家居环境监测分析系统设计

齐丽静+戴静

摘 要：提出了一种家居环境监测分析系统的设计方案。以CC2530和CC2531为主控芯片，搭建了一套家居环境监测系统。该系统集成了温度、湿度、气味、粉尘、有害气体五种传感器，并可对监测数据进行实时分析，使用户可以实时获知家居环境状况，对家居环境进行调整。实验结果表明，该系统通信稳定，能对数据进行实时分析，且分析结果与实际居住环境相匹配，具有较高的准确性。

关键词：家居；环境监测；ZigBee；传感器

中图分类号：TP273.5 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.24.089

随着人们生活水平的提高，对室内生活环境的要求越来越高，室内环境的质量对人体健康的影响已越来越被人们所关注。室内环境污染会对人体的健康造成严重的影响，比如甲醛易引发流泪、咳嗽、气喘等症状，严重时可导致人的肝肺功能异常；PM2.5污染易引起个体呼吸系统疾病及心血管系统疾病；室内粉尘易引起过敏性鼻炎等。传统的家居环境监测主要以监控为主，不具备分析功能。本文提出的家居环境监测分析系统可对监测数据进行实时分析，为用户提供出准确、可靠的建议。

1 系统设计方案

如图1所示，家居环境监测分析系统由监测分析服务器和多个环境监测终端构成，环境监测终端可进行多项环境数据采集工作，并将数据发送至监测分析服务器；服务器可对各终端数据进行整合处理，并将处理结果以图表等形式展示给用户。

服务器与终端间采用ZigBee协议进行无线传输，服务器构建了ZigBee协调器，监测终端构建了ZigBee终端节点，协调器与各节点共同组建了星型拓扑网络。

2 环境监测终端设计

环境监测终端由供电、微处理器和无线传输、天线、传感器组和状态指示模块构成。其中，供电模块由充电电路、锂离子聚合物电池和电平转换电路构成，为其余各模块供电；微处理器与无线传输模块由集成ZigBee协议的SoC芯片和相应的时钟、调试电路构成；天线模块用于增强无线信号传输距离；传感器组采用组合化设计方式，最多可支持温度、湿度、气味、粉尘和有害气体传感器，用户可根据需要裁剪；状态指示模块由多个LED指示灯构成，指示正常工作、无线连接、数据发送、通信错误、指令接收等状态。具体如图2所示。

微处理器与无线传输模块是环境监测终端的核心部分。该部分选用TI公司的CC2530芯片，其内置增强型8051CPU，支持ZigBee协议和8路AD采集，为无线数据采集设备提供了完整的解决方案；支持多种工作模式，可有效降低功耗，延长电池的使用时间。

环境监测终端软件的主要功能包括各模块的初始化、接收用户的指令信息、改变处理器的工作模式、调节数据上传类型和上传频率、采集传感器的数据、显示设备当前的工作状态。

3 监测分析服务器设计

3.1 服务器软、硬件构成

监测分析服务器硬件由家用电脑和USB无线传输模块构成，USB无线传输模块选用带USB控制器的CC2531芯片构建ZigBee协调器，维护整网正常运行。服务器软件由驱动、数据处理、用户界面和数据库四部分组成。其中，驱动部分负责数据处理部分与CC2531的USB虚拟串口间通信；数据处理部分完成数据库写入、读取和数据分析工作；用户界面提供用户交互接口，可实现图表等信息显示和用户指令信息获取功能；数据库负责各环境监测终端的数据存储和维护工作，包括房间信息与环境监测终端信息连接的数据表。

3.2 服务器软件工作模式

服务器软件设计了2种工作模式，即系统安装模式和监测分析模式。在系统安装模式下，服务器可检测并记录接入的各环境监测终端，提示用户输入相应终端所处的房间属性（客厅、卧室、书房、厨房、餐厅、卫生间、储物间等）和分组属性（相应终端是否处于同一房间）。为了便于用户定位当前终端，服务器可发送指令，指定环境监测终端显示相应的状态。系统安装设置完成后，软件进入监测分析模式。

在监测分析模式下，服务器具有控制、监测和分析功能。其中，控制功能是根据用户设定的数据改变环境监测终端的工作状态、数据上传类型和上传频率等；监测功能是以图表的方式对各环境监测终端上传的环境数据进行动态显示，便于用户实时查看；分析功能是根据记录的数据对家居环境进行综合分析，得出相应的结论。

3.3 服务器分析结论

由于监测数据具有一定的专业性，用户无法据此对家居环境进行直观判断，因此，必须提供简单、通俗的结论供用户参考，其结论及相应设计原理如下。

3.3.1 宜居等级

宜居等级分为A（非常适宜居住）、B（部分房间适宜居住）、C（不适宜居住）三个等级。该等级结论的产生主要针对有害气体传感器所采集的数据。在长时间的监测下，如果所有房间的有害气体浓度均处于国标允许的范围内，则宜居等级为A；如果在长时间监测下客厅、厨房、餐厅、卫生间或某一个房间的有害气体浓度处于国标允许的范围内，其他房间的有害气体浓度超标，则用户可选择在将其他房间的门关闭后居住，此宜居等级为B；如果客厅、厨房、餐厅、卫生间或所有卧室的有害气体浓度均超过国标允许的范围，则宜居等级为C。

需要注意的是，由于室内家具有害物质的释放速度与温度有关，夏季高温情况下释放速度更快，因此，在经历夏天后的宜居等级结论更具有权威性。

3.3.2 污染源定位

污染源定位即服务器告知用户室内污染源所处的房间及其在房间内的位置。在服务器分析出污染源所处的房间后，如果发现该房间内环境监测终端数量很少，则会提示用户增加环境模块或将无污染的房间内部分环境监测终端转移至该房间。

污染源位置的确定主要依赖于温度和有害气体浓度，在相同的温度下，靠近污染源的有害气体浓度增加速度更快。由于污染源定位功能会受房间属性和门窗开关的影响，因此，在确定污染源时，服务器会进行以下处理：①厨房。如果在三餐时间段内有害气体的浓度明显增加，其余时间段浓度很低，则只给出相应建议，不进行污染源定位。②如果某些房间在长时间内的传感器数据近似或只有温度变化明显，则提示用户确认门窗是否全部关闭。③如果有多个房间的有害气体浓度超标，且浓度近似一致，则提示用户先将相关房间通风数小时后再关闭门窗检测。④居住建议。服务器根据既有分析结果，在宜居等级在A或B的前提下，为帮助用户改善居住环境而提出的建议，包括在宜居等级为B时，建议用户不要在有害气体浓度超标的房间居住或长时间停留。⑤如果厨房在三餐时间段内有害气体的浓度明显增加，则建议用户改善抽油烟机的性能或在相应时间段内通风。⑥如果某些房间粉尘多或气味较重，则建议用户通风或在相应房间安装空气净化装置。⑦如果在某些时间段空气湿度持续很高或很低，则建议用户在相应时间段使用除湿机或加湿器。⑧如果在某些时间段气温持续很高或很低，则建议用户安装空调或使用暖气调节。

4 结束语

该家居环境监测分析系统可利用多个终端的传感器数据对家居环境进行综合分析，提出宜居性建议，同时，帮助用户定位污染源、改善居住环境，具有较高的实用价值。此外，该系统也可用于可能存在有害物质的办公场所和车间、厂房等，用于环境监测和污染分析。

参考文献

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[2]李炎锋，常琳，张亦昕.基于PM2.5研究谈建环专业加强学生室内环境安全意识的培养[J].中国科技信息，2013（13）.

[3]叶晓芳，古雅兰，马芙蓉.过敏性鼻炎环境危险因素的病例-对照研究[J].環境与健康杂志，2006，23（06）.

〔编辑：张思楠〕