北方民族大學電氣信息工程學院 曹 龍 劉 煒 曾 力

無線室內空氣質量監(jiān)測系統(tǒng)的設計

北方民族大學電氣信息工程學院 曹 龍 劉 煒 曾 力

針對傳統(tǒng)室內空氣質量監(jiān)測系統(tǒng)采集參數(shù)單一和網(wǎng)絡化程度低等問題，本文設計了一種無線室內空氣質量監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)綜合ARM嵌入式技術、ZigBee無線網(wǎng)絡技術和傳感器技術，完成了對室內各區(qū)域的溫度、濕度、光照強度、PM2.5和氨硫類氣體的遠程定時采集，從而實現(xiàn)室內環(huán)境監(jiān)測的網(wǎng)絡化、智能化。

空氣質量；監(jiān)測，嵌入式系統(tǒng)；ARM； ZigBee

1.引言

現(xiàn)代人平均有80% ～ 90%的時間在室內度過，確切的測定證實室內空氣中的污染物濃度要高于室外2 ～ 5倍，由于人們對于生存環(huán)境，尤其是室內生產(chǎn)環(huán)境和生活環(huán)境的要求不斷提高，室內空氣質量問題已引起相關學科領域學者與專家的廣泛重視和關注[1]。

筆者設計了一種基于嵌入式系統(tǒng)的無線室內空氣質量監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用ARM嵌入式技術設計數(shù)據(jù)集中控制器和數(shù)據(jù)監(jiān)測終端，通過ZigBee技術建立無線傳感器網(wǎng)絡，完成對公共場所各區(qū)域的空氣質量數(shù)據(jù)定時采集，可實現(xiàn)監(jiān)測的網(wǎng)絡化、智能化。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2.系統(tǒng)總體設計

本系統(tǒng)由兩個部分組成：數(shù)據(jù)監(jiān)測終端、數(shù)據(jù)集中控制器。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

數(shù)據(jù)監(jiān)測終端：完成室內環(huán)境因素進行采集，通過OLED液晶屏進行顯示，同時接收數(shù)據(jù)集中控制器的召測指令，通過ZigBee無線網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)集中控制器。

數(shù)據(jù)集中控制器：向下通過ZigBee網(wǎng)絡與數(shù)據(jù)監(jiān)測終端進行數(shù)據(jù)交互，接收數(shù)據(jù)并處理及存儲，相關信息通過觸摸屏顯示出來；用戶可以通過觸摸屏與集中控制器進行交互；同時根據(jù)采集的數(shù)據(jù)信息，給用戶提供合理的調節(jié)策略。

3.系統(tǒng)硬件設計

3.1 數(shù)據(jù)集中控制器硬件設計

數(shù)據(jù)集中控制器主要由ARM處理器，電源管理模塊、存儲模塊、網(wǎng)絡模塊、ZigBee模塊、觸摸屏顯示模塊等組成，硬件框圖如圖2所示。其核心處理器采用ATMEL SAMA5D36工業(yè)級處理器，外接 256M NAND flash 用以啟動 Linux系統(tǒng)。基于ZigBee 網(wǎng)絡模塊選用 TI 公司的 CC2530 芯片。在人機交互方面采用的7寸觸摸式液晶屏對采集的信息進行顯示,用于管理室內環(huán)境信息的歷史數(shù)據(jù)信息，方便用戶查詢。

圖2 系統(tǒng)集中控制器硬件框圖

3.2 數(shù)據(jù)監(jiān)測終端硬件設計

數(shù)據(jù)監(jiān)測終端以STM32F103C8T6單片機為核心，由DHT11溫濕度傳感器模塊、BH1750FVI光照度傳感器模塊、GP2Y-1010AU0F灰塵傳感器模塊、MQ-135有害氣體傳感器模塊、OLED顯示模塊、ZigBee通訊模塊和電源模塊組成。通過各類傳感器模塊完成各區(qū)域溫度、濕度、光照強度、PM2.5濃度、氨硫化物類有害氣體的監(jiān)測。數(shù)據(jù)監(jiān)測終端硬件框圖如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)監(jiān)測終端硬件框圖

4.系統(tǒng)軟件設計

4.1 數(shù)據(jù)集中控制器軟件設計

數(shù)據(jù)集中控制器的應用程序采用基于Linux下的QT編程，QT具有優(yōu)良的跨平臺特性，其軟件開發(fā)是基于C/C++的，同時提供了信號與槽的安全機制，方便程序各模塊之間的交互，系統(tǒng)中使Sqlite數(shù)據(jù)庫對采集的數(shù)據(jù)進行存儲。數(shù)據(jù)集中控制器軟件系統(tǒng)主要包括初始化模塊、實時數(shù)據(jù)顯示模塊、數(shù)據(jù)查詢模塊、監(jiān)測曲線模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、參數(shù)設置等模塊。在各模塊的相互配合下實現(xiàn)人機交互，數(shù)據(jù)顯示，數(shù)據(jù)召測等功能。

4.1.1 UI界面設計

系統(tǒng)上電后在初始化模塊的作用下進行系統(tǒng)參數(shù)設置、數(shù)據(jù)庫連接、通信串口初始化等操作，啟動后進入主顯示界面。系統(tǒng)使用QStackedWidget類建立實時數(shù)據(jù)、實時曲線、歷史數(shù)據(jù)、參數(shù)設置四個子UI 界面，同時將主界面中的QBushButton類按鈕控件設置了信號與槽的連接，當用戶點擊相應的界面切換按鈕時，程序按照相應槽連接跳轉至相應的函數(shù)，調用QStackedWidget類下的void setCurrentIndex(int index)函數(shù)完成界面的切換。

1）實時數(shù)據(jù)監(jiān)測子界面主要是顯示實時監(jiān)測環(huán)境數(shù)據(jù)。系統(tǒng)將每一次輪詢后數(shù)據(jù)監(jiān)控終端而獲得數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫中，每隔一段時間去執(zhí)行刷新數(shù)據(jù)庫的操作，通過液晶屏進行顯示，實現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測功能。

歷史數(shù)據(jù)子界面主要供用戶進行歷史數(shù)據(jù)的查詢。用戶根據(jù)“日期”和“監(jiān)測點”兩個限定條件進行數(shù)據(jù)查詢，以便了解室內環(huán)境在一段時間內的變化情況，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的可追溯性。

監(jiān)測曲線子界面可實現(xiàn)顯示的為當天的各區(qū)域污染物的曲線描述，用戶不僅可以查看指定監(jiān)測物數(shù)據(jù)曲線，而且可以查詢全部監(jiān)測物的綜合曲線。

參數(shù)設置子界面用來設置數(shù)據(jù)集中控制器和數(shù)據(jù)監(jiān)測物終端的某些可選或配置參數(shù)，如數(shù)據(jù)集中控制器的 ID、端口號、IP 地址等。

4.1.2 數(shù)據(jù)召測程序設計

數(shù)據(jù)召測模塊是根據(jù)用戶設定，定時輪詢各數(shù)據(jù)監(jiān)控終端，收集各監(jiān)控點的空氣質量數(shù)據(jù)，并將采集的數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)召測程序流程圖如圖4所示：

圖4 數(shù)據(jù)召測程序流程圖

系統(tǒng)觸發(fā)數(shù)據(jù)召測程序，初始化ZigBee模塊通訊串口，設置波特率、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗位等；然后向串口發(fā)送終端數(shù)據(jù)召測命令，通過ZigBee通訊模塊經(jīng)無線網(wǎng)將命令發(fā)送至數(shù)據(jù)監(jiān)控終端。命令下達完畢后，等待終端回復數(shù)據(jù)，若在規(guī)定時間內沒有收到終端回復，則判斷為采集超時，系統(tǒng)向用戶給出錯誤提示，并記錄錯誤事件。收到終端回復后通過解析程序將收到的數(shù)據(jù)進行解析，存入Sqlite數(shù)據(jù)庫。當所有設備都輪詢完畢后，結束數(shù)據(jù)召測程序。

4.2 數(shù)據(jù)監(jiān)測終端軟件設計

數(shù)據(jù)監(jiān)控終端，該系統(tǒng)中有共有四種傳感器模塊，采集溫濕度、光照強度、PM2.5和氨硫類有害氣體五種類型數(shù)據(jù)，主要包括主程序和中斷程序。

4.2.1 數(shù)據(jù)監(jiān)測終端主程序

主程序先進行系統(tǒng)初始化，包括系統(tǒng)參數(shù)的設置、定時器初始化、通訊初始化等，然后進入數(shù)據(jù)采集和顯示階段，系統(tǒng)按照各傳感器規(guī)定的協(xié)議，采集當前室內空氣質量數(shù)據(jù)并送至OLED顯示。系統(tǒng)中使用了四種傳感器模塊，下面以PM2.5傳感器模塊為例介紹傳感器的采集原理和方法：

PM2.5灰塵傳感器模塊是以夏普 GP2Y1010AU0F 為核心，測量數(shù)據(jù)的輸出形式為電壓輸出，該電壓與灰塵濃度在一定范圍內成線性關系。通過計算該電壓值即可計算出空氣中的灰塵含量。

圖5 PM2.5灰塵傳感器模塊輸出特性曲線

由傳感器的輸出特性曲線可見：在0到0.5mg/m3范圍內，傳感器輸出電壓與灰塵濃度呈線性關系，其輸出曲線近似轉換的方程為DustDensity = 0.17 * OutPutVoltage - 0.1。其中DustDensity當前空氣中PM2.5的濃度，OutPutVoltage為對應輸出的電壓值。STM32FC8T6采用12位AD，基準電壓為3.3V，得到公式OutPutVoltage=ADout*(3.3 /4095),其中ADout為AD轉換后的數(shù)字量輸出。

根據(jù)上面兩個公式可得當前空氣中PM2.5的濃度與AD轉換輸出的數(shù)字量之間的關系滿足方程DustDensity = 0.17 * AD-out*(3.3 /4095)-0.1，從而根據(jù)ADout數(shù)值測量出當前空氣中PM2.5的濃度。

PM2.5灰塵傳感器采集模塊數(shù)據(jù)采集流程如下：

將ILED引腳置高電平，啟動數(shù)據(jù)采集。

延時0.28ms，AOUT引腳輸出的波形穩(wěn)定。

對AOUT輸出電壓進行采樣，這里對模擬量進行20次采樣，采用均值濾波的方法，先去掉最大值和最小值，在求平均值的方法確保數(shù)據(jù)的精確度。

采樣完畢，將ILED引腳設為低電平。

根據(jù)傳感器輸出電壓與灰塵濃度關系方程，計算灰塵濃度，完成PM2.5采集。

4.2.2 中斷程序

在系統(tǒng)運行過程中，若系統(tǒng)接收到集中控制器發(fā)送的召測命令后進入中斷程序。中斷程序的主要功能是解析上位機下發(fā)的指令，按照指令完成相應的傳感器數(shù)據(jù)監(jiān)測及數(shù)據(jù)上傳工作。

中斷程序流程如下：ZigBee模塊接收到集中控制器發(fā)送的數(shù)據(jù)；解析數(shù)據(jù)確定為數(shù)據(jù)采集命令；按照各傳感器的通訊協(xié)議，以輪詢的方式采集當前區(qū)域空氣質量數(shù)據(jù)；按照自定義協(xié)議，對采集的數(shù)據(jù)進行打包；通過ZigBee模塊將數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)集中控制器。中斷采集程序流程圖如圖6所示：

圖6 中斷采集程序流程圖

5. 結語

本文設計的無線室內空氣質量監(jiān)測系統(tǒng)可以有效的完成公共場所內溫度、濕度、光照強度、PM2.5和氨硫類氣體的監(jiān)測，從為改善的公共場所的空氣質量提供數(shù)據(jù)支持。通過更換傳感器的類型，該系統(tǒng)不僅可以應用于商場、學校、醫(yī)院等場所，還可以應用于特定的工業(yè)場所，具有良好的擴展性，在室內空氣質量監(jiān)測領域具有廣泛的應用前景。

[1]童江松.基于ARM的智能家居紅外控制系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[D].浙江理工大學,2015.

[2]楊晨.基于ARM和Linux的室內環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D].沈陽工業(yè)大學,2013.

[3]李鋒.基于ZigBee的無線監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].信息技術,2009.