一种智能室内环境监测系统的设计.docx

一种智能室内环境监测系统的设计一种智能室内环境监测系统的设计裴东1，周良元1，郭鹏2，蔡东阳2作者简介：裴东，男，副教授，电路与系统1.西北师范大学物理与电子工程学院，兰州730000；2.清华大学工程物理系，北京1000845摘要：如今人们花费大多时间待在室内，室内空气质量监测极其重要。本文设计出了基于无线网络的室内空气污染与毒性监测系统，用以在线监测室内空气的污染和毒性危险情况。对于此类系统，由于其采用干电池，能量管理极其重要，本文设计了方法来优化能量管理。本系统用于甲醛、氧气以及CO等室内气体的监测，网络系统构架可以以用于温度、湿度等环境参数的监测。10关键词：无线传感器网络；RF射频；气体传感器DesignofanIntelligentIndoorEnvironmentMonitoringSystemPEIDong1,ZHOULiangyuan1,GUOPeng2,CAIDongyang215(1.PhysicalandElectronicEngineering,NorthwestNormalUniversity,LanZhou730000;2.DepartmentofEngineeringPhysics,TsinghuaUniversity,Beijing100084)Abstract:Nowdays,peoplespendalotoftimetostayindoors.Indoorairqualitymonitoringisextremelyimportant.Thispaperdesignanwirelessairpollutionandtoxicitymonitoringsystemtomonitortheindoorairpollutionandtoxicityofhazardoussituationsonline.Forthestabilityand20accuracyofthedatacollection,theminiaturizationofthedevices,thevariousmodulesofthesystemarebattery-powered,whichmaketheenergymanagementisextremelyimportant.Themethodisdesignedtooptimizeenergymanagement.Thesystemusedforthemonitoringofformaldehyde,oxygenandCOgases,butthenetworksystemarchitecturecanalsobeusedformonitoringoftemperature,humidityandotherenvironmentalparameters.25Keywords:WirelessSensorNetworks;RadioFrequency;Gassensor0引言随着近代工业的迅速发展，环境污染也越来越严重。空气质量的降低，不利于人类的身体健康，严重时还可能引起疾病甚至死亡。当今社会，我们花费大部分时间呆在室内，因而30室内气体质量至关重要。空气中含有毒气体CO，甲醛，以及分粉尘颗粒等，会导致头痛，目眩，恶心扎眼等症状12。因而，特设计次室内环境检测系统，用于室内环境，保障居民生活健康。随着智能家居概念的推广，以及室内装修的要求，室内布置检测装置要求功能稳定却不影响美观，使用便捷，用户友好性强。所以，本系统设计中结合了无线RF网络技术，避免35了繁琐的装修走线，遵循安全保护，节能健康的理念3。1nRF24L01射频模块nRF24L01是瑞士NORDIC公司是一款工作在2.42.5GHz世界通用ISM频段的单片无线收发器芯片。无线收发器包括:频率发生器加强型SchockBurstTM形式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器解调器。输出功率、频道选择和协议的设置能够通过SPI接40口进行设置.次芯片拥有极低的电流消耗：当工作在发射形式下发射功率为-6dBm时电流消耗为9.0mA接收形式时为12.3mA。掉电形式和待机形式下电流消耗更低。它是一款真正的GFSK单收发芯片，内置链路层，具有自动应答以及重发功能，地址以及CRC检验功能。它能够接受5V电平的输入，而其工作电压只要1.9V到3.6V。45本文中应用到的信号收发的数据包处理方式采用其提供的ShockBurst形式。在这种形式下，nRF24L01能够与成本较低的低速MCU相连高速信号处理是由芯片内部的射频协议处理的nRF24L01提供SPI接口数据率取决于单片机本身接口速度ShockBurst形式通过允许与单片机低速通信而无线部分高速通信减小了通信的平均消耗电流。nRF24L01在接收形式下能够接收6路不同通道的数据。每一个数据通道使用不同的地址但是共用一样的频道也就是讲6个不同的nRF24L01设置为发送形式后能够与同一个设置为接收形式nRF24L0150进行通讯而设置为接收形式的nRF24L01能够对这6个发射端进行识别。nRF24L01在确认收到数据后记录地址并以此地址为目的地址发送应答信号4。55图1,nRF24L01射频模块接收形式示意图图2,晶粒间势垒模型2气体传感器与气体检测模块气体传感器是基于不同的敏感原理，运用多种不同的材质与工艺制造而成。本文选用的基于半导体金属氧化物敏感材料的气体传感器，由费加罗公司制造，型号为TGS26xx系列，60对CO，氧气以及甲醛等室内气体，具有较强敏感性。气体传感器的敏感材料是金属氧化物,最具代表性的是SnO2。金属氧化物晶体如SnO2在空气中被加热到一定高的温度时，氧被吸附在带一个负电荷的晶体外表。然后，晶体外表的供与电子被转移到吸附的氧上，结果在一个空间电荷层留下正电荷。这样，外表势能构成一个势垒，进而阻碍电子流动，如见图2。在传感器的内部，电流流过SnO2微晶的结合部位晶粒边界。在晶粒边界，吸附的65氧构成一个势垒阻止载流子自由移动，传感器的电阻即缘于这种势垒。复原性气体出现时，带有负电荷的氧的外表浓度降低，导致晶粒边界的势垒降低。降低了的势垒使传感器的阻值减小了。传感器阻值和复原性气体浓度之间的关系可由下面的一定范围气体浓度方程表示：Rs=AC-这里：Rs=传感器电阻；A=常数C=气体浓度=Rs曲线的斜率。气体检测模块为自行设计的由气体传感器，数据收集芯片MSP430，AD收集电路，以70及外围接口电路组成的检测模块。能有效检测出对应气体浓度，并且将收集所得数据通过SPI接口传出67。模块部分收集电路以及射频模块与单片机通信电路如图3，图4所示。图3,气体检测部分电路图4,RF芯片与MSP430接口电路753PIR人体感应模块本文采用深圳市杰华电子有限公司的型号GH-718人体感应模块。其使用工作电压为DC4.520V，静态电流为50uA，高电平输出3.3V低电平输出为0V，保持时间为3-900秒之间，能够自主调节，感应角度为110度，最大感应距离为7米。4无线传感器系统构架设计80由于无线传感器系统需要安装后长期使用，而干电池的电量有限，所以，超低功耗成为本系统的关注要点。本系统选用了16位低功耗微控制器MSP430为核心控制器，它是美国德州仪器公司生产的功能强大的MSP430系列芯片之一。它采用1.8V-3.6V输入电压，具有包括五种省电形式在内的多种低功耗工作形式，可通过编程选择控制。85无线传感器网络包括网络主结点，气体监测次结点，人体感应次结点三个部分8。如图5。图5,无线传感器网络示意图4.1网络主结点模块90其中发送模块包括：气体传感器、敏感模块、单片机及显示等设备、处于发送形式的nRF24L01模块。它位于客厅，包括处理显示控制模块和RF模块。其中处理控制显示模块主要由MSP430单片机以及LCD显示屏组成。并且其RF模块处于接收形式，根据nRF24L01模块特性，处于接收形式时，能够与6个不同的设置为发送形式的RF模块通信，并且具有识别能力。95图6,气体检测次结点模块示意图图7,气体检测主结点模块示意图4.2气体检测次结点100接受模块包括：处于接受形式的nRF24L01模块，单片机以及显示等设备。它位于各不同的房间，包括设置为发送形式的RF模块以及气体检测模块。气体检测模块通过将监测数据传递个RF模块，并发往网络主结点。4.3人体感应次结点105位于主要门口处，由芯片控制PIR模块构成，用于感应人员的出入。如图3中所示，在整个系统中，将人员感应模块安装在主门位置，在控制芯片中设置一个变量，用于存储人员总数。当总数小于一时，发送指令给主结点，主结点接收后，发送控制指令给空气检测次结点，使其变为待机状态，暂停工作。这样，能够极大的减少系统工作时间，节约能耗。5软件控制110根据无线传感器网络系统的总体构架，软件控制也分为两部分。分别是两类次结点的数据收集的软件部分和主结点的终端处理显示控制的部分。软件设计流程图分别为图8所示。其中网络次结点模块的工作形式是指传感器敏感电路部分正常加电运行，射频模块设置为发送形式，实时将收集数据发送给主结点。网络次结点的待机形式为传感器敏感电路不工作，但射频模块工作且置为接收形式，以监听主结点发来的控制指令。115图8,系统软件设计总体流程图6结论本文提供了基于无线传感器网络的室内空气质量检测方案，主要专注在空气气体成分，120旨在监测致病致癌致死的有毒气体。实现的小型无线网络通讯控制，具有较强的通用性，能够推广应用到其它生活或工业检测活动。系统实现智能控制部分结点的运行形式，大大节省了电能。致谢清华大学医学物理所医疗与新技术实验室提供的支持与帮助。125参考文献(References)1Fraiwan,L.,Lweesy,K.,Bani-Salma,A.,Mani,N.AwirelesshomesafetygasleakagedetectionsystemA.BiomedicalEngineeringC.,MiddleEast,2020.11-142E.L.Anderson,R.E.Albert,RiskassessmentandindoorairqualityM,Florid:CRCPress,1999.1303王华,基于无线传感器网络的室内环境监测系统J.太原科技，2020，12(6):66-724TGS传感器通用资料OL.2020-8-20httpdocsj/doc/0c3f55dd846fb84ae45c3b3567ec102de3bddf44./document/mechanism.pdf5J.Bartolomeo,DetectingCOinthehome,HomeAutomationandBuildingControlJ,pp.51-55,Oct.1995.6张文娜.传感器技术M.北京：清华大学出版社,20207CreedHuddleston.智能传感器设计M.张鼎.北京：人民邮电出版社,2020.61358许毅.无线传感器网络原理及方法M.北京：清华大学出版社,2021