無線傳感器網絡室內空氣質量檢測系統

田悅妍 何揚 杜霖 任光遠 邳鵬

摘要：針對傳統空氣質量檢測系統存在的問題，提出了一種基于無線傳感器網絡的室內空氣質量檢測系統。詳細闡述了無線傳感器網絡室內空氣質量檢測系統的設計思想、硬件結構和軟件的設計方法。使用CC2530組成無線傳感器網絡，采用多個傳感器節點對室內一氧化碳、二氧化碳、氧氣、甲醛、PM2.5以及溫濕度進行檢測，實時顯示檢測結果并進行超限報警。

關鍵詞：無線傳感器網絡;空氣質量;檢測;

1背景

隨著社會發展水平的提高，室內空氣環境質量是人們追求幸福美好生活的重要關注點。我國對室內空氣環境的治理要求在不斷地提高。2020年8月1日住房和城鄉建設部頒布了新修訂的《民用建筑工程室內環境污染控制標準》（GB 50325-2020），對室內空氣中污染物、污染物含量（釋放量）限量及測定方法、室內裝飾裝修設計提出了污染控制預評估要求及材料選用具體要求、幼兒園、學校教室、學生宿舍等裝飾裝修提出了更加嚴格的污染控制要求、室內空氣中污染物濃度限量值等方面做了最新修訂。傳統的室內空氣質量檢測系統存在布置困難、組網通信不便等諸多固有缺點，本文基于無線傳感器網絡技術，提出了一種針對室內環境的空氣質量檢測系統，將一氧化碳、二氧化碳、甲醛等氣體濃度傳感器布置于室內各個區域，通過無線傳感器網絡進行數據傳輸與處理，并能通過互聯網連接上位機對用戶進行報警等服務。

2室內氣體無線檢測技術

目前無線傳輸通信技術主要有Zig Bee、紅外、藍牙、Wi-Fi、GPRS/GSM等。紅外線是一種頻率低于可見光的電磁波，其波長較短，只適用于點對點的短距離無線通信。藍牙使用通用的2.4GHz ISM頻段，使用IEEE802.15協議。藍牙具有跳頻的功能，安全性和抗干擾能力強，但傳輸距離較短，主要工作范圍在10米左右，經過增加射頻功率可以擴展到100米。Wi-Fi是IEEE 802.11標準的無線局域網技術，其無線通信質量有待進一步提升，數據安全性能遜于藍牙，傳輸質量也有待提高，優點是傳輸速度非常快，可以達到9.6Gbps。Zig Bee是一種近年來新興的基于IEEE的802 15.4標準的無線連接技術，使用2.4GHz頻段時最高速度可達250kbit/s，傳輸距離可達百米。Zig Bee具有低成本、易于組網等突出優點，非常適用于大面積大范圍無線檢測系統。

3系統組成與工作原理

本系統采用Zig Bee技術作為無線組網通信方式。系統主要由傳感器節點、協調器和監控終端構成。系統將無線傳感器節點分布于室內的監測區域，這些傳感器節點以自組織和多跳的方式構成無線傳輸網絡，傳感器節點自動完成網絡偵測與加入，自動完成組網通信，區域內傳感器節點自發感知，自主多跳組網，完成數據采集與傳輸處理，并通過協調器把感測數據發送給監控終端。

傳感器節點連接空氣質量傳感器陣列，可以檢測CO、CO2、PM2.5、甲醛、臭氧、溫濕度等等空氣參數，節點之間采用ZigBee技術進行無線組網。傳感器節點將數據采集處理后傳送給協調器，協調器將數據處理后打包傳送給監控終端。所有接收到的數據可以在監控終端進行處理、分析和顯示。系統可以預設各類空氣質量參數閾值，當相關參數超過閾值后，系統報警。

4系統設計

4.1傳感器電路設計

系統通過氣體傳感器陣列來檢測空氣質量指標參數。氣體傳感器能夠檢測相應的氣體，并且經過內部電路或者外部電路處理之后顯示出來。衡量氣體傳感器優劣的指標主要有：穩定性、靈敏度、選擇性、抗腐蝕性。氣體傳感器的分類主要有：半導體式氣體傳感器、電化學式氣體傳感器、接觸燃燒式氣體傳感器和光學式氣體傳感器。結合系統的應用環境和工程實際，同時考慮室內空氣質量的關鍵指標，系統選擇6個傳感器搭建空氣質量傳感器陣列，分別檢測室內一氧化碳、二氧化碳、氧氣、甲醛、PM2.5以及溫濕度等空氣質量參數。一氧化碳傳感器選用美國SPEC Sensors公司的3SP-CO-1000，其檢測量程為0-1000 ppm，檢測下限為0.5ppm，響應時間一般小于15秒，工作溫度范圍為-30到55°C，濕度范圍為0到95%，功耗極低，只有10到50 u W。二氧化碳傳感器選用英國GSS CO2傳感器Coz IR-Blink，Coz IR-Blink是一款低功耗CO2傳感器，具有I2C接口，低功耗、長壽命的紅外CO2傳感器，與Zig Bee，Wi-Fi，Lo Ra，藍牙，Sig Fox和En Ocean等無線物聯網網絡集成，非常適合低功耗、電池和物聯網應用，具備自動校準功能，測量范圍為0-2000ppm，0-5000ppm和0-1%。氧氣傳感器選用英國alphasense公司的O2-M2，其為電化學氧氣傳感器，氧氣濃度測量范圍：0-30%，響應時間小于15秒，全量程時線性誤差<0.6ppm。甲醛傳感器選用英國DART公司的WZ-S，其檢測量程為0-1ppm，分辨率達到0.001ppm，響應時間小于90秒，低功耗，接口電路簡單。PM2.5傳感器采用夏普公司光學型傳感器GP2Y1010AU0F，其通過電壓信號來指示當前空氣質量，單位是mg/m^3，其內部放置紅外線發光二極管和光電晶體管，PM2.5粒子將光子散射到光電晶體管檢測區，引起光電晶體管電流的變化，經過放大器處理，最終輸出模擬電壓信號。PM2.5粒子散射光的強度與其質量濃度成正比，因此可從輸出的模擬電壓信號得到PM2.5粒子的濃度。可檢測0.8微米以上的微小粒子，靈敏度達到0.5V/（0.1mg/m3），體積小、重量輕、便于安裝應用十分簡便。需要特別指出的是，GP2Y1010AU0F傳感器工作時對驅動其紅外線發光二極管提供的采樣周期、脈寬和采樣時間精準度要求較高。除了提供紅外LED的驅動脈沖外，還需要提供傳感器電源電壓，主要供給光電晶體管和放大器，輸入端電壓供給紅外發光二極管。溫濕度傳感器選用含有已校準數字信號輸出的AM2302，具有I2C接口，與處理器連接十分方便。溫度測量范圍：-40～+80℃，溫度精度：±0.5℃，濕度測量范圍：0～99.9%RH，濕度精度：±3%RH，功耗低，傳輸信號距離遠。

4.2系統軟件設計

軟件部分設計是系統一個重要的部分，軟件程序編程直接決定了一個系統能否正常運行。軟件系統由無線通信模塊、實時檢測模塊、參數設置以及輸出模塊組成。無線通信模塊用于系統無線傳感器網絡組網通信，實時檢測模塊用于室內傳感器節點采集數據并傳輸處理，參數設置以及輸出模塊用于室內環境參數的設定，以及檢測結果的輸出、存儲、打印以及超限報警等，空氣質量參數設定參考《室內空氣質量標準》（GB/T 18883-2002）。本系統的軟件開發環境是IAR軟件，程序設計基于Z-Stack協議棧，主要包括無線傳感器采集節點和協調器節點的軟件設計。采集節點主要負責底層空氣質量傳感器數據的采集，而協調器一方面將上位機的監控命令等信息下發到參數采集節點;另一方面將各采集節點傳感數據上傳給上位機。協調器節點程序設計涉及五個方面：串命令ID;對各節點進行數據收集;數據校驗;數據上傳。無線傳感器檢測節點程序工作流程如下：傳感器節點上電后進行初始化配置，之后將進行無線網絡掃描并發送入網請求信號，確認入網成功后利用定時器控制采樣率進行周期性輪流采集傳感器信息，為減少誤差需對采集數據進行平滑濾波處理后發送給網絡協調器。為了降低傳感器節點能耗，節點空閑時將進入休眠模式。

5結束語

本文提出了一種無線傳感器網絡室內空氣質量檢測系統，系統由多個檢測節點組成無線傳感器室內空氣檢測網絡，實現了對室內環境中的一氧化碳、二氧化碳、氧氣、甲醛、PM2.5以及溫濕度等空氣質量參數的實時檢測及異常報警。系統采用低功耗、高精度的傳感器構成空氣質量參數檢測陣列，利用ZigBee技術組建無線通信網絡，系統具有部署靈活、易于擴展、響應及時和檢測精度高等優點。

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