智能空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

智能空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)設計與實現(xiàn)任務背景：近幾年，環(huán)境問題成為了社會的焦點話題。對大眾而言，空氣質(zhì)量[1]更是每天關(guān)注的重點。大氣污染所產(chǎn)生的PM2.5/PM10顆粒物及廠房建設裝修所產(chǎn)生的甲醛等有毒氣體都會對人類的身體健康造成危害。因此對空氣質(zhì)量進行監(jiān)測是治理空氣污染、改善空氣環(huán)境的有力手段。當前各地區(qū)天氣預報以及App軟件都會對城市地區(qū)的空氣質(zhì)量進行播報，做到讓用戶心中有數(shù)。但考慮到身處環(huán)境的不同及各場所條件的多樣性，一款便攜式空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)無疑更方便有需求的用戶使用。本設計提出的空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)，采用RaspberryPi[2]作為嵌入式平臺上位機，配合高精度傳感器對空氣參數(shù)進行測量，并將結(jié)果實時顯示在LCD顯示屏上供用戶查看。平臺內(nèi)置GPS模塊，配合數(shù)據(jù)庫，可將采集的數(shù)據(jù)配合時間、地點等信息一同存檔，以備后續(xù)進一步分析使用。該系統(tǒng)小巧便攜，功耗較低，智能化程度高，便于后期系統(tǒng)維護以及功能擴展。１

系統(tǒng)的方案設計１.１

系統(tǒng)的功能概述空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)作為工業(yè)管理體系中的“

實施和監(jiān)測”環(huán)節(jié)，實時監(jiān)測空氣質(zhì)量的狀況，并實時傳送到工廠的管理網(wǎng)絡中，以提供實時、準確的現(xiàn)場數(shù)據(jù)。系統(tǒng)將工業(yè)現(xiàn)場檢測到的空氣質(zhì)量狀況發(fā)送給管理網(wǎng)絡后，監(jiān)控室內(nèi)的ＰＣ

機實時監(jiān)測現(xiàn)場變化狀況，一旦發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場空氣狀況異常，立刻報警通知現(xiàn)場工作人員采取有效的措施，從而保障人們的生命財產(chǎn)安全。

系統(tǒng)能夠檢測多個空氣質(zhì)量參數(shù)，主要包括:溫度、濕度、ＣＯ

含量、ＣＯ２含量以及空氣質(zhì)量。

系統(tǒng)還預留了多個擴展接口，可以根據(jù)實際需求，添加氣體傳感器模塊。

整個系統(tǒng)的技術(shù)指標如表１

所示。表１

系統(tǒng)技術(shù)指標１.２

系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設計空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)由檢測終端、無線路由器、無線網(wǎng)關(guān)以及基于ＰＣ

機的監(jiān)測軟件組成。

系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖１

所示。圖１

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖由于在企業(yè)控制室或辦公室安裝空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)時，鋪設與各檢測終端間的通信電纜是十分不便的，因此本空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)在各檢測終端與ＰＣ

機間采用無線通信，這不僅便于初始安裝，也便于隨時更換檢測終端在室內(nèi)的位置。系統(tǒng)的無線通信部分采用了ＺｉｇＢｅｅ模塊網(wǎng)絡技術(shù)。

ＺｉｇＢｅｅ

標準是基于８０２.１５.４

協(xié)議棧而建立的，具備了強大的設備聯(lián)網(wǎng)功能，它可支持３

種主要的無線網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，即星型結(jié)構(gòu)、簇狀結(jié)構(gòu)(

Ｃｌｕｓｔｅｒｔｒｅｅ)

和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(Ｍｅｓｈ)。

其中的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)具有自組織能力以及很強的網(wǎng)絡健壯性和系統(tǒng)可靠性。

本系統(tǒng)正是采用了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)實現(xiàn)設備間相互通信的。系統(tǒng)的工作原理:１)

無線網(wǎng)關(guān)組建網(wǎng)絡，形成本網(wǎng)路特定的網(wǎng)絡ＩＤ。無線路由器和檢測終端自動搜索網(wǎng)絡，找到與自身匹配的網(wǎng)絡ＩＤ

后加入網(wǎng)絡。２)

檢測終端實時檢測工業(yè)現(xiàn)場的溫度、濕度、ＣＯ

含量、ＣＯ２含量以及空氣質(zhì)量，并將檢測到的結(jié)果通過無線方式直接發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，

或通過無線路由器轉(zhuǎn)發(fā)給無線網(wǎng)關(guān)。３)

無線網(wǎng)關(guān)收到終端發(fā)來的數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)通過ＵＳＢ

口上傳給ＰＣ

機。４)

ＰＣ

機進一步處理發(fā)來的數(shù)據(jù)，實時監(jiān)測各個現(xiàn)場的空氣質(zhì)量狀況。２

系統(tǒng)的硬件設計系統(tǒng)的硬件由檢測終端、無線路由器以及無線網(wǎng)關(guān)這三部分構(gòu)成。２.１

檢測終端的設計檢測終端主要功能是檢測空氣中多種氣體參量?主要包括:溫度、度、ＣＯ

、ＣＯ２以及空氣質(zhì)量傳感器將檢測到的結(jié)果經(jīng)信號變換、Ａ/

Ｄ

轉(zhuǎn)換后，由微控制器讀入并做工程量轉(zhuǎn)換，進行Ｚｉｇｂｅｅ數(shù)據(jù)采集。再通過ＺｉｇＢｅｅ模塊發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。

其中ＣＯ２

傳感器采用紅外檢測法，紅外檢測法具有測量精度高、可靠性強、壽命長等特點，利用這一方法可準確測量空氣中ＣＯ２

的含量。ＣＯ

傳感器采用的是電化學檢測法，它是通過傳感器的氧化還原反應，將ＣＯ

氣體轉(zhuǎn)化為與之成正比的電流信號，電化學傳感器是目前工業(yè)上用于測量有毒氣體的主流方法，使用這種方法測量精度高、反應靈敏高。

除此之外。為了能更快速地和周圍空氣保持流通，檢測終端內(nèi)部還裝有微型軸流風扇，起到散熱的作用。

檢測終端的結(jié)構(gòu)如圖２

所示。圖２

檢測終端結(jié)構(gòu)圖２.２

無線路由器的設計由于建筑物結(jié)構(gòu)空間、距離不同，房間之間墻體結(jié)構(gòu)不同，在檢測終端與網(wǎng)關(guān)之間，可能存在無線信號無法一次接收得到的情況，這時就需要增設無線通信路由器設備。

根據(jù)室內(nèi)分布和墻體的具體情況，需要安裝一個或多個帶有Ｚｉｇｂｅｅ數(shù)傳模塊的路由器節(jié)點。

檢測終端中的數(shù)據(jù)。通過無線通道將數(shù)據(jù)發(fā)到所屬的路由器節(jié)點，路由器節(jié)點通過路由把數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)再把數(shù)據(jù)傳輸?shù)剑校谩＿@種方式網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)簡單，形成網(wǎng)狀和簇樹交錯的拓撲結(jié)構(gòu)，易于實現(xiàn)。無線路由器由微處理器、無線射頻模塊以及穩(wěn)壓電源模塊組成。

其中電源模塊采用交流電源供電，從而保證路由器能長時間、高效率的工作。

無線路由器的硬件結(jié)構(gòu)如圖３

所示。圖３

無線路由器結(jié)構(gòu)圖２.３

無線網(wǎng)關(guān)的設計系統(tǒng)的無線網(wǎng)關(guān)實際上擔當著ＺｉｇＢｅｅ

網(wǎng)絡中的協(xié)調(diào)器的角色，ＺｉｇＢｅｅ

網(wǎng)絡中包含３

種設備類型:即ＺｉｇＢｅｅ

協(xié)調(diào)器、路由器以及終端設備。

協(xié)調(diào)器是整個ＺｉｇＢｅｅ

網(wǎng)絡的中心，它負責建立、維持和管理網(wǎng)絡、分配網(wǎng)絡地址等功能。

本系統(tǒng)中網(wǎng)關(guān)在組建完網(wǎng)絡后，等待終端發(fā)來數(shù)據(jù)。然后將收到的數(shù)據(jù)通過ＵＳＢ

接口上傳給ＰＣ

機。無線網(wǎng)關(guān)主要由微處理器、無線射頻模塊、ＵＳＢ

通信模塊以及電源轉(zhuǎn)換模塊組成。

其中微處理器與ＵＳＢ

模塊間采用串口(ＵＡＲＴ)

通信。網(wǎng)關(guān)采用ＵＳＢ

供電，電源轉(zhuǎn)換模塊是將ＵＳＢ

電壓轉(zhuǎn)換為微處理器的工作電源。

無線網(wǎng)關(guān)的硬件結(jié)構(gòu)如圖４

所示。圖４

無線網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)圖３

系統(tǒng)的軟件設計系統(tǒng)軟件由下位機和上位機這兩部分軟件組成。

其中下位機軟件主要完成數(shù)據(jù)的采集和傳輸，上位機軟件則完成數(shù)據(jù)的接收和處理。３.１

下位機軟件的設計下位機軟件主要包括:各硬件設備的初始化工作、檢測終端的數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)的傳輸。

系統(tǒng)采用的是ＺｉｇＢｅｅ

無線模塊通信技術(shù)，而本系統(tǒng)下位機軟件是基于ＴＩ

的Ｚ－Ｓｔａｃｋ

協(xié)議?；A(chǔ)上開發(fā)的。１)

各硬件設備的初始化工作。

在設備通電后，需要完成硬件平臺和軟件架構(gòu)所需要的各個模塊的初始化，為操作系統(tǒng)的運行做好準備。

初始化工作主要包括:初始化芯片的各個硬件模塊、初始化系統(tǒng)時鐘、初始化堆棧、初始化Ｆｌａｓｈ

存儲器、形成終端的ＭＡＣ

地址、初始化一些非易失變量、初始化ＭＡＣ

層、初始化應用框架層以及初始化操作系統(tǒng)。２)

檢測終端的Ｚｉｇｂｅｅ數(shù)據(jù)采集。

檢測終端內(nèi)置多個傳感器，主要測量溫濕度值、ＣＯ

和ＣＯ２濃度值以及空氣質(zhì)量等級指標。

微處理器讀入各個傳感器采集到的數(shù)據(jù)，然后進行相應的計算和軟件濾波處理。

其中軟件濾波是很重要的一個步驟，用于去除一些受干擾的數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)的準確性。

Ｚｉｇｂｅｅ數(shù)據(jù)采集的流程如圖５

所示。圖５

檢測終端數(shù)據(jù)采集流程圖檢測終端數(shù)據(jù)采集程序通過調(diào)用Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ()、Ｈｕｍｉｄｉｔｙ()、ＡＩＲ＿ｓｅｎｓｏｒ()、ＣＯ２＿ｓｅｎｓｏｒ()

以及ＣＯ＿ｓｅｎｓｏｒ()這五個函數(shù)，用于采集空氣中的溫度、濕度、空氣質(zhì)量、ＣＯ２以及ＣＯ

參量。

由于系統(tǒng)是實時監(jiān)測工業(yè)現(xiàn)場的空氣質(zhì)量變化狀況，因此，這五個函數(shù)是定時被調(diào)用的，定時時間可根據(jù)實際需求設定。３)

數(shù)據(jù)的傳輸。

檢測終端采集這５

個參數(shù)后，將它們按照一定的格式排列，并在數(shù)據(jù)串前頭加入終端設備的ＭＡＣ

地址，然后進行打包保存。

其中，ＭＡＣ

地址是在ＰＣ機收到數(shù)據(jù)包時，用于區(qū)分哪個終端發(fā)來的數(shù)據(jù)，這樣，一個網(wǎng)絡里面就可以同時存下若干個終端設備了。終端在將打包好的數(shù)據(jù)發(fā)送前，先要檢測區(qū)域內(nèi)是否有可用的ＺｉｇＢｅｅ

無線網(wǎng)絡。

當發(fā)現(xiàn)周圍有允許的網(wǎng)絡后，加入網(wǎng)絡，然后將數(shù)據(jù)無線發(fā)送出去，網(wǎng)絡將根據(jù)最佳路徑最終將數(shù)據(jù)發(fā)送給無線網(wǎng)關(guān)。

網(wǎng)關(guān)將收到的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給ＵＳＢ

模塊，ＵＳＢ

模塊再將數(shù)據(jù)通過ＵＳＢ

線上傳給ＰＣ

機。

這里，ＵＳＢ

模塊與ＰＣ

機正常通信前，應根據(jù)ＵＳＢ

芯片的型號，在ＰＣ

機上安裝對應型號的虛擬串口驅(qū)動程序。３.２

上位機軟件的設計上位機軟件是系統(tǒng)人機交互的主要方式，用戶可以從中讀取信息或者輸入命令來控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

ＰＣ

機通過ＵＳＢ

接口將工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)讀入后，上位機軟件對其進行一定地處理，然后將結(jié)果以圖形和文字的方式直觀的展現(xiàn)給用戶，用戶只需在監(jiān)控室內(nèi)，就能夠觀察各個現(xiàn)場的空氣質(zhì)量狀況。本系統(tǒng)借助ＶＢ

語言設計圖形界面的特點，設計空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)軟件。

監(jiān)測軟件的程序流程如圖６所示。圖６

監(jiān)測軟件程序流程圖圖６

中，初始化圖形界面主要包括:初始化各個氣體參數(shù)柱形圖和曲線圖、初始化串行通信端口以及初始化工作狀態(tài)等信息。

串行通信端口的設定需要查看ＰＣ

機在安裝虛擬串口驅(qū)動程序時分配的串口號。

程序通過調(diào)用ＶＢ

中的串口控件(

ＭＳＣｏｍｍ)，將數(shù)據(jù)包讀入程序內(nèi)，然后對數(shù)據(jù)包進行解析，提取數(shù)據(jù)包內(nèi)的終端ＭＡＣ地址、溫度、濕度、ＣＯ２含量、ＣＯ

含量以及空氣質(zhì)量信息。程序?qū)⑻崛〉模停粒?/p>

地址轉(zhuǎn)換為終端設備號，并且根據(jù)提取的五個空氣質(zhì)量參數(shù)調(diào)用柱形圖和曲線圖顯示函數(shù)。在對應終端設備號的監(jiān)測畫面中實時更新空氣質(zhì)量信息?？偨Y(jié)本文利用Ｚｉｇｂｅｅ數(shù)傳模塊設計的空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)崟r、準確地對工業(yè)現(xiàn)場的空氣質(zhì)量狀況進行Ｚｉｇｂｅｅ數(shù)據(jù)采集。

一旦發(fā)現(xiàn)問題，快速報警提示工作人員采取有效措施，達到早發(fā)現(xiàn)早治理的目的，從而保障人員的生命財產(chǎn)安全。整個系統(tǒng)具有如下特點:１)

多種氣體同時測量。

由于終端內(nèi)置多個傳感器。

可變單一成分的檢測為多種主要成分的檢測。

并且終端預留了擴展接口，

可根據(jù)實際需要，

增加多個氣體傳感器進