基于多传感器的室内环境质量监测系统

孙金祥，曹银杰

(1.山东省光通信科学与技术重点实验室，山东 聊城 252059；2.聊城大学 物理科学与信息工程学院，山东 聊城 252059)



基于多传感器的室内环境质量监测系统

孙金祥1, 2，曹银杰1, 2

(1.山东省光通信科学与技术重点实验室，山东 聊城 252059；2.聊城大学 物理科学与信息工程学院，山东 聊城 252059)

室内环境与人们生活、学习、工作密切相关，其环境质量直接影响人们的身体健康。文中据此设计了一种基于多传感器数据融合的室内环境质量监测系统。传感器采集室内甲醛浓度、温度、湿度、PM1.0、PM2.5、PM10、CO浓度，通过RS-485通信方式传送到电脑监控端, C#界面实时显示环境数据及综合质量，超过上限发出语音警报，数据通过SQL数据库保存。经试验证明，该系统能够稳定、高效监测室内环境数据。

室内环境质量；多传感器监测；RS-485通信

随着人们就所处环境对身体健康影响的重视，室内空气质量检测越来越受到关注[1-2]。因此，为了实时监测室内空气质量，设计了使用气体及粉尘浓度传感器采集室内环境数据浓度，所选传感器均为RS-485通信的数字输出型传感器，无需额外处理单元，系统搭建简洁。以RS-485总线方式传输到PC机，保证数据的稳定传输。软件数据处理加入指数评价法对室内空气质量进行综合评定，当环境数据超出所设阈值，C#通过插入System.Speech 命名空间进行语音警报。其设计简洁、可靠，实时监测室内空气质量，人们可通过数据改善室内环境，对保持身体健康、提高工作效率有着重要意义[3-4]。

1　系统总体设计方案

系统选用激光粉尘传感器、4NE/OC-1000一氧化碳传感器、HT585DS温湿度传感器、4NE/CH20-50甲醛传感器采集室内环境信息数据，所选传感器传输协议均遵从标准Modbus传输协议，数据通过RS-485总线方式传送至PC机[5]。

PC端显示界面使用C#编写而成，数据通过Chart控件实时显示[6]，加入指数算法对监测区域空气质量进行综合评定，当环境数据超过所设阈值时软件通过System.Speech进行语音警报。各项数据通过SQL数据库进行保存，便于对环境进行分析[7-8]。系统总体框架，如图1所示。

图1　系统总体框图

2　系统硬件及传输协议

2.1系统硬件

数据采集所用传感器是系统的主要硬件，甲醛浓度监测采用圣凯安科技公司生产的智能型甲醛传感器4NE/CH20-50，可检测0～50 ppm甲醛含量；一氧化碳传感器为圣凯安科技生产的4NE/OC-1000，一氧化碳传感器可检测0～1 000 ppm一氧化碳含量；温湿度传感器采用深圳威盛测控技术有限公司生产的HT585DS，该传感器响应时间短、精度高、内部自校准；PM激光粉尘传感器为PM1.0 、PM2.5、 PM10粉尘检测传感器模块。以上传感器数据传输均选用Modbus传输协议，通过RS-485总线与PC机连接。

监测传感器以RS-485总线方式与PC机进行信息传输，与RS-232相比传输速度更快、距离更长。从20世纪80年代至今的20多年间，具有抑制共模干扰能力的RS-485标准采用平衡发送和差分接收，传输信号可在千米之外得到恢复[9-10]。在RS-485总线上仅有一个主机，用于多点互连时较为便利，可省掉诸多信号线，允许最多并联32台驱动器和接收器[11-12]，其诸多优良特性使其在工业控制领域应用广泛。

2.2激光粉尘传感器

小型激光粉尘传感器是近年来出现的新型浓度监测传感器，设计使用的激光粉尘传感器为PM1.0、PM2.5、PM10粉尘检测传感器模块，激光粉尘传感器原理，如图2所示。

图2　激光粉尘传感器原理图

该传感器以激光为光源通过MIE散射理论，当激光照射到检测室内空气粒子时会发生激光散射，检测室正下方通过光电二极管采集散射后的激光强度，通过对激光强度进行信号放大、处理和计算，可相对稳定准确地输出监测区域空气中PM1.0、PM2.5和PM10的浓度，据此可了解室内空气颗粒物状况。

3　Modbus传输协议

传输采用Modbus传输协议，主机轮询式采集各传感器数据，传感器在收到数据后，其相应地址的设备将对此进行应答。Modbus通信协议遵从主机-从机的数据交换工作模式。主设备消息格式：设备地址(1)+功能码(1)+寄存器地址(2)+要读取寄存器的个数(2)+校验码(CRC16/LRC16)(2)；从设备应答消息模式—设备地址(1)+功能码(1)+返回数据的个数(1)+ 返回的数据(N) +校验码(CRC/LRC)[13]。Modbus通信协议通信栈结构，如图3所示。

图3　Modbus通信栈结构

4　系统软件设计

系统软件设计主要为PC机接收到数据后的显示、保存、异常警报。PC机接收的各项环境数据经校验CRC(循环冗余位)正确后通过C#中Chart控件实时以动态曲线形式显示数据，数据在显示的同时保存至SQL数据库，当PM2.5、温度、甲醛浓度和一氧化碳浓度超过设定阈值时，软件发出语音警报。软件运行流程图，如4所示。

目前对于室内环境进行综合评价是较流行的方式，在此介绍当前主流的室内环境质量评价方法指数评价法。指数评价法是根据传感器采集的不同环境数据进行采集，取环境数据的平均浓度 ，将室内环境因素的标准值取倒数作为环境因素的权系数，指数评价法的公式如下

(1)

采用式(1)可根据国家标准环境参数，传感器采集室内实时环境浓度并进行计算得出室内环境综合指数，设计中将综合指数I分为5个等级，优(I<0.50)、良(0.50～0.99)、轻度污染(1.00～1.49)、中度污染(1.50～1.99)和重度污染(I>1.99)。

5　实验结果

实验采用一组传感器在实验室环境下进行。经过多次检测、改进后已形成较为成熟完善的系统，数据采集传感器通过RS-485总线方式连接至PC机，数据通过标准Modbus传输协议传输到监测中心。实验在高3 m，宽6 m，长8 m的室内进行，传感器放置于实验室中心位置距地面3 m处，实验结果如图5所示。

图5　实验结果

由图5可以看出，该系统能较好地完成不同室内环境数据的显示。数据可清晰显示，数据可以为人们的出行提供参考，如室内颗粒物浓度较高时可采用适当措施改善室内环境，即可保障身体健康又能提高工作效率。

6　结束语

设计以改善室内环境为出发点，传感器通过RS-485总线方式连接，采集监测区域环境数据以Modbus传输协议传至PC监测主机，C#界面显示各数据实时曲线可直观了解当前室内环境。人们可据此改善室内环境，同时室内环境一定程度反应了当前整体环境污染程度，避开污染严重时去医院等细菌多的场所，利于保障身体健康。

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[7]张文生,孙永忠.SQL Server 2000数据库部署的C#实现方法[J].电脑编程技巧与维护,2010(2)：59-61,86.

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Indoor Environmental Quality Monitoring System Based on Multi-Sensors

SUN Jinxiang1, 2, CAO Yinjie1, 2

(1.Key Laboratory of Optics Communication Science and Technology of Shandong Province, Liaocheng 252059, China; 2.School of Physics Science and Information Technology, Liaocheng University, Liaocheng 252059, China)

An indoor environmental quality monitoring system based on multi-sensor data fusion is proposed for the acquisition of indoor formaldehyde concentration, temperature, humidity, PM1.0, PM2.5, PM10, and CO concentration, which are transferred to a computer monitor through the RS-485 communication. C # interface displays real-time data and integrated environmental quality with voice alert at the exceeding of the upper limit. The data is stored in the SQL database. The test shows that this system is capable of stable, efficient monitoring of indoor environmental data.

indoor environmental quality; multi-sensor; RS-485 communication

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.08.037

2016-06-01

国家自然科学基金资助项目(11375081)；聊城市科技发展计划资助项目(2013GHZ02)

孙金祥(1989-)，男，硕士研究生。研究方向：信息处理。曹银杰(1963-)，男，教授。研究方向：信息处理技术。

TP277

A

1007-7820(2016)08-127-03