李 楊，郭培源，劉 波，向玲孜

（北京工商大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，北京 100048）

居室空氣質(zhì)量的好壞影響著人體的健康。許多居室環(huán)境的監(jiān)測(cè)是采用PC作為控制中心，不便于移動(dòng)。而且大多采用有線的布線方式[1]，因此存在可移動(dòng)性差、布線繁瑣、功能可擴(kuò)展性差、維護(hù)難的問題[2]。針對(duì)以上問題，本文設(shè)計(jì)了一種易于擴(kuò)展并且可移動(dòng)的無線式居室健康環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)。本系統(tǒng)根據(jù)國(guó)家室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)主要環(huán)境參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，并通過數(shù)據(jù)融合以及模糊算法對(duì)其進(jìn)行處理，用戶可在客戶終端上了解到居室環(huán)境質(zhì)量狀況、環(huán)境健康預(yù)警及采取的措施。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 總體模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)為了能夠?qū)崿F(xiàn)可移動(dòng)性，采用模塊化的設(shè)計(jì)方式，將系統(tǒng)分為終端采集模塊以及控制中心模塊，模塊結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。終端采集模塊由傳感器與ZigBee終端組成，主要實(shí)現(xiàn)居室環(huán)境信息采集以及數(shù)據(jù)傳送功能；控制中心模塊由控制器樹莓派與ZigBee協(xié)調(diào)器組成，主要完成對(duì)各終端節(jié)點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)的接收以及數(shù)據(jù)處理，顯示居室環(huán)境參數(shù)狀況以及與Internet網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。

圖1 模塊結(jié)構(gòu)圖

1.2 總體工作流程設(shè)計(jì)

圖2 系統(tǒng)總體工作流程

系統(tǒng)內(nèi)部由ZigBee網(wǎng)絡(luò)組成，所采集的數(shù)據(jù)通過居室內(nèi)部所建立的網(wǎng)絡(luò)傳輸[3]?？傮w工作流程如圖2所示。分布在居室內(nèi)部的各傳感器定時(shí)采集居室環(huán)境參數(shù)，通過ZigBee無線通信，由控制器接收并處理數(shù)據(jù)，通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合和模糊算法的處理，將居室環(huán)境信息顯示到由QT所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)界面中。用戶也可通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程訪問控制器，了解居室內(nèi)部環(huán)境情況。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制中心硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中，控制中心的控制器采用樹莓派(Raspberry pi)，它是一款基于ARM的微型電腦主板，又稱卡片式電腦，是由英國(guó)慈善組織“Raspberry Pi基金會(huì)”開發(fā)的。樹莓派是一個(gè)開源的硬件，可支持Linux操作系統(tǒng)，其硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。它使用SoC(片上系統(tǒng))，是Broadcom公司的 BCM2835，其中 CPU以 ARM11為核心，接口包括2個(gè)USB2.0接口并且支持USB Hub擴(kuò)展，同時(shí)擁有視頻模擬信號(hào)的電視輸出接口和HDMI高清視頻輸出接口、一個(gè)以太網(wǎng)接口、8XGPIO、一組 UART、一組I2C以及兩個(gè)選擇的SPI總線[4]。

圖3 樹莓派硬件結(jié)構(gòu)示意圖

ZigBee協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)各ZigBee終端節(jié)點(diǎn)的通信管理、數(shù)據(jù)的傳輸以及動(dòng)態(tài)組網(wǎng)。本系統(tǒng)中ZigBee協(xié)調(diào)器選用的是德州儀器公司的CC2530芯片，它是基于2.4 GHz IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE的片上系統(tǒng)解決方案，支持低功耗及安全可靠的無線通信。

樹莓派接口中含有一路UART串行接口，其第8引腳是TXD，第10引腳是RXD。利用該接口可以與ZigBee協(xié)調(diào)器連接和通信。其硬件連接示意圖如圖4所示。

2.2 采集模塊硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)國(guó)家室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB/T18883-2002對(duì)可能影響人體健康以及舒適程度的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，主要包括溫濕度、二氧化硫、一氧化碳、二氧化碳和甲醛。傳感器與ZigBee終端節(jié)點(diǎn)相連，Zig-Bee 終端節(jié)點(diǎn)選用CC2530與ZigBee協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信。

圖4 硬件連接示意圖

溫濕度傳感器選用SHT71數(shù)字式傳感器，其內(nèi)部集成了溫度傳感器以及濕度傳感器，并且包括14位A/D轉(zhuǎn)換器和串口電路。其溫度和濕度的測(cè)量分別可達(dá)到14位和12位的分辨率。由于其相對(duì)濕度的輸出存在一定的非線性，因此需要進(jìn)行修正?？砂词?1)修正濕度值：

式中RHL為相對(duì)濕度修正值，SORH為傳感器相對(duì)濕度測(cè)量值。

當(dāng)溫度T≠25℃時(shí)，需對(duì)相對(duì)溫度進(jìn)行溫度補(bǔ)償，補(bǔ)償公式如式（2）：

式中RHT是溫度為T時(shí)的相對(duì)濕度值。

當(dāng)供電電壓為3 V時(shí)，將溫度輸出轉(zhuǎn)換為實(shí)際溫度值的公式如式（3）：

式中T為實(shí)際溫度值，單位為℃。

二氧化硫傳感器選用SO2-7SH型三極型電化學(xué)傳感器，測(cè)量范圍為0～100×10-6。它將空氣中的二氧化硫氣體轉(zhuǎn)化為電流，并通過運(yùn)放將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。

一氧化碳傳感器選用MQ-7。它對(duì)一氧化碳?xì)怏w有良好的靈敏度，可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與一氧化碳濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。當(dāng)一氧化碳濃度增大時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率也隨之增大。

二氧化碳傳感器選用MG811。其對(duì)二氧化碳有良好的靈敏度以及選擇性，具有很好的穩(wěn)定性。

甲醛傳感器選用Dart Sensor公司的甲醛檢測(cè)傳感器，它能在不采用氣泵抽取的前提下連續(xù)地檢測(cè)空氣中的甲醛氣體。傳感器輸出地電流與空氣中的甲醛濃度呈線性關(guān)系，傳感器檢測(cè)到的電信號(hào)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理[5]后送至CCS2530。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 終端模塊主程序設(shè)計(jì)

終端模塊的主要作用是采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)打包后通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器。終端模塊的主程序流程如下：從硬件上電開始先進(jìn)行初始化，然后尋找網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)入，加入網(wǎng)絡(luò)后進(jìn)入低功耗模式，等待采集時(shí)間到后采集數(shù)據(jù)，隨后將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器，最后進(jìn)入低功耗模式等待下一次采集時(shí)間。

3.2 協(xié)調(diào)器主程序設(shè)計(jì)

ZigBee協(xié)調(diào)器主要起到建立網(wǎng)絡(luò)以及管理網(wǎng)絡(luò)的作用，從各個(gè)節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)通過UART傳給控制器。協(xié)調(diào)器主程序流程如下：從硬件上電開始先初始化，然后建立網(wǎng)絡(luò)等待新節(jié)點(diǎn)加入，當(dāng)有新節(jié)點(diǎn)加入時(shí)儲(chǔ)存其網(wǎng)絡(luò)地址并等待接收節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，最后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析并發(fā)送給樹莓派控制器。

3.3 控制器軟件設(shè)計(jì)

3.3.1 控制器主程序設(shè)計(jì)

樹莓派通過Python來使用GPIO端口上的針腳，因此需要安裝GPIO的Python庫。為了與ZigBee協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信，需用到樹莓派上的UART，而系統(tǒng)把這個(gè)串口默認(rèn)為調(diào)試口，因此需要編輯配置文件cmdline.txt來關(guān)閉調(diào)試輸出功能，這樣就可以正常使用該串口。

控制器從ZigBee協(xié)調(diào)器收到數(shù)據(jù)信息，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后用文字語言顯示當(dāng)前居室環(huán)境各個(gè)參數(shù)狀況以及相應(yīng)的建議或提醒。控制器主程序流程如下：控制器樹莓派監(jiān)測(cè)UART串口數(shù)據(jù)，當(dāng)有數(shù)據(jù)時(shí)，首先解析數(shù)據(jù)，判斷各個(gè)傳感器數(shù)據(jù)信息，之后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊算法處理，得出各個(gè)參數(shù)的語言變量值；最后將環(huán)境健康預(yù)警結(jié)果及應(yīng)采取的措施顯示在客戶終端上。

3.3.2 數(shù)據(jù)處理

居室內(nèi)某一個(gè)參數(shù)需要通過分布在居室不同空間位置的多個(gè)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。為了達(dá)到檢測(cè)精度及減少誤差，在數(shù)據(jù)處理時(shí)需要進(jìn)行多傳感器數(shù)據(jù)融合。根據(jù)各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)具體的分布情況，用求概率權(quán)的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)融合[6]，所選權(quán)重不會(huì)受到主觀因素的影響，可客觀、真實(shí)地反映各個(gè)傳感器所測(cè)量數(shù)據(jù)。利用概率權(quán)重Wi，每個(gè)參數(shù)按如下式（4）進(jìn)行數(shù)據(jù)融合：

以國(guó)家室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB/T18883-2002作為參考，對(duì)數(shù)據(jù)融合后的數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊化處理[7]。為每個(gè)參數(shù)在其取值范圍上定義3個(gè)概念，比如一氧化碳濃度（0～30 mg/m3）定義 3個(gè)概念（未超標(biāo)、輕微超標(biāo)、嚴(yán)重超標(biāo)），選用梯形隸屬度函數(shù)。一氧化碳與甲醛作為人體健康主要的影響因素，需要將一氧化碳以及甲醛所得的語言值進(jìn)行綜合處理求出健康危害程度，相應(yīng)的健康危害程度規(guī)則如表1所示。通過以上的數(shù)據(jù)處理可以為用戶提供更加直觀易懂的語言信息。

表1 健康危害程度規(guī)則表

根據(jù)各個(gè)參數(shù)的語言值提供建議或提醒，如當(dāng)空氣中危險(xiǎn)氣體濃度將要超過標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值時(shí)，提醒用戶開窗通風(fēng)，保持空氣流通；當(dāng)家居環(huán)境濕度過低時(shí)，提醒用戶注意保持空氣濕潤(rùn)，并且會(huì)提出建議，提供能保持潮濕的有效措施，這樣有助于保持人居健康環(huán)境。

3.3.3 程序界面設(shè)計(jì)

用QT設(shè)計(jì)程序界面，在Linux系統(tǒng)中操作方便，用戶更加容易了解環(huán)境狀況[8]。在樹莓派上安裝QT用aptget命令，再安裝 qtcreator，最后打開 qtcreator配置編譯環(huán)境。當(dāng)打開QT程序后環(huán)境信息就會(huì)顯示到界面上，其中包括各個(gè)參數(shù)的具體數(shù)值以及相對(duì)應(yīng)的語言值、健康的危害程度以及相應(yīng)的措施。

本文以樹莓派作為核心控制器，在Linux系統(tǒng)下進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，運(yùn)用ZigBee無線技術(shù)，研究和實(shí)現(xiàn)了一種家居健康環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)方案。樹莓派作為主要的控制器，使得系統(tǒng)功能的修改以及拓展更為方便；采用模塊化設(shè)計(jì)，使得各終端節(jié)點(diǎn)可根據(jù)具體的要求增減與布局。本系統(tǒng)可應(yīng)用于更加復(fù)雜的智能家居系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集應(yīng)用中。

[1]查瓏瓏.淺析物聯(lián)網(wǎng)智能家居發(fā)展[J].科技信息，2012(25)：42-63.

[2]楊曉林.現(xiàn)代住宅綜合小區(qū)智能化電氣設(shè)計(jì)[J].建筑管理現(xiàn)代化，2005(4)：22-24.

[3]曹明勤，張濤，王健.基于ZigBee的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2013，39(12)：86-89.

[4]侯超.(樹莓派)Siri在制藥企業(yè)智能監(jiān)控中的應(yīng)用[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2013，32(12)：92-95.

[5]魏東旭，王平，石巖.基于ZigBee的無線甲醛監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].通訊技術(shù)，2012，45(9)：76-78.

[6]方樹平.多傳感器數(shù)據(jù)融合的概率權(quán)方法[J].傳感器與微系統(tǒng)，2009(8)：12-17.

[7]趙昂，王磊，梁正峰.基于多傳感器的電梯群控系統(tǒng)研究[J].測(cè)控技術(shù)，2006(7)：37-39.

[8]張強(qiáng)，張偉.基于 Qt/Embedded的病房管理系統(tǒng)界面的設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2013，32(3)：7-9.