無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)

鄭淼淼

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)存在的問(wèn)題，提出了一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)。詳細(xì)闡述了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想、硬件結(jié)構(gòu)和軟件的設(shè)計(jì)方法。使用CC2530組成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，采用多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)室內(nèi)一氧化碳、二氧化碳、氧氣、甲醛、PM2.5以及溫濕度進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)結(jié)果并進(jìn)行超限報(bào)警。

關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò);空氣質(zhì)量;檢測(cè)

中圖分類號(hào)：TP277;TU855? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）26-0045-02

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Indoor Air Quality Detection System Based on Wireless Sensor Network

ZHENG Miao-miao

（Huainan Nanshan Town Construction Investment Co.， Ltd.， Huainan 232001， China）

Abstract： In response to the problems in traditional air quality detection system， based on wireless sensor network， the design scheme of indoor air quality detection system is proposed. The design idea， hardware structure and software design method of indoor air quality detection system are given in details. At the perception level， the CC2530 is used to form a wireless sensor network. Multiple sensor nodes are used to detect indoor carbon monoxide， carbon dioxide， oxygen， formaldehyde， PM2.5 and temperature and humidity.? The real-time detection results are displayed and overrun alarm is given.

Key words： wireless sensor network; air quality; detect

1 背景

隨著社會(huì)發(fā)展水平的提高，室內(nèi)空氣環(huán)境質(zhì)量是人們追求幸福美好生活的重要關(guān)注點(diǎn)。我國(guó)對(duì)室內(nèi)空氣環(huán)境的治理要求在不斷地提高[1]。2020年8月1日住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部頒布了新修訂的《民用建筑工程室內(nèi)環(huán)境污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50325-2020），對(duì)室內(nèi)空氣中污染物、污染物含量（釋放量）限量及測(cè)定方法、室內(nèi)裝飾裝修設(shè)計(jì)提出了污染控制預(yù)評(píng)估要求及材料選用具體要求、幼兒園、學(xué)校教室、學(xué)生宿舍等裝飾裝修提出了更加嚴(yán)格的污染控制要求、室內(nèi)空氣中污染物濃度限量值等方面做了最新修訂。傳統(tǒng)的室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)存在布置困難、組網(wǎng)通信不便等諸多固有缺點(diǎn)，本文基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，提出了一種針對(duì)室內(nèi)環(huán)境的空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)，將一氧化碳、二氧化碳、甲醛等氣體濃度傳感器布置于室內(nèi)各個(gè)區(qū)域，通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與處理，并能通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)連接上位機(jī)對(duì)用戶進(jìn)行報(bào)警等服務(wù)。

2 室內(nèi)氣體無(wú)線檢測(cè)技術(shù)

目前無(wú)線傳輸通信技術(shù)主要有ZigBee、紅外、藍(lán)牙、Wi-Fi、GPRS/GSM等。紅外線是一種頻率低于可見(jiàn)光的電磁波，其波長(zhǎng)較短，只適用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的短距離無(wú)線通信。藍(lán)牙使用通用的2.4GHz ISM頻段，使用IEEE802.15協(xié)議。藍(lán)牙具有跳頻的功能，安全性和抗干擾能力強(qiáng)，但傳輸距離較短，主要工作范圍在10米左右，經(jīng)過(guò)增加射頻功率可以擴(kuò)展到100米。Wi-Fi 是IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)，其無(wú)線通信質(zhì)量有待進(jìn)一步提升，數(shù)據(jù)安全性能遜于藍(lán)牙，傳輸質(zhì)量也有待提高，優(yōu)點(diǎn)是傳輸速度非?？?，可以達(dá)到9.6Gbps。ZigBee是一種近年來(lái)新興的基于IEEE的802 15.4標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線連接技術(shù)，使用2.4GHz頻段時(shí)最高速度可達(dá)250kbit/s，傳輸距離可達(dá)百米。ZigBee具有低成本、易于組網(wǎng)等突出優(yōu)點(diǎn)，非常適用于大面積大范圍無(wú)線檢測(cè)系統(tǒng)[2]。

3 系統(tǒng)組成與工作原理

本系統(tǒng)采用ZigBee技術(shù)作為無(wú)線組網(wǎng)通信方式。系統(tǒng)主要由傳感器節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器和監(jiān)控終端構(gòu)成。系統(tǒng)將無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)分布于室內(nèi)的監(jiān)測(cè)區(qū)域，這些傳感器節(jié)點(diǎn)以自組織和多跳的方式構(gòu)成無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)，傳感器節(jié)點(diǎn)自動(dòng)完成網(wǎng)絡(luò)偵測(cè)與加入，自動(dòng)完成組網(wǎng)通信，區(qū)域內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)自發(fā)感知，自主多跳組網(wǎng)，完成數(shù)據(jù)采集與傳輸處理，并通過(guò)協(xié)調(diào)器把感測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)控終端。

傳感器節(jié)點(diǎn)連接空氣質(zhì)量傳感器陣列，可以檢測(cè)CO、[CO2]、PM2.5、甲醛、臭氧、溫濕度等等空氣參數(shù)，節(jié)點(diǎn)之間采用ZigBee技術(shù)進(jìn)行無(wú)線組網(wǎng)。傳感器節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)采集處理后傳送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)處理后打包傳送給監(jiān)控終端。所有接收到的數(shù)據(jù)可以在監(jiān)控終端進(jìn)行處理、分析和顯示。系統(tǒng)可以預(yù)設(shè)各類空氣質(zhì)量參數(shù)閾值，當(dāng)相關(guān)參數(shù)超過(guò)閾值后，系統(tǒng)報(bào)警。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 傳感器節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)包括空氣質(zhì)量參數(shù)采集節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)組成電路包括處理器模塊，射頻天線模塊，傳感器陳列和其他擴(kuò)展單元。特別指出的是，低功耗是節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)需要考慮的重要問(wèn)題，實(shí)際中往往采用電池供電，并進(jìn)行電源管理和監(jiān)控。根據(jù)實(shí)際情況，本系統(tǒng)采用CC2530作為傳感器網(wǎng)絡(luò)的主控芯片，其內(nèi)部集成了射頻模塊和存儲(chǔ)器，極大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，提高了工作效率和系統(tǒng)可靠性[3]。數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)框圖如圖1所示。