基于物聯(lián)網(wǎng)的樓宇空氣檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

于瑩瑩

(遼寧裝備制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院,遼寧沈陽(yáng) 110161)

0 引言

對(duì)于傳統(tǒng)空氣質(zhì)量的檢測(cè)系統(tǒng)而言,其數(shù)據(jù)分析以及在線監(jiān)測(cè)的連續(xù)性不足,在物聯(lián)網(wǎng)概念不斷發(fā)展過(guò)程中,為空氣檢測(cè)系統(tǒng)開發(fā)工作提供全新思路。通過(guò)相關(guān)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái),結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)促使云端、APP以及終端設(shè)備實(shí)現(xiàn)連接,使得檢測(cè)系統(tǒng)具備遠(yuǎn)程管理、控制、檢測(cè)以及其他功能,充分促進(jìn)空氣檢測(cè)裝置不斷朝著智能化方向發(fā)展[1]。

1 樓宇空氣檢測(cè)重要性

對(duì)于樓宇空氣污染物,其來(lái)源主要涵蓋以下幾點(diǎn):(1)室外污染空氣通過(guò)窗戶、房門等通道流入室內(nèi)。(2)在居民日常生活中會(huì)形成一些有害氣體。(3)一些裝飾材料以及建筑材料可能釋放有害物質(zhì)或是氣體。

在樓宇空氣污染方面,主要污染源涵蓋甲醛、TVOC、氨氣以及苯系物等。若是此類物質(zhì)在空氣中的含量較大,并且居民長(zhǎng)時(shí)間處于此種環(huán)境中,會(huì)對(duì)居民神經(jīng)系統(tǒng)以及呼吸系統(tǒng)造成嚴(yán)重破壞,并且會(huì)誘發(fā)白血病和癌癥等疾病。所以通過(guò)監(jiān)測(cè)工作能夠及時(shí)了解當(dāng)前樓宇空氣質(zhì)量,并及時(shí)通過(guò)空氣凈化設(shè)備或是通風(fēng)放氣等方法優(yōu)化空氣。而這些工作的前提下就是需要擁有良好檢測(cè)系統(tǒng)提供保障,才能夠促使檢測(cè)工作順利完成[2]。

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

當(dāng)前,樓宇空氣檢測(cè)系統(tǒng)通常選擇有線方式進(jìn)行通信,就是將傳感器放在監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)需要監(jiān)測(cè)的位置,通過(guò)傳感器收集信息,同時(shí)借助電纜箱中央采集站傳輸,并通過(guò)采集站向上位機(jī)集中發(fā)送信號(hào),實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)。然而此種方式的接線工作較為繁瑣、線路部署較為復(fù)雜,并且線路維護(hù)成本較高。因?yàn)闃怯顦?gòu)造,可以選擇無(wú)線技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)有線技術(shù)進(jìn)行替代,促使數(shù)據(jù)采集與傳感器可以實(shí)現(xiàn)直接通訊,能夠解決在有毒有害氣體以及無(wú)人等環(huán)境下開展遠(yuǎn)程監(jiān)控同時(shí),同時(shí)能夠保證在無(wú)法布線條件下開展環(huán)境監(jiān)控工作,解決有線傳輸中布線問(wèn)題。對(duì)此,本文以及ZigBee技術(shù)為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)一種空氣檢測(cè)系統(tǒng)[1]。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 芯片選擇

本文主要采用TI公司CC2530芯片開展設(shè)計(jì)工作,其中涵蓋射頻RFCC2520,可以基于ZigBee協(xié)議棧上開展,具有重量輕、體積小等特點(diǎn)。與傳統(tǒng)檢測(cè)系統(tǒng)相比,其體積與功率更低、可靠性更高。

3.2 功能模塊

(1)內(nèi)存與CPU。CC253x芯片主要采用8051CPU內(nèi)核,其訪問(wèn)總線有三種形式,主SRAM、DATA、SFR。并涵蓋輸入擴(kuò)展中斷模塊與調(diào)試接口。

(2)中斷控制器。其中中斷源為18個(gè),中斷組為6個(gè)。在設(shè)備由活動(dòng)模式向空閑模式切換之后,中斷服務(wù)的請(qǐng)求會(huì)被激活,還能夠借助終端促使設(shè)備由睡眠狀態(tài)轉(zhuǎn)為工作狀態(tài)。

(3)外設(shè)。CC2530涵蓋多種外設(shè),程序開發(fā)人員不斷進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)。簡(jiǎn)單介紹其外設(shè)與作用。1)調(diào)試接口:可以對(duì)專用兩線串行的接口進(jìn)行執(zhí)行,調(diào)試內(nèi)電路。2)I/O控制器:用于通用I/O引腳。3)睡眠定時(shí)器:超低功耗定時(shí)器,對(duì)32KHzRC振蕩器或是32KHz晶振周期進(jìn)行計(jì)算[2]。

(4)無(wú)線設(shè)備。CC2530中涵蓋一個(gè)IEEE802.15.4收發(fā)器。模擬無(wú)線單元由RF內(nèi)核所控制。同時(shí),其可以提供無(wú)線設(shè)備與MCU之間的接口,能夠發(fā)送命令,進(jìn)行狀態(tài)讀取以及對(duì)無(wú)線設(shè)備時(shí)間相應(yīng)順序進(jìn)行確定,無(wú)線設(shè)備中還涵蓋地址識(shí)別以及數(shù)據(jù)包過(guò)濾等模塊。

3.3 傳感器

(1)溫濕度傳感器。本系統(tǒng)選擇DHT11型號(hào)傳感器。其主要應(yīng)用溫濕度傳感以及數(shù)字模塊采集兩種技術(shù)手段。測(cè)溫元件為NTC、感濕元件為電阻式型號(hào)。該傳感器具有性價(jià)比高、抗干擾能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)。串行接口為單線制形式,促使系統(tǒng)集成更加便捷。四針單排形式的封裝具有連接便捷、功率低以及體積小等特點(diǎn),與本系統(tǒng)需求非常相符,并且DHT11型號(hào)傳感器使用壽命長(zhǎng)。穩(wěn)定性高。

(2)甲烷傳感器。本系統(tǒng)主要選擇MC114型傳感器。該型傳感器的催化元件按照催化燃燒效應(yīng)原理進(jìn)行工作,電橋兩臂由補(bǔ)償元件與檢測(cè)元件構(gòu)成,遇到可燃性氣體支護(hù),檢測(cè)元件的電阻會(huì)增大,改變橋路的輸出電壓,在氣體濃度不斷升高過(guò)程中其電壓變量也隨之增加,補(bǔ)償元件主要進(jìn)行溫度補(bǔ)償以及參比作用。

3.4 節(jié)點(diǎn)硬件

(1)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)方案。在硬件中主要涵蓋,終端節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)以及路由器節(jié)點(diǎn)三個(gè)硬件設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。

終端節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)運(yùn)行控制以及數(shù)據(jù)采集工作,其負(fù)責(zé)對(duì)室內(nèi)氣體與溫度數(shù)據(jù)采集、協(xié)調(diào)器執(zhí)行等命令。涵蓋供電、ZigBee收發(fā)、傳感器等模塊。在本文ZigBee系統(tǒng)中,氣體信息采集由傳感器開展,終端節(jié)通過(guò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和無(wú)線核心模塊傳輸數(shù)據(jù),借助LED將其網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)與工作狀態(tài)充分顯示出來(lái)。

路由器節(jié)點(diǎn)涵蓋數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)、路由表維護(hù)以及數(shù)據(jù)采集等功能。其節(jié)點(diǎn)硬件與終端節(jié)點(diǎn)具有相似性,主要差異在于傳感器數(shù)量與類型。所以,下面僅介紹一下協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。

在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中,協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)屬于核心部分,承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與管理、上機(jī)位通信以及傳感器數(shù)據(jù)收集與處理等工作。主要結(jié)構(gòu)涵蓋顯示單元、ZigBee單元、供電單元等。本文中,協(xié)調(diào)器借助RS-232接口實(shí)現(xiàn)上機(jī)位通信,數(shù)據(jù)處理以及無(wú)線傳輸主要由無(wú)線核心單元開展,借助LED將其網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)與工作狀態(tài)充分顯示出來(lái)。

(2)無(wú)線核心單元設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)樓宇的空氣檢測(cè)系統(tǒng)中,CC2430+MS430以及CC2430單機(jī)片無(wú)法進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸,若是開展大規(guī)模空氣監(jiān)測(cè)工作,應(yīng)該選擇可以遠(yuǎn)距離傳輸?shù)哪K開展。本文將CC2530與CC2591芯片同時(shí)運(yùn)用于檢測(cè)系統(tǒng)中,有效提高傳輸距離。

該模塊主要涵蓋天線、濾波電路、CC2591、CC2530以及時(shí)鐘電路等。

(3)協(xié)調(diào)器外圍電路。下面簡(jiǎn)單介紹RS-232接口與JTAG接口兩種電路。

首先,RS-232接口電路,系統(tǒng)中,協(xié)調(diào)器與上機(jī)位監(jiān)控室應(yīng)該保持良好距離,因此通過(guò)RS-232接口和上機(jī)位進(jìn)行通信。在該電路中,電平轉(zhuǎn)換芯片選擇M A X 3232CSE。該芯片為MAX3232發(fā)展型號(hào),借助雙電荷泵,基于3.0～5.5V供壓條件,將RS-232協(xié)調(diào)器效能充分體現(xiàn)出來(lái)。

其次,JTAG接口電路。終端節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)以及路由節(jié)點(diǎn)電路板中均設(shè)置了十芯JTAG接口,Pin1是接地,Pin2是3.3V電源,Pin3與Pin4為下載線,Pin7是復(fù)位,其他接口為I/O拓展口。

在三個(gè)節(jié)點(diǎn)電路中均設(shè)置了四芯SPI接口,與CC2530接口功能相對(duì)的是:CC2530P1-4與Pin1;CC2530P1-5與Pin2;CC2530P1-6與Pin3;CC2530P1-7與Pin4。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 軟件開發(fā)平臺(tái)

在本系統(tǒng)中,選擇IAR EW進(jìn)行集成開發(fā)。其交叉編譯器與C/C++調(diào)試器是現(xiàn)階段使用最容易以及最完整的專業(yè)嵌入式開發(fā)工具。在不同類型微處理器中可以提供相同的用戶界面,功能較為完善。IAR EW涵蓋匯編器、編輯器以及連接定位器等器件。其中編輯中代碼最為優(yōu)化與緊湊,有效節(jié)約硬件資源,進(jìn)而減少產(chǎn)品成本,提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。IAR EW可以保證CC2530芯片的在線下載、編程以及調(diào)試等方面需求得到充分滿足。本系統(tǒng)中選擇其IAR7.51A型號(hào)。

4.2 軟件系統(tǒng)構(gòu)成

ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件。對(duì)于協(xié)調(diào)器,在上位機(jī)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信中具有重要意義,借助連接上位機(jī)和串口。網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與維持是其主要功能。對(duì)協(xié)調(diào)器進(jìn)行上電處理之后,構(gòu)建網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò),并向上位機(jī)發(fā)送信息。若是網(wǎng)絡(luò)中終端設(shè)備或是路由器提交了加入申請(qǐng),在設(shè)備成功加入網(wǎng)絡(luò)后,會(huì)向協(xié)調(diào)器發(fā)送相關(guān)信息,并由協(xié)調(diào)器進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。另外,其還能夠?qū)崿F(xiàn)上位機(jī)串口指令接收,并向上位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)。

4.3 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

上位機(jī)可以顯示系統(tǒng)采集數(shù)據(jù),同時(shí)處理、存儲(chǔ)相關(guān)數(shù)據(jù)。所以需要設(shè)計(jì)相應(yīng)監(jiān)控系統(tǒng),本文主要通過(guò)Visual Bassic6.0編寫。

(1)內(nèi)部控件。第一,TextBox。通過(guò)文本框控件實(shí)現(xiàn)用戶輸入信息的接收,同時(shí)能夠?qū)⑾到y(tǒng)文本信息顯示出來(lái)。可以對(duì)文本進(jìn)行編輯,系統(tǒng)中主要借助該控件進(jìn)行文本編寫。第二,PictureBox。通過(guò)圖片框顯示圖形,文件格式主要涵蓋gif、jpg、wmf、ico以及bmp等。另外可以用于其他控件容器。第三,Menu。自定義菜單,可以對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)行執(zhí)行。使用軟件過(guò)程中,該控件能夠充分配置以及保存參數(shù)。本軟件主要設(shè)計(jì)了場(chǎng)所選擇、工具、報(bào)警、數(shù)據(jù)采集、幫助、監(jiān)控管理以及數(shù)據(jù)管理等菜單。第四,Timer。定時(shí)器主要用于在相關(guān)時(shí)間間隔所觸發(fā)的事件中,工作過(guò)程中不可見。其重要屬性就是Intrrval,設(shè)置時(shí)間間隔(ms),取值范圍是0—65767。若是為0,代表定時(shí)器處于無(wú)效狀態(tài)。第五,ToolBar。涵蓋Button對(duì)象幾何,能夠借助添加按鈕進(jìn)行工具欄創(chuàng)建。本系統(tǒng)中,可以通過(guò)工具條控件,在其中放置串口、波特率的選擇。

(2)MSComm控件。MSComm屬于VB通信空間。該控件所提供的串口數(shù)據(jù)接、發(fā)功能非常完善,MSComm處理方式主要涵蓋以下兩種類型:1)查詢方式:借助對(duì)Comm Event屬性值對(duì)事件以及錯(cuò)誤進(jìn)行科學(xué)判斷。2)事件驅(qū)動(dòng):通過(guò)MS Com m中On Co mm 捕獲時(shí)間,同時(shí)對(duì)通信錯(cuò)誤進(jìn)行處理。

MSComm控件主要通過(guò)API函數(shù)進(jìn)行通信,并且API函數(shù)主要是通過(guò)Comm.drv進(jìn)行解釋,同時(shí)向驅(qū)動(dòng)程序傳送,通過(guò)了解事件用法以及MSComm控件屬性,能夠進(jìn)行串口操作。比如,VommPort主要是進(jìn)行通信端口號(hào)設(shè)置;Settings主要是通過(guò)字符串形式進(jìn)行停止位、數(shù)據(jù)位、波特率等方面的設(shè)置。

(3)數(shù)據(jù)庫(kù)。在程序設(shè)計(jì)行業(yè)中,數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)較為活躍。一般以數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)進(jìn)行管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)。Visual Basic 6.0語(yǔ)言功能非常強(qiáng)大,其能夠高效、迅速進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)開發(fā)工作。VB數(shù)據(jù)庫(kù)涵蓋Access數(shù)據(jù)庫(kù)與本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)兩種類型。基于VB環(huán)境中可視化管理器,能夠?qū)崿F(xiàn)創(chuàng)建,選擇MDB作為后綴。同時(shí),VB中還涵蓋Text File、ODBC、dBase以及其他格式。本系統(tǒng)選擇Access數(shù)據(jù)庫(kù)。

(4)監(jiān)控界面。在本系統(tǒng)中,節(jié)點(diǎn)數(shù)量為2個(gè),其中終端節(jié)點(diǎn)數(shù)量為2個(gè),路由器節(jié)點(diǎn)數(shù)量為2個(gè),協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)數(shù)量為1個(gè)。在客廳與主臥房間安裝。

登錄界面中涵蓋密碼、用戶名等版塊。對(duì)于樓宇空氣檢測(cè)系統(tǒng),通過(guò)設(shè)定密碼和用戶名可以有效提高系統(tǒng)安全性。借助用戶登錄,可以對(duì)室內(nèi)空氣展開實(shí)時(shí)監(jiān)控,提高樓宇安全性。

監(jiān)控系統(tǒng)中,對(duì)于甲醛、甲烷、溫濕度等采集數(shù)據(jù)可以借助RS-232串口與監(jiān)控系統(tǒng)通信。通信過(guò)程中,可以通過(guò)上機(jī)位的數(shù)據(jù)庫(kù)儲(chǔ)存數(shù)據(jù)。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述,以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的樓宇空氣檢測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)κ覂?nèi)粉塵顆粒、有害氣體以及其他污染物濃度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集以及分析等工作,同時(shí)通過(guò)無(wú)線傳輸形式向物聯(lián)網(wǎng)中傳輸檢測(cè)數(shù)據(jù),進(jìn)行遠(yuǎn)程檢測(cè)。具有成本低、重量輕、體積小、檢測(cè)快速以及便攜性強(qiáng)等特點(diǎn)。同時(shí),該系統(tǒng)在娛樂(lè)以及學(xué)校等場(chǎng)所開展空氣檢測(cè)工作,充分保障民眾健康。