室內空氣質量的監測與控制系統的設計與實現

周虎 秦沿海 代祥軍 李玉中 李瑞

摘 要：空調的普及使得無論何時都能獲得相對恒溫的室內環境，但伴隨而來的是室內通風性差，空氣質量下降，嚴重影響人的身心健康，因此智能地均衡室內空氣質量和室內溫度具有重要的意義[1]。為此，提出了一項室內環境的監測與控制的智能化解決方案，該方案基于嵌入式系統、無線傳感網絡技術、自動化控制技術、遠程管理技術。該系統使用ARM9作為主控中心，負責接收并處理ZigBee無線傳感網絡傳輸的室內環境信息、網頁傳輸的用戶遠程控制命令，并通過學習型紅外模塊發送紅外遙控命令來控制空調或排風機，達到調節室內空氣質量的目的。該系統可以有效地提高室內空氣質量，改善用戶的生活或工作環境，消除健康隱患，提高工作效率。

關鍵詞：嵌入式系統 無線通信 遠程控制 智能家居 物聯網

中圖分類號：TP27 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）04（a）-0037-02

在物聯網和智能家居中，嵌入式系統、ZigBee和紅外無線通信技術、遠程控制技術是不可或缺的重要組成部分。

本系統通過ZigBee無線傳感網絡采集室內環境信息，嵌入式系統對其進行處理，以太網和紅外通信技術遠程、智能控制室內家居，達到調節室內空氣質量，改善空氣質量的目的。

1 嵌入式系統

一個嵌入式系統裝置一般都由嵌入式計算機系統和執行裝置組成，嵌入式計算機系統是整個嵌入式系統的核心，由硬件層、中間層、系統軟件層和應用軟件層組成。執行裝置也稱為被控對象，它可以接受嵌入式計算機系統發出的控制命令，執行所規定的操作或任務[2]。

系統使用Mini2440作為嵌入式硬件平臺，以裁剪后的Linux作為嵌入式軟件系統。Mini2440采用Samsung S3C2440為微處理器，主頻400MHz，在板64M SDRAM，在板256M Nand Flash，1個100M以太網RJ-45接口（采用DM9000網絡芯片），3個串行口，3.5寸LCD[3]。Linux 2.6.32內核可根據系統需求進行裁剪。Mini2440及Linux操作系統可以滿足系統的功能需求。

2 ZigBee和紅外無線通信技術

ZigBee技術是一種基于802.15.4的近距離、低功耗、低成本的雙向無線通訊技術。本系統選用的ZigBee模塊是TI的CC2530，其使用的8051 CPU內核是一個單周期的8051兼容內核，具有18個中斷源，8KB SRAM，256KB 閃存塊，提供一個IEEE 802.15.4兼容無線收發器，用Z-Stack可進行應用程序的開發[5]。

學習型紅外遙控模塊利用單片機STC89C52對多個紅外遙控編碼的脈沖寬度進行測量，并原封不動地把發射信號中高、低電平的時間寬度記憶至擴展存儲區的指定地址。當要發射紅外信號時，從擴展存儲區中還原出相應的紅外遙控編碼，并調制到38KHz的載波信號上，最后，通過三極管放大電路驅動紅外發光二極管發射紅外信號，達到學習和發射的目的，從而實現一個遙控器控制多種紅外遙控設備。

3 遠程控制技術

BOA服務器是一個小巧高效的web服務器，是一個運行于unix或linux下的，支持CGI的、適合于嵌入式系統的單任務的http服務器，源代碼開放、性能高。制作網頁并接入Internet，使用BOA作為web服務器，完成遠程數據傳輸和遠程控制[6]。

4 系統架構及工作原理

ZigBee網絡中的終端節點通過UART0接收DHT11、MQ2等傳感器采集的室內空氣質量參數，終端節點將數據無線發送到ZigBee協調器，協調器通過串口將數據傳輸至Mini2440，同時Mini2440接收以太網傳輸的遠程控制數據和命令，將接收到的所有數據和命令進行處理，根據處理結果得到相應的控制命令，利用ZigBee網絡將命令發送到學習型紅外遙控模塊，紅外遙控模塊對空調或排風機進行控制，達到調節室內空氣質量的目的。

5 結語

本文以室內空氣質量問題對居民身體健康的影響為出發點，設計基于嵌入式、ZigBee無線網絡、氣體傳感器檢測和無線紅外通信技術的室內空氣質量的監測與控制系統，來改善室內空氣質量。研究成果可以應用到物流公司倉庫的環境監測和智能控制、醫藥公司的藥物存儲室等。

隨著無線傳感網絡技術、嵌入式技術、射頻技術和紅外無線通信技術的不斷發展，以及物聯網技術的不斷成熟，現有室內空氣質量的監測與控制系統可以進一步完善。具體可以從以下幾個方面繼續研究。

（1）監測系統提供了添加新的功能傳感器模塊接口。目前設計的室內空氣質量的監測與控制系統能夠檢測空氣內的二氧化碳、甲醛、煙霧、溫度和濕度值。隨著新型傳感器技術的發展以及根據特定的氣體檢測要求，可以設計添加新的功能傳感器模塊。

（2）將射頻技術應用到ARM9上。隨著物聯網概念的提出和與之配套的產品技術的不斷發展，路由器終端必將成為家庭設備與外界通信的核心媒介，所以可以將本設計中的ARM9終端與路由器功能相結合，使ARM9的功能更加強大，成為家庭物聯設備控制樞紐。

（3）設計多接口的無線網關設備。目前監測系統內使用的無線網關是將接收到的ZigBee無線信號通過串口直接傳輸到ARM9。可以在無線網關設備上添加以太網等接口電路，將接收到的ZigBee信號直接轉換為工業以太網數據格式后，傳送到企業管理網絡中，實現多個網關同時在一個企業網絡中工作。用戶通過調用管理網絡服務器內收集的空氣質量數據，來實現大規模監測或遠程監測控制。

參考文獻

[1] 鄒歡.住宅通風與節能[J].城市住宅，2003（10）：4.

[2] 唐振名.田榮華.楊強.ARM體系結構與編程[M].電子工業出版社，2012.

[3] FriendlyARM.Mini2440用戶手冊[R].2013.

[4] 王小強.歐陽駿.黃寧淋.ZigBee無線傳感器網絡設計與實現[M].化學工業出版社，2012.

[5] 豈興明.唐杰.51單片機編程基礎與開發實例詳解[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[6] Lambert M.Surhone，Mariam T. Tennoe，Susan F.Henssonow.Boa（Web Server）[Z].2011.