家居環境監測分析系統設計

齊麗靜+戴靜

摘 要：提出了一種家居環境監測分析系統的設計方案。以CC2530和CC2531為主控芯片，搭建了一套家居環境監測系統。該系統集成了溫度、濕度、氣味、粉塵、有害氣體五種傳感器，并可對監測數據進行實時分析，使用戶可以實時獲知家居環境狀況，對家居環境進行調整。實驗結果表明，該系統通信穩定，能對數據進行實時分析，且分析結果與實際居住環境相匹配，具有較高的準確性。

關鍵詞：家居；環境監測；ZigBee；傳感器

中圖分類號：TP273.5 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.24.089

隨著人們生活水平的提高，對室內生活環境的要求越來越高，室內環境的質量對人體健康的影響已越來越被人們所關注。室內環境污染會對人體的健康造成嚴重的影響，比如甲醛易引發流淚、咳嗽、氣喘等癥狀，嚴重時可導致人的肝肺功能異常；PM2.5污染易引起個體呼吸系統疾病及心血管系統疾病；室內粉塵易引起過敏性鼻炎等。傳統的家居環境監測主要以監控為主，不具備分析功能。本文提出的家居環境監測分析系統可對監測數據進行實時分析，為用戶提供出準確、可靠的建議。

1 系統設計方案

如圖1所示，家居環境監測分析系統由監測分析服務器和多個環境監測終端構成，環境監測終端可進行多項環境數據采集工作，并將數據發送至監測分析服務器；服務器可對各終端數據進行整合處理，并將處理結果以圖表等形式展示給用戶。

服務器與終端間采用ZigBee協議進行無線傳輸，服務器構建了ZigBee協調器，監測終端構建了ZigBee終端節點，協調器與各節點共同組建了星型拓撲網絡。

2 環境監測終端設計

環境監測終端由供電、微處理器和無線傳輸、天線、傳感器組和狀態指示模塊構成。其中，供電模塊由充電電路、鋰離子聚合物電池和電平轉換電路構成，為其余各模塊供電；微處理器與無線傳輸模塊由集成ZigBee協議的SoC芯片和相應的時鐘、調試電路構成；天線模塊用于增強無線信號傳輸距離；傳感器組采用組合化設計方式，最多可支持溫度、濕度、氣味、粉塵和有害氣體傳感器，用戶可根據需要裁剪；狀態指示模塊由多個LED指示燈構成，指示正常工作、無線連接、數據發送、通信錯誤、指令接收等狀態。具體如圖2所示。

微處理器與無線傳輸模塊是環境監測終端的核心部分。該部分選用TI公司的CC2530芯片，其內置增強型8051CPU，支持ZigBee協議和8路AD采集，為無線數據采集設備提供了完整的解決方案；支持多種工作模式，可有效降低功耗，延長電池的使用時間。

環境監測終端軟件的主要功能包括各模塊的初始化、接收用戶的指令信息、改變處理器的工作模式、調節數據上傳類型和上傳頻率、采集傳感器的數據、顯示設備當前的工作狀態。

3 監測分析服務器設計

3.1 服務器軟、硬件構成

監測分析服務器硬件由家用電腦和USB無線傳輸模塊構成，USB無線傳輸模塊選用帶USB控制器的CC2531芯片構建ZigBee協調器，維護整網正常運行。服務器軟件由驅動、數據處理、用戶界面和數據庫四部分組成。其中，驅動部分負責數據處理部分與CC2531的USB虛擬串口間通信；數據處理部分完成數據庫寫入、讀取和數據分析工作；用戶界面提供用戶交互接口，可實現圖表等信息顯示和用戶指令信息獲取功能；數據庫負責各環境監測終端的數據存儲和維護工作，包括房間信息與環境監測終端信息連接的數據表。

3.2 服務器軟件工作模式

服務器軟件設計了2種工作模式，即系統安裝模式和監測分析模式。在系統安裝模式下，服務器可檢測并記錄接入的各環境監測終端，提示用戶輸入相應終端所處的房間屬性（客廳、臥室、書房、廚房、餐廳、衛生間、儲物間等）和分組屬性（相應終端是否處于同一房間）。為了便于用戶定位當前終端，服務器可發送指令，指定環境監測終端顯示相應的狀態。系統安裝設置完成后，軟件進入監測分析模式。

在監測分析模式下，服務器具有控制、監測和分析功能。其中，控制功能是根據用戶設定的數據改變環境監測終端的工作狀態、數據上傳類型和上傳頻率等；監測功能是以圖表的方式對各環境監測終端上傳的環境數據進行動態顯示，便于用戶實時查看；分析功能是根據記錄的數據對家居環境進行綜合分析，得出相應的結論。

3.3 服務器分析結論

由于監測數據具有一定的專業性，用戶無法據此對家居環境進行直觀判斷，因此，必須提供簡單、通俗的結論供用戶參考，其結論及相應設計原理如下。

3.3.1 宜居等級

宜居等級分為A（非常適宜居住）、B（部分房間適宜居住）、C（不適宜居住）三個等級。該等級結論的產生主要針對有害氣體傳感器所采集的數據。在長時間的監測下，如果所有房間的有害氣體濃度均處于國標允許的范圍內，則宜居等級為A；如果在長時間監測下客廳、廚房、餐廳、衛生間或某一個房間的有害氣體濃度處于國標允許的范圍內，其他房間的有害氣體濃度超標，則用戶可選擇在將其他房間的門關閉后居住，此宜居等級為B；如果客廳、廚房、餐廳、衛生間或所有臥室的有害氣體濃度均超過國標允許的范圍，則宜居等級為C。

需要注意的是，由于室內家具有害物質的釋放速度與溫度有關，夏季高溫情況下釋放速度更快，因此，在經歷夏天后的宜居等級結論更具有權威性。

3.3.2 污染源定位

污染源定位即服務器告知用戶室內污染源所處的房間及其在房間內的位置。在服務器分析出污染源所處的房間后，如果發現該房間內環境監測終端數量很少，則會提示用戶增加環境模塊或將無污染的房間內部分環境監測終端轉移至該房間。

污染源位置的確定主要依賴于溫度和有害氣體濃度，在相同的溫度下，靠近污染源的有害氣體濃度增加速度更快。由于污染源定位功能會受房間屬性和門窗開關的影響，因此，在確定污染源時，服務器會進行以下處理：①廚房。如果在三餐時間段內有害氣體的濃度明顯增加，其余時間段濃度很低，則只給出相應建議，不進行污染源定位。②如果某些房間在長時間內的傳感器數據近似或只有溫度變化明顯，則提示用戶確認門窗是否全部關閉。③如果有多個房間的有害氣體濃度超標，且濃度近似一致，則提示用戶先將相關房間通風數小時后再關閉門窗檢測。④居住建議。服務器根據既有分析結果，在宜居等級在A或B的前提下，為幫助用戶改善居住環境而提出的建議，包括在宜居等級為B時，建議用戶不要在有害氣體濃度超標的房間居住或長時間停留。⑤如果廚房在三餐時間段內有害氣體的濃度明顯增加，則建議用戶改善抽油煙機的性能或在相應時間段內通風。⑥如果某些房間粉塵多或氣味較重，則建議用戶通風或在相應房間安裝空氣凈化裝置。⑦如果在某些時間段空氣濕度持續很高或很低，則建議用戶在相應時間段使用除濕機或加濕器。⑧如果在某些時間段氣溫持續很高或很低，則建議用戶安裝空調或使用暖氣調節。

4 結束語

該家居環境監測分析系統可利用多個終端的傳感器數據對家居環境進行綜合分析，提出宜居性建議，同時，幫助用戶定位污染源、改善居住環境，具有較高的實用價值。此外，該系統也可用于可能存在有害物質的辦公場所和車間、廠房等，用于環境監測和污染分析。

參考文獻

[1]張顯輝，李長玉.淺談室內環境污染問題[J].環境科學與管理，2008，33（10）.

[2]李炎鋒，常琳，張亦昕.基于PM2.5研究談建環專業加強學生室內環境安全意識的培養[J].中國科技信息，2013（13）.

[3]葉曉芳，古雅蘭，馬芙蓉.過敏性鼻炎環境危險因素的病例-對照研究[J].環境與健康雜志，2006，23（06）.

〔編輯：張思楠〕