室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

郭聯(lián)金，虞曉瓊，王國(guó)勝 ，林繼隆

(1.東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，廣東 東莞 523808；2.深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 交通與環(huán)境學(xué)院，廣東 深圳 518172)

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室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

郭聯(lián)金1，虞曉瓊1，王國(guó)勝2，林繼隆1

(1.東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，廣東 東莞 523808；2.深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 交通與環(huán)境學(xué)院，廣東 深圳 518172)

采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和基于ARM+Linux的嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)，設(shè)計(jì)了一款室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能對(duì)甲醛、PM2.5等空氣品質(zhì)因子進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集，并通過二級(jí)數(shù)據(jù)融合評(píng)估和輸出室內(nèi)空氣環(huán)境的質(zhì)量等級(jí)?？蛻舳擞?jì)算機(jī)與智能手機(jī)可借助于無線與有線網(wǎng)絡(luò)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的環(huán)境監(jiān)測(cè)提供了有效的解決方案。

多傳感器；數(shù)據(jù)融合；室內(nèi)環(huán)境；遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)

引用格式：郭聯(lián)金，虞曉瓊，王國(guó)勝,等. 室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(18)：99-102.

0　引言

對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)、長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)和控制對(duì)于保障大眾身體健康具有非常現(xiàn)實(shí)的意義。目前，采用嵌入式技術(shù)與無線傳感網(wǎng)絡(luò)對(duì)室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制，并構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)，已成為智能家居的發(fā)展趨勢(shì)和研究熱點(diǎn)[1-3]。溫濕度和有害氣體濃度是評(píng)判室內(nèi)空氣品質(zhì)不可或缺的參數(shù)。采用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和基于ARM+Linux的嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)了一款室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可對(duì)甲醛、一氧化碳、TVOC(總揮發(fā)性有機(jī)化合物)、PM2.5的濃度及溫濕度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過數(shù)據(jù)融合計(jì)算、評(píng)估和輸出室內(nèi)空氣環(huán)境的質(zhì)量等級(jí)?？蛻舳?計(jì)算機(jī)或智能手機(jī))可通過互聯(lián)網(wǎng)和無線網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問。

1　系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

ZibBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分布在監(jiān)測(cè)區(qū)域，由多個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)組成，采用無線并行通信方式，通過感知和采集溫度、濕度、氣體濃度等環(huán)境參數(shù)，形成一個(gè)相互協(xié)作的網(wǎng)絡(luò)[4]。因本系統(tǒng)通信距離短、數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)少，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與各傳感節(jié)點(diǎn)采用星形網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器與各終端節(jié)點(diǎn)分別采用廣播、單播的數(shù)據(jù)傳送方式進(jìn)行通信?？赏ㄟ^增加獨(dú)立的子節(jié)點(diǎn)，擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)容量，增大網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域。

圖1　系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

如圖1所示，系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、ZigBee無線傳輸模塊、主控制器與遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)終端組成。數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)由各類傳感器采集環(huán)境信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理并向ZigBee無線傳輸模塊發(fā)送信息。ZigBee無線傳輸模塊接收傳感節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，并傳送至主控制器。主控制器對(duì)ZigBee無線傳輸模塊發(fā)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析和計(jì)算，通過路由器和WiFi網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送至智能手機(jī)、PC等用戶終端。主控制器處理各種軟件和協(xié)議，在網(wǎng)絡(luò)中相當(dāng)于網(wǎng)關(guān)和連接多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的橋梁。ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立、組織和管理，與終端的數(shù)據(jù)采集子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線數(shù)據(jù)交換，同時(shí)與主控制器相互通信[5]。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1環(huán)境數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

環(huán)境數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)模塊由以射頻芯片CC2530為核心的ZigBee射頻通信模塊、各傳感器模塊、電源及LED指示電路等組成(如圖2所示)，構(gòu)成多個(gè)ZigBee傳感器節(jié)點(diǎn)。其中，射頻通信模塊由CC2530與PCB天線構(gòu)成，用于接收主節(jié)點(diǎn)傳來的控制信號(hào)。CC2530芯片集成了RF收發(fā)器、增強(qiáng)型8051CPU、8 KB RAM，支持多組協(xié)議的USART和DMA功能，支持ZigBee 2007/Pro 協(xié)議棧，可運(yùn)行在不同的模式下以適應(yīng)超低功耗的要求。傳感器模塊由各類傳感器檢測(cè)電路組成，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各項(xiàng)室內(nèi)環(huán)境參數(shù)；8051CPU負(fù)責(zé)傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存、處理和控制模塊中其他電路。電源模塊用于外接電源供電與電池供電兩種供電方式的管理和切換，以保證系統(tǒng)正常、低功耗工作。LED指示電路對(duì)整個(gè)模塊的工作狀態(tài)進(jìn)行指示。JTAG口為程序調(diào)試和燒寫所必需的接口。環(huán)境數(shù)據(jù)采集ZigBee終端將信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理與無線通信三種功能合為一體[6]，將傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，再通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。

圖2　環(huán)境監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.2環(huán)境檢測(cè)傳感器的選用

室內(nèi)空氣品質(zhì)的重要影響因素主要包括各種有害的污染氣體、粉塵以及影響人舒適感的溫濕度。因而，系統(tǒng)主要檢測(cè)的環(huán)境參數(shù)為溫濕度、甲醛、一氧化碳、TVOC、PM2.5。從性能指標(biāo)、接口方式等方面選用傳感器：溫濕度傳感器選用SHT11，甲醛檢測(cè)電路模組選用DS-HCHO數(shù)字輸出式傳感器，一氧化碳檢測(cè)電路模塊選用ZE07-CO型電化學(xué)一氧化碳模組，TVOC的檢測(cè)采用混合氣體傳感器MAQ400電路模塊，PM2.5檢測(cè)選用顆粒檢測(cè)模塊AS-AQM101。

2.3控制器模塊設(shè)計(jì)

嵌入式平臺(tái)硬件的總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。主控制器模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)、計(jì)算、分析和處理，協(xié)議的轉(zhuǎn)換和任務(wù)的調(diào)度，外圍設(shè)備的運(yùn)行管理以及界面顯示等工作。采用ARM11內(nèi)核、32位嵌入式RISC微處理器S3C6410作為核心，它支持Linux、Android等多種操作系統(tǒng)。主控制器模塊包含ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)通信接口、2個(gè)UART接口、串口、JTAG口、GSM/GPRS接口、WiFi接口等[7]，能為通信服務(wù)提供優(yōu)化的H/W性能，具有高性能、低功耗的顯著優(yōu)勢(shì)，能很好滿足系統(tǒng)中無線通信的需求。

圖3　嵌入式平臺(tái)硬件總體結(jié)構(gòu)

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)作為開發(fā)平臺(tái)，將嵌入式Linux 操作系統(tǒng)移植到ARM芯片中，通過計(jì)算機(jī)和JTAG口完成U-Boot、Linux內(nèi)核、YAFFS2根文件及監(jiān)測(cè)界面軟件等的編譯和燒寫[8]。室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用客戶機(jī)/服務(wù)器(C/S)體系結(jié)構(gòu)[9]。系統(tǒng)軟件按照功能模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括數(shù)據(jù)采集終端、監(jiān)測(cè)客戶端、數(shù)據(jù)處理等部分。

圖4　數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)的程序設(shè)計(jì)

圖5　監(jiān)控客戶端程序設(shè)計(jì)

3.1數(shù)據(jù)采集終端程序設(shè)計(jì)

圖4所示為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)的程序流程。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)后，數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)首先進(jìn)行初始化設(shè)置(如COM口、通信波特率設(shè)置等)，申請(qǐng)入網(wǎng)，成功后按照客戶端設(shè)置的方式工作。節(jié)點(diǎn)一直處于監(jiān)聽狀態(tài)，收到采集信號(hào)命令時(shí)，喚醒節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理并轉(zhuǎn)發(fā)至主協(xié)調(diào)器。監(jiān)測(cè)軟件讀取協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并通過槽函數(shù)的數(shù)據(jù)包頭及命令號(hào)定位數(shù)據(jù)來源于何節(jié)點(diǎn)。

3.2監(jiān)測(cè)客戶端程序設(shè)計(jì)

客戶端主要實(shí)現(xiàn)用戶與系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互，通過監(jiān)測(cè)界面監(jiān)視環(huán)境狀況。客戶端程序設(shè)計(jì)如圖5所示。用戶登錄軟件，發(fā)布管理命令，軟件通過網(wǎng)絡(luò)將操作請(qǐng)求傳送到主控制器，通過網(wǎng)絡(luò)套接字返回?cái)?shù)據(jù)。若結(jié)果正確，則處理下一個(gè)操作請(qǐng)求，否則，再次監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)。監(jiān)測(cè)界面應(yīng)用Qt 開發(fā)，利用connect、bind、writedatagram

圖6　二級(jí)數(shù)據(jù)融合結(jié)構(gòu)

等主要的功能函數(shù)將Qt移植到ARM和遠(yuǎn)程監(jiān)控終端，實(shí)現(xiàn)ARM從協(xié)調(diào)器中讀取數(shù)據(jù)，顯示界面和將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到遠(yuǎn)程監(jiān)控終端[10]。

4　室內(nèi)空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)

(1)

5　多傳感器數(shù)據(jù)融合設(shè)計(jì)

5.1數(shù)據(jù)融合模型

根據(jù)室內(nèi)居室房間的一般布局情況，結(jié)合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中測(cè)試點(diǎn)的布置要求[13]，在小于50 m2的3個(gè)房間各設(shè)置1個(gè)測(cè)試點(diǎn)，即室內(nèi)空間中布置3個(gè)無線檢測(cè)終端節(jié)點(diǎn)。測(cè)試點(diǎn)高度設(shè)為1.5 m，并遠(yuǎn)離房間外門、窗戶等通風(fēng)口。由于來自無線傳感器網(wǎng)絡(luò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)具有不確定性、不一致性，而貝葉斯(Bayers)理論和模糊理論在不確定性預(yù)測(cè)中具有突出的優(yōu)點(diǎn)，其理論研究與應(yīng)用也較為成熟，為此，采用基于貝葉斯理論和模糊理論的二級(jí)數(shù)據(jù)融合算法對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估和分級(jí)。如圖6所示，第一級(jí)數(shù)據(jù)融合采用貝葉斯理論對(duì)同類傳感器的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步融合，產(chǎn)生一個(gè)后驗(yàn)概率值，以獲得某一種被測(cè)參數(shù)(如甲醛濃度)的一致性值；第二級(jí)數(shù)據(jù)融合采用基于模糊理論的綜合指數(shù)法，計(jì)算各項(xiàng)環(huán)境要素的觀測(cè)值和綜合指數(shù)，得到室內(nèi)空氣質(zhì)量的評(píng)價(jià)等級(jí)。

5.2數(shù)據(jù)融合的實(shí)現(xiàn)過程

第一級(jí)數(shù)據(jù)融合以3個(gè)傳感器檢測(cè)各目標(biāo)氣體H1、H2、H3、H4、H5，各傳感器的觀測(cè)值為E1、E2、E3。由專家系統(tǒng)或監(jiān)測(cè)人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)獲得每個(gè)傳感器關(guān)于目標(biāo)說明的先驗(yàn)概率P(H|Ei)。根據(jù)貝葉斯理論公式：

(1)

計(jì)算目標(biāo)氣體的融合概率，例如，設(shè)觀測(cè)值E1、E2、E3相互獨(dú)立，計(jì)算甲醛的后驗(yàn)概率為：

(2)

式中：H1、H2、H3、H4、H5分別表示甲醛、一氧化碳、TVOC、PM2.5、溫度和濕度6種環(huán)境要素，每種環(huán)境要素使用同類傳感器進(jìn)行檢測(cè)，其觀測(cè)數(shù)據(jù)為E1、E2、E3三組數(shù)據(jù)。其余目標(biāo)氣體后驗(yàn)概率的計(jì)算以此類推。

5.3數(shù)據(jù)融合結(jié)果

二級(jí)數(shù)據(jù)融合方法的處理結(jié)果如表2所示。對(duì)比來自各個(gè)節(jié)點(diǎn)單個(gè)傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與二級(jí)數(shù)據(jù)融合后的監(jiān)測(cè)結(jié)果，可知數(shù)據(jù)融合能有效地提高測(cè)量數(shù)據(jù)的精度，改善系統(tǒng)的容錯(cuò)性、可靠性，并能夠?qū)κ覂?nèi)環(huán)境的全局狀況作出正確的評(píng)估。客戶端計(jì)算機(jī)與移動(dòng)通信終端可通過無線網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問。圖7所示為智能手機(jī)上顯示的室內(nèi)空氣環(huán)境的監(jiān)控界面。

表2　數(shù)據(jù)融合計(jì)算結(jié)果

圖7　移動(dòng)終端上的監(jiān)控界面

6　結(jié)論

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)與嵌入式技術(shù)是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)?；赯igBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，采用ARM+Linux硬件結(jié)構(gòu)組建室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，運(yùn)用貝葉斯的數(shù)據(jù)級(jí)融合結(jié)合模糊理論的決策級(jí)融合的方法提高系統(tǒng)測(cè)量精度并對(duì)環(huán)境作出可信的評(píng)價(jià)。系統(tǒng)成本和功耗低、組網(wǎng)靈活、抗干擾性強(qiáng)，適用于對(duì)室內(nèi)空氣環(huán)境的長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)采集。若將家居環(huán)境監(jiān)測(cè)與家電控制組成智能家居網(wǎng)絡(luò)，可成為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的有效解決方案。

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Design and implementation of indoor air quality monitoring system

Guo Lianjin1，Yu Xiaoqiong1，Wang Guosheng2，Lin Jilong1

(1.Department of Electrical and Mechanical Engineering, Dongguan Polytechnic, Dongguan 523808,China; 2.Faculty of Transportation and Environment, Shenzhen Institute of Information Technology, Shenzhen 518172, China)

An indoor air quality monitoring system was designed which was constructed by wireless sensor network and embedded system based on ARM & Linux architecture. Air quality factors such as formaldehyde and PM2.5 can be collected and the grade can be evaluated and output through the two level data fusion. Remote access and real-time monitoring of data can be achieved by client computer and smart phone with the heterogeneous network of cable and wireless. It provides an effective solution for environment monitoring in the Internet of Things.

multisensor; data fusion；indoor air; remote monitoring

廣東省大學(xué)生科技創(chuàng)新培育專項(xiàng)；東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研項(xiàng)目

TP23

ADOI： 10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.18.029

2016-04-22)

郭聯(lián)金(1981-)，通信作者，女，碩士研究生，講師，主要研究方向：檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化控制。E-mail: 278169397@qq.com。

虞曉瓊(1979-)，女，碩士研究生，工程師，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。

王國(guó)勝(1978-)，男，碩士研究生，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向：環(huán)境檢測(cè)與控制。