基于有害氣體的物聯(lián)網(wǎng)檢測系統(tǒng)設(shè)計

劉俊琪，王黎明，侯 亮，周 旸，郭天賜

（吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，吉林 長春 132101）

基于有害氣體的物聯(lián)網(wǎng)檢測系統(tǒng)設(shè)計

劉俊琪，王黎明，侯 亮，周 旸，郭天賜

（吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，吉林 長春 132101）

針對目前室內(nèi)有害氣體檢測方面存在的問題，文章介紹了一種能夠?qū)崟r監(jiān)測室內(nèi)有害氣體濃度的預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)由氣體傳感器、單片機(jī)、GPRS等模塊構(gòu)成，其中以ZigBee cc2530為主要核心，能實現(xiàn)對有害氣體的檢測與數(shù)據(jù)傳送，可通過電腦或手機(jī)進(jìn)行實時監(jiān)測。該傳感器網(wǎng)絡(luò)具有工作穩(wěn)定、精度高等特點。

ZigBee cc2530；氣體傳感器MQ-2；傳感器網(wǎng)絡(luò)

1 有害氣體檢測研究

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，有害氣體在人們的生活中越來越常見，而這一現(xiàn)象在裝修房屋時體現(xiàn)得尤為明顯。但目前市面上有害氣體的監(jiān)測系統(tǒng)都存在很多問題[1]：

（1）多為現(xiàn)場檢測；線路多，不易挪動。

（2）操作復(fù)雜；很多家庭疲于檢測。這就導(dǎo)致了許多家庭在買房后對房間進(jìn)行裝修時難以對其所散發(fā)的有害氣體引起注意，長此以往很容易患上例如白血病等類似疾病。所以對此提出一種適合于室內(nèi)的有害氣體監(jiān)測設(shè)備，通過手機(jī)移動終端App的應(yīng)用開發(fā)來對有害氣體進(jìn)行實時監(jiān)控。用手機(jī)來給人們預(yù)報有害氣體殘余量的具體情況是便捷且有效的，具有較高的性價比，能夠在日常生活中保護(hù)用戶身體健康。

2 系統(tǒng)的設(shè)計

該檢測設(shè)備通過氣體檢測節(jié)點來檢測有害氣體的濃度，通過ZigBee自組網(wǎng)傳輸給ZigBee協(xié)調(diào)器，最終利用ZigBee協(xié)調(diào)器上的WiFi模塊[2]傳輸給上位機(jī)或手機(jī)，根據(jù)對室內(nèi)有害氣體存余量的實時掌握來人為控制房屋通風(fēng)時間的長短。數(shù)據(jù)采集節(jié)點的設(shè)計如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集節(jié)點的設(shè)計

2.1 氣體檢測儀的數(shù)據(jù)采集節(jié)點的設(shè)計

圖2為氣體采集節(jié)點的設(shè)計，包括ZigBee cc2530、有害氣體檢測系統(tǒng)MQ-2。其中ZigBee cc2530是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)，具有體積小、成本低、可靠性高等特點。

圖2 氣體采集節(jié)點的設(shè)計

而MQ-2型傳感器對有害氣體[3]有很高的靈敏度。當(dāng)其與有害氣體接觸時，晶粒間界處的勢壘受到該有害氣體的調(diào)制而變化，就會引起電導(dǎo)率的變化。利用這一點即可獲得有害氣體存在的信息。有害氣體濃度越大，電導(dǎo)率越大。當(dāng)氣體濃度高于設(shè)定值時，輸出為低電平，用0表示；當(dāng)氣體濃度為正常狀態(tài)值時為高電平，用1表示。電路原理如圖3所示。

圖3 MQ-2電路原理示意

2.2 數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)器的硬件設(shè)計

數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)器由ZigBee cc2530和WiFi模塊組成。ZigBeecc2530技術(shù)是一種介于無限標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)提案，主要用于近距離無線連接。WiFi模塊的功能是將串口或TTL電平轉(zhuǎn)為符合WiFi無線網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式模塊。ZigBee協(xié)調(diào)器利用WiFi模塊中的ESP8266將檢測到的數(shù)據(jù)信息傳送到手機(jī)或上位機(jī)中。

2.3 數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)器的軟件設(shè)計

通過無線設(shè)備建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)[4]，從而進(jìn)入無線監(jiān)控狀態(tài)，監(jiān)測空氣中的無線信號并發(fā)送數(shù)據(jù)，遇到監(jiān)測節(jié)點時則自動申請加入網(wǎng)絡(luò)，分配網(wǎng)絡(luò)地址，最終加入監(jiān)測節(jié)點列，無信號時則進(jìn)行無限循環(huán)，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，發(fā)送到上位機(jī)或手機(jī)機(jī)終端，如果出現(xiàn)異常則啟動報警系統(tǒng)。如圖4所示。

3 上位機(jī)的設(shè)計

上位機(jī)的作用是監(jiān)控各系統(tǒng)的運行情況，當(dāng)現(xiàn)場檢測設(shè)備工作時，上位機(jī)能很好地顯示出各系統(tǒng)之間的狀態(tài)（如正常、報警、故障等）。上位機(jī)的設(shè)計一般是使用VB開發(fā)，通過控件來發(fā)送和接收串口數(shù)據(jù)，通過人為控制作出決策，然后再通過串口發(fā)送出去。

上位機(jī)的設(shè)計特別適合于數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)、近距離的傳送，方便了人們對有害氣體濃度的實時監(jiān)測與控制[5]，為有害氣體監(jiān)測系統(tǒng)的家庭化提供了可能。

4 結(jié)語

完成了對軟硬件的設(shè)計與調(diào)試并通過最終的實驗表明，該系統(tǒng)設(shè)備實現(xiàn)了最初的目標(biāo)。

總而言之，該系統(tǒng)具有實用性強、價格低廉、操作簡單、易于普及等多個優(yōu)點，可以對室內(nèi)的有害氣體濃度作出正確的判斷，從而保證了用戶的健康。在環(huán)境檢測等方面有著廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展空間。

圖4 系統(tǒng)流程

[1]范奧博，鐵治欣，吳銘程，等.室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 浙江理工大學(xué)學(xué)報，2015（5）：382-389.

[2]陳文周.WiFi技術(shù)研究及應(yīng)用[J].數(shù)據(jù)通信，2008（2）：14-17.

[3]單慧琳，張銀勝，李春，等.室內(nèi)有害氣體監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].電子技術(shù)與軟件工程，2014（22）：151-152.

[4]李俊斌，胡永忠.基于cc2530的ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2011（16）：108-111.

[5]楊萌，趙亮.基于ZigBee技術(shù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)研究[J].電子技術(shù)與軟件工程，2015（1）：34.

Design of Internet of Things detection system based on harmful gas

Liu Junqi, Wang Liming, Hou Liang, Zhou Yang, Guo Tianci
（Electrical and Information Engineering College of Agriculture Science and Technology College, Changchun 132101, China）

Aiming at the problems existing in the detection of harmful gases indoor, an early warning system capable of real-time monitoring of indoor harmful gas concentration is introduced in this paper. The system consists of gas sensors, single-chip and GPRS and other module, among them, Zigbee cc2530 is the main core, which can realize the detection and data transmission of harmful gas, and carries out monitoring through computer or mobile phone. The sensor network has the characteristics of stable work and high precision.

Zigbee cc2530; gas sensor MQ-2; sensor networks

劉俊琪（1996— ），女，新疆昌吉，本科；研究方向：信號處理與檢測。