氧氣等濃度，這些信號通過射頻收發(fā)器匯總到傳感器中心節(jié)點，通過CORTEX?M0處理器，由數(shù)據(jù)處理單元處理后送往數(shù)據(jù)傳輸單元，通過天線將WiFi信號發(fā)送到云端。基于CORTEX?M0芯片驅(qū)動，將EnOcean和WG1300?B0模塊進(jìn)行二次封裝，減小模塊的體積和降低功耗。

采用SWD串行模式進(jìn)行調(diào)試，SWD調(diào)試接口的信號與CORTEX?M0主要采用串行時鐘和串行調(diào)試數(shù)據(jù)輸入/輸出，連接電路如圖5所示。圖中給出了SWD引腳信號的定義以及與芯片CORTEX?M0的引腳的連接，在接口處選擇10 kΩ的上拉、下拉電阻。

CORTEX?M0控制器與WiFi之間使用異步串行通信接口，UART的總線通過一個串行發(fā)送引腳TXD和一個串行接收引腳RXD，進(jìn)行雙向通信，實現(xiàn)了全雙工傳輸和接收。CORTEX?M0控制器通過USART串口與ARM控制終端COM口進(jìn)行連接；由于電平為TTL，串口電路通過MAX232實現(xiàn)電平的轉(zhuǎn)換。串行接口圖如圖6所示。

3 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計及主要流程

空氣檢測傳感器節(jié)點是檢測網(wǎng)絡(luò)的核心，Cortex?M0控制系統(tǒng)先進(jìn)行系統(tǒng)初始化操作及配置相應(yīng)的外設(shè)端口，微控制器的外設(shè)配置包括： NVIC配置、WIC、睡眠模式和節(jié)能、存儲系統(tǒng)大小端模式、系統(tǒng)滴答時鐘等。系統(tǒng)初始化以及外設(shè)配置完成后，根據(jù)多個不同傳感器節(jié)點對空氣質(zhì)量的采集 EnOcean可實現(xiàn)信息的連續(xù)多次采樣，保證了采集的穩(wěn)定性和信息的準(zhǔn)確性。通過射頻收發(fā)器接收來自傳感器節(jié)點的信號，數(shù)據(jù)保存選擇保存在云端，通過WiFi利用一定的通信規(guī)約發(fā)送通信報文；上位機(jī)通過LabVIEW軟件編程，有一個良好的人機(jī)交互界面，監(jiān)控人員可以對空氣的參數(shù)有一個直觀的了解；通過上位機(jī)對信息的處理，向相關(guān)人員推送當(dāng)前空氣狀況，當(dāng)有質(zhì)量超標(biāo)時報警，并向相關(guān)人員發(fā)出告警信息，使相關(guān)人員可以及時采取措施。傳感器節(jié)點程序流程圖和質(zhì)量分析軟件程序流程圖如圖7所示。

4 系統(tǒng)軟件的測試分析

空氣質(zhì)量分析軟件是整個監(jiān)控系統(tǒng)的核心，它對云端的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理。系統(tǒng)軟件開發(fā)是基于LabVIEW的VISA模塊，主要優(yōu)點是不受平臺、總線和環(huán)境的限制，按照一定的調(diào)用流程，可以對USB，串口以及以太網(wǎng)等進(jìn)行編程、調(diào)試和配置[4]。系統(tǒng)軟件設(shè)計程序調(diào)用流程圖如8所示。

空氣質(zhì)量分析軟件能夠完成數(shù)據(jù)的分析和處理，并且具有很強(qiáng)的移動網(wǎng)絡(luò)通信功能，將程序發(fā)布到Web瀏覽器上，能夠遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)，程序前面板交互界面嵌入到HTML網(wǎng)頁中，用戶通過瀏覽器可以遠(yuǎn)程登陸和控制監(jiān)測系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，進(jìn)行語音播報、短信提醒等，提醒管理員采取相應(yīng)的措施。

5 結(jié) 論

系統(tǒng)在硬件設(shè)計中，采用模塊化的設(shè)計思想，便于測試和修改，利用CORTEX?M0控制芯片和傳感器，以EnOcean和WiFi技術(shù)作為通信手段，完成了傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)采集模塊、設(shè)計，通過上位機(jī)對信息處理，實現(xiàn)了信息發(fā)送和語音播報等功能?；?EnOcean 和 WiFi 雙重網(wǎng)絡(luò)下的超低功耗智能監(jiān)測系統(tǒng)測試表明：

（1） 使用EnOcean技術(shù)，傳感器節(jié)點無需電池供電，降低了成本，監(jiān)測靈活，監(jiān)測范圍廣；

（2） 控制系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前的空氣質(zhì)量狀況對空氣凈化器進(jìn)行智能控制，同時通過移動終端也可以遠(yuǎn)程控制，數(shù)據(jù)傳輸通過云端傳輸，便于保存分析歷史數(shù)據(jù)；

（3） 實時監(jiān)控，擁有可視化界面，便于查詢和管理，對空氣質(zhì)量可以語音播報，短息提醒，實現(xiàn)了分散控制、集中管理，給人們提供了健康、安全、舒適的生活環(huán)境。

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