基于多傳感器信息融合的大型場館室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

韓靜，田晶，喬記平

（1.山西工程職業(yè)學(xué)院計算機信息系，山西 太原 030032；2.山西天地煤機裝備有限公司，山西 太原 030006；3.太原理工大學(xué)電氣與動力工程學(xué)院，山西 太原 030024）

隨著人民群眾生活水平的不斷提高以及休閑娛樂方式的快速發(fā)展，人們在大型場館內(nèi)的活動越來越多，其室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響人們的舒適度和身心健康。而且傳統(tǒng)管理方式普遍存在效率低下、不能形成管理維護的閉環(huán)等缺陷。因此，大型場館環(huán)境的智能化監(jiān)測就變得尤為重要。綜合上述問題，本文提出了基于LoRa（Long Range Radio）無線傳輸技術(shù)的大型場館室內(nèi)環(huán)境多參數(shù)監(jiān)測方法，針對室內(nèi)環(huán)境的溫濕度、甲醛、可吸入顆粒物濃度等環(huán)境參數(shù)，利用多傳感器信息融合方法，設(shè)計了針對大型場館室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。它的實施和運行可使大型場館的管理更加高效、安全、便捷，并可為場館管理提供科學(xué)的決策依據(jù)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本文提出的大型場館環(huán)境多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、匯聚節(jié)點和遠程數(shù)據(jù)中心組成。具體而言，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括溫濕度傳感器、甲醛傳感器和可吸入顆粒物傳感器，微處理器通過采集各個傳感器數(shù)據(jù)，并通過LoRa無線通信模塊，將所采集的環(huán)境參數(shù)發(fā)送給匯聚節(jié)點；匯聚節(jié)點由處理器模塊、LoRa無線接收模塊、4G模塊和電源模塊組成，匯聚節(jié)點通過LoRa模塊接收數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，并通過4G模塊將各個終端所采集的環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)給遠程數(shù)據(jù)中心；遠程數(shù)據(jù)中心將數(shù)據(jù)存儲至數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，并通過信息融合處理，實現(xiàn)大型場館環(huán)境實時數(shù)據(jù)的存儲、顯示、分析和查詢等服務(wù)。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和匯聚節(jié)點。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，便于前期開發(fā)調(diào)試和后期維護。

2.1 傳感器選型及電路設(shè)計

根據(jù)環(huán)境監(jiān)測要求，選取的傳感器需要提供不同的工作電壓，并根據(jù)輸出信號的差異進行電路的設(shè)計。

溫濕度傳感器選用Silicon Lab公司的Si7021溫濕度傳感器。Si7021包含VCC、GND、SCL、SDA四個引腳，工作電壓1.9-3.6V。該模塊內(nèi)置了濕度和溫度傳感器元件、AD轉(zhuǎn)換器、信號調(diào)理、數(shù)據(jù)校準和I2C接口，可將采集的信號直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。其濕度量程為0～100%RH，溫度量程為-40～+125℃，測溫精度可達±0.4℃，具有體積小、功率低等優(yōu)點，具有較高的可靠性與長期穩(wěn)定性，廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)測量等領(lǐng)域。甲醛傳感器選用ZE08-CH20型電化學(xué)甲醛傳感器，該傳感器利用電化學(xué)原理對空氣中存在的甲醛進行檢測，具有良好的穩(wěn)定性和選擇性，內(nèi)置的溫度傳感器可實現(xiàn)對溫度的補償。其工作電壓為3.7～5.5V，具有模擬和數(shù)字信號輸出方式，并提供UART、ADC、PWM 3種信號輸出方式，因而具有靈敏度高、穩(wěn)定性好、功耗低、使用壽命長等優(yōu)點。ZE08-CH20傳感器傳送的數(shù)據(jù)幀格式如表1所示，其氣體濃度值計算方法為：氣體濃度值=高位氣體濃度×256＋低位氣體濃度值。

表1 ZE08-CH20型甲醛傳感器數(shù)據(jù)幀格式

1014AU0F光學(xué)粉塵傳感器進行監(jiān)測。該傳感器內(nèi)部安裝有紅外發(fā)光二極管和光電晶體管，通過監(jiān)測環(huán)境空氣中塵埃的反射光，可實現(xiàn)0.8～10μm大小顆粒物濃度的監(jiān)測，其輸出為一正比于粉塵濃度的模擬電壓，范圍為0～4.5V，靈敏度可達0.5V/(0.1mg/m3)，工作電壓為5～7V，最大消耗電流為20mA。

2.2 處理器模塊

系統(tǒng)選用意法半導(dǎo)體生產(chǎn)的基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位STM32F103RET6微處理器，以滿足數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)低功耗的要求。具有高度集成、高性能、低成本、低功耗、低電壓和開發(fā)方便等優(yōu)點。其內(nèi)置512KB Flash，64KB RAM，自帶64引腳和兩條連接APB總線的外設(shè)。微處理器供電電壓范圍為2～3.6V，一般選用3.3V供電，工作頻率可達72MHz，包含I2C、CAN總線、USART、SPI、USB等多種通信接口，低功耗模式下，芯片可配置睡眠、待機和停機模式，使系統(tǒng)在運行時降低功耗。

2.3 無線通信模塊

針對大型場館監(jiān)測節(jié)點分布廣泛、傳輸距離遠等特點，采用LoRa和4G兩種無線傳輸技術(shù)相互結(jié)合的模式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。首先，分布在大型場館內(nèi)的各傳感器數(shù)據(jù)采集模塊將環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)通過LoRa方式傳輸至匯聚節(jié)點；匯聚節(jié)點再通過4G方式將數(shù)據(jù)實時傳輸至遠程數(shù)據(jù)中心。這種模式不僅能簡化系統(tǒng)設(shè)計，在實現(xiàn)數(shù)據(jù)高效傳輸?shù)耐瑫r，大幅降低了系統(tǒng)功耗，可保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行。LoRa網(wǎng)絡(luò)選用優(yōu)信電子設(shè)計的RHF76-052無線通信模塊，該模塊使用的射頻芯片為SX1276，工作頻率在433-470MHz，并設(shè)有UART通信接口，輸出功率可達17dBm，內(nèi)置LoRaWAN協(xié)議棧，采用LoRa擴頻調(diào)制技術(shù)，具有傳輸距離遠、功耗低、抗干擾能力強、靈敏度高等優(yōu)點。4G模塊選用WH-LTE-7S4，該模塊為插針式設(shè)計，可實現(xiàn)UART與4G的雙向透傳功能；具有高速率、低時延得有點；允許2個網(wǎng)絡(luò)鏈接同時在線，支持TCP、UDP通信協(xié)議；支持網(wǎng)絡(luò)透傳、HTTP、UDC工作模式；其電路連接如圖2所示。

圖2 4G模塊電路圖

2.4 電源模塊

系統(tǒng)采用5V鋰電池為各模塊供電，如圖3所示，因系統(tǒng)中部分主要器件的工作電壓為3.3V，如微處理器、溫濕度傳感器，因此在供電電路中使用LT1117降壓穩(wěn)壓器將5V電壓降為3.3V，穩(wěn)壓器內(nèi)部集成限流和過熱保護，滿足系統(tǒng)供電需求。

圖3 供電電路原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計，匯聚節(jié)點軟件設(shè)計和上位機的開發(fā)與設(shè)計。

3.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由STM32F103RET6微處理器、傳感器模塊、LoRa模塊和電源模塊組成。溫濕度傳感器Si7021與STM32通過I2C總線通信，甲醛傳感器通過STM32內(nèi)部 ADC模塊讀取數(shù)據(jù)，LoRa模塊通過UART串口與STM32單片機進行通信。首先對系統(tǒng)進行初始化并配置計時器，配置完成系統(tǒng)進入休眠狀態(tài)；當采集時間到達后，處理器驅(qū)動傳感器采集各個環(huán)境數(shù)據(jù)，各傳感器輪詢工作，采集通道數(shù)為0時數(shù)據(jù)采集完成，此時即可通過LoRa模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至匯聚節(jié)點。

3.2 匯聚節(jié)點軟件設(shè)計

匯聚節(jié)點由STM32處理器、電源模塊、LoRa模塊和4G模塊組成。匯聚節(jié)點的功能是接收所有監(jiān)測節(jié)點的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)打包，利用4G模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器。當4G模塊與服務(wù)器連接成功后，通過AT指令查詢4G模塊是否接收到服務(wù)器下發(fā)的指令。當4G模塊接收到下發(fā)指令，微處理器對指令進行解析，并將數(shù)據(jù)下發(fā)到數(shù)據(jù)采集節(jié)點。數(shù)據(jù)采集節(jié)點接收到返回數(shù)據(jù)后，通過SX1276接收數(shù)據(jù)，并通過4G模塊將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器。

3.3 上位機軟件設(shè)計

本系統(tǒng)以LabVIEW為開發(fā)平臺搭建遠程數(shù)據(jù)中心，使用SQL Server創(chuàng)建數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。LabVIEW與數(shù)據(jù)庫連接，實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的管理和存儲。Web發(fā)布是LabVIEW提供的一種可以直接從網(wǎng)頁訪問并操作程序前面板的方法。

通過Web發(fā)布監(jiān)測平臺到局域網(wǎng)服務(wù)器，用戶可以通過瀏覽器對上位機程序進行訪問，獲取場館內(nèi)的歷史及實時環(huán)境數(shù)據(jù)。系統(tǒng)上位機前面板顯示包括：環(huán)境參數(shù)實時顯示、報警提示、歷史數(shù)據(jù)查詢和傳感器運行狀態(tài)監(jiān)控界面。硬件系統(tǒng)每30s向上位機發(fā)送一組環(huán)境數(shù)據(jù)，通過垂直滑動桿控件和數(shù)字顯示控件進行直觀形象地顯示，包括溫度、濕度、甲醛濃度、灰塵濃度。由于場館面積較大，通常會布置多組數(shù)據(jù)采集設(shè)備，為了便于后期設(shè)備維護、保持系統(tǒng)良好運行，上位機會監(jiān)控每個傳感器的運行狀態(tài)，當其中一個傳感器發(fā)生故障時，系統(tǒng)運行狀態(tài)不會受到影響。另外，當溫度、濕度、甲醛、灰塵超出閾值時，系統(tǒng)將發(fā)出報警提醒，提示場館工作人員及時調(diào)節(jié)相應(yīng)的環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備，改善場館內(nèi)環(huán)境質(zhì)量。

4 系統(tǒng)測試

將硬件設(shè)備布置在某體育場館內(nèi)，根據(jù)場地大小合理布置五組數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)備。各部分硬件設(shè)備正常供電后，傳感器正常工作，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。為了測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確度，選取系統(tǒng)穩(wěn)定運行1h的各傳感器數(shù)據(jù)值，通過分析可得，隨著時間的推移，濕度數(shù)據(jù)和甲醛濃度值基本保持不變，溫度值在±0.1℃范圍內(nèi)變化，灰塵濃度在±10μg/m3范圍內(nèi)變化。系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性高，傳輸速率快，滿足了大型場館的環(huán)境監(jiān)測和現(xiàn)代化管理需求。

5 結(jié)語

由于大型場館面積大、范圍廣，綜合布線難度較大，本文利用LoRa和4G無線通信技術(shù)傳輸距離遠、通信范圍廣、抗干擾能力強等優(yōu)點，提出了基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的大型場館環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了溫度、濕度、甲醛濃度、灰塵濃度的監(jiān)測工作，通過對環(huán)境數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測，能夠及時發(fā)現(xiàn)館內(nèi)的環(huán)境變化，并提出有效的調(diào)節(jié)措施。經(jīng)測試，系統(tǒng)檢測精度高，運行能耗低，網(wǎng)絡(luò)通信良好，可長期穩(wěn)定運行。