家居環(huán)境監(jiān)測分析系統(tǒng)設計

齊麗靜+戴靜

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

關(guān)鍵詞：家居；環(huán)境監(jiān)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(nèi)生活環(huán)境的要求越來越高，室內(nèi)環(huán)境的質(zhì)量對人體健康的影響已越來越被人們所關(guān)注。室內(nèi)環(huán)境污染會對人體的健康造成嚴重的影響，比如甲醛易引發(fā)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(tǒng)疾病及心血管系統(tǒng)疾??；室內(nèi)粉塵易引起過敏性鼻炎等。傳統(tǒng)的家居環(huán)境監(jiān)測主要以監(jiān)控為主，不具備分析功能。本文提出的家居環(huán)境監(jiān)測分析系統(tǒng)可對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行實時分析，為用戶提供出準確、可靠的建議。

1 系統(tǒng)設計方案

如圖1所示，家居環(huán)境監(jiān)測分析系統(tǒng)由監(jiān)測分析服務器和多個環(huán)境監(jiān)測終端構(gòu)成，環(huán)境監(jiān)測終端可進行多項環(huán)境數(shù)據(jù)采集工作，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)測分析服務器；服務器可對各終端數(shù)據(jù)進行整合處理，并將處理結(jié)果以圖表等形式展示給用戶。

服務器與終端間采用ZigBee協(xié)議進行無線傳輸，服務器構(gòu)建了ZigBee協(xié)調(diào)器，監(jiān)測終端構(gòu)建了ZigBee終端節(jié)點，協(xié)調(diào)器與各節(jié)點共同組建了星型拓撲網(wǎng)絡。

2 環(huán)境監(jiān)測終端設計

環(huán)境監(jiān)測終端由供電、微處理器和無線傳輸、天線、傳感器組和狀態(tài)指示模塊構(gòu)成。其中，供電模塊由充電電路、鋰離子聚合物電池和電平轉(zhuǎn)換電路構(gòu)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(xié)議的SoC芯片和相應的時鐘、調(diào)試電路構(gòu)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(jù)需要裁剪；狀態(tài)指示模塊由多個LED指示燈構(gòu)成，指示正常工作、無線連接、數(shù)據(jù)發(fā)送、通信錯誤、指令接收等狀態(tài)。具體如圖2所示。

微處理器與無線傳輸模塊是環(huán)境監(jiān)測終端的核心部分。該部分選用TI公司的CC2530芯片，其內(nèi)置增強型8051CPU，支持ZigBee協(xié)議和8路AD采集，為無線數(shù)據(jù)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(huán)境監(jiān)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(diào)節(jié)數(shù)據(jù)上傳類型和上傳頻率、采集傳感器的數(shù)據(jù)、顯示設備當前的工作狀態(tài)。

3 監(jiān)測分析服務器設計

3.1 服務器軟、硬件構(gòu)成

監(jiān)測分析服務器硬件由家用電腦和USB無線傳輸模塊構(gòu)成，USB無線傳輸模塊選用帶USB控制器的CC2531芯片構(gòu)建ZigBee協(xié)調(diào)器，維護整網(wǎng)正常運行。服務器軟件由驅(qū)動、數(shù)據(jù)處理、用戶界面和數(shù)據(jù)庫四部分組成。其中，驅(qū)動部分負責數(shù)據(jù)處理部分與CC2531的USB虛擬串口間通信；數(shù)據(jù)處理部分完成數(shù)據(jù)庫寫入、讀取和數(shù)據(jù)分析工作；用戶界面提供用戶交互接口，可實現(xiàn)圖表等信息顯示和用戶指令信息獲取功能；數(shù)據(jù)庫負責各環(huán)境監(jiān)測終端的數(shù)據(jù)存儲和維護工作，包括房間信息與環(huán)境監(jiān)測終端信息連接的數(shù)據(jù)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(tǒng)安裝模式和監(jiān)測分析模式。在系統(tǒng)安裝模式下，服務器可檢測并記錄接入的各環(huán)境監(jiān)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(wèi)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(fā)送指令，指定環(huán)境監(jiān)測終端顯示相應的狀態(tài)。系統(tǒng)安裝設置完成后，軟件進入監(jiān)測分析模式。

在監(jiān)測分析模式下，服務器具有控制、監(jiān)測和分析功能。其中，控制功能是根據(jù)用戶設定的數(shù)據(jù)改變環(huán)境監(jiān)測終端的工作狀態(tài)、數(shù)據(jù)上傳類型和上傳頻率等；監(jiān)測功能是以圖表的方式對各環(huán)境監(jiān)測終端上傳的環(huán)境數(shù)據(jù)進行動態(tài)顯示，便于用戶實時查看；分析功能是根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)對家居環(huán)境進行綜合分析，得出相應的結(jié)論。

3.3 服務器分析結(jié)論

由于監(jiān)測數(shù)據(jù)具有一定的專業(yè)性，用戶無法據(jù)此對家居環(huán)境進行直觀判斷，因此，必須提供簡單、通俗的結(jié)論供用戶參考，其結(jié)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?。?、B（部分房間適宜居住）、C（不適宜居住）三個等級。該等級結(jié)論的產(chǎn)生主要針對有害氣體傳感器所采集的數(shù)據(jù)。在長時間的監(jiān)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(nèi)，則宜居等級為A；如果在長時間監(jiān)測下客廳、廚房、餐廳、衛(wèi)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(nèi)，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(guān)閉后居住，此宜居等級為B；如果客廳、廚房、餐廳、衛(wèi)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(nèi)家具有害物質(zhì)的釋放速度與溫度有關(guān)，夏季高溫情況下釋放速度更快，因此，在經(jīng)歷夏天后的宜居等級結(jié)論更具有權(quán)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(nèi)污染源所處的房間及其在房間內(nèi)的位置。在服務器分析出污染源所處的房間后，如果發(fā)現(xiàn)該房間內(nèi)環(huán)境監(jiān)測終端數(shù)量很少，則會提示用戶增加環(huán)境模塊或?qū)o污染的房間內(nèi)部分環(huán)境監(jiān)測終端轉(zhuǎn)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(guān)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(nèi)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(nèi)的傳感器數(shù)據(jù)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(guān)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(guān)房間通風數(shù)小時后再關(guān)閉門窗檢測。④居住建議。服務器根據(jù)既有分析結(jié)果，在宜居等級在A或B的前提下，為幫助用戶改善居住環(huán)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(nèi)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(nèi)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(xù)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(xù)很高或很低，則建議用戶安裝空調(diào)或使用暖氣調(diào)節(jié)。

4 結(jié)束語

該家居環(huán)境監(jiān)測分析系統(tǒng)可利用多個終端的傳感器數(shù)據(jù)對家居環(huán)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(huán)境，具有較高的實用價值。此外，該系統(tǒng)也可用于可能存在有害物質(zhì)的辦公場所和車間、廠房等，用于環(huán)境監(jiān)測和污染分析。

參考文獻

[1]張顯輝，李長玉.淺談室內(nèi)環(huán)境污染問題[J].環(huán)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(huán)專業(yè)加強學生室內(nèi)環(huán)境安全意識的培養(yǎng)[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(huán)境危險因素的病例-對照研究[J].環(huán)境與健康雜志，2006，23（06）.

〔編輯：張思楠〕