基于物联网的楼宇空气检测系统设计分析

于莹莹

(辽宁装备制造职业技术学院,辽宁沈阳 110161)

0 引言

对于传统空气质量的检测系统而言,其数据分析以及在线监测的连续性不足,在物联网概念不断发展过程中,为空气检测系统开发工作提供全新思路。通过相关物联网平台,结合物联网技术促使云端、APP以及终端设备实现连接,使得检测系统具备远程管理、控制、检测以及其他功能,充分促进空气检测装置不断朝着智能化方向发展[1]。

1 楼宇空气检测重要性

对于楼宇空气污染物,其来源主要涵盖以下几点:(1)室外污染空气通过窗户、房门等通道流入室内。(2)在居民日常生活中会形成一些有害气体。(3)一些装饰材料以及建筑材料可能释放有害物质或是气体。

在楼宇空气污染方面,主要污染源涵盖甲醛、TVOC、氨气以及苯系物等。若是此类物质在空气中的含量较大,并且居民长时间处于此种环境中,会对居民神经系统以及呼吸系统造成严重破坏,并且会诱发白血病和癌症等疾病。所以通过监测工作能够及时了解当前楼宇空气质量,并及时通过空气净化设备或是通风放气等方法优化空气。而这些工作的前提下就是需要拥有良好检测系统提供保障,才能够促使检测工作顺利完成[2]。

2 系统总体方案设计

当前,楼宇空气检测系统通常选择有线方式进行通信,就是将传感器放在监控现场需要监测的位置,通过传感器收集信息,同时借助电缆箱中央采集站传输,并通过采集站向上位机集中发送信号,实时采集数据。然而此种方式的接线工作较为繁琐、线路部署较为复杂,并且线路维护成本较高。因为楼宇构造,可以选择无线技术对传统有线技术进行替代,促使数据采集与传感器可以实现直接通讯,能够解决在有毒有害气体以及无人等环境下开展远程监控同时,同时能够保证在无法布线条件下开展环境监控工作,解决有线传输中布线问题。对此,本文以及ZigBee技术为基础,设计一种空气检测系统[1]。

3 系统硬件设计

3.1 芯片选择

本文主要采用TI公司CC2530芯片开展设计工作,其中涵盖射频RFCC2520,可以基于ZigBee协议栈上开展,具有重量轻、体积小等特点。与传统检测系统相比,其体积与功率更低、可靠性更高。

3.2 功能模块

(1)内存与CPU。CC253x芯片主要采用8051CPU内核,其访问总线有三种形式,主SRAM、DATA、SFR。并涵盖输入扩展中断模块与调试接口。

(2)中断控制器。其中中断源为18个,中断组为6个。在设备由活动模式向空闲模式切换之后,中断服务的请求会被激活,还能够借助终端促使设备由睡眠状态转为工作状态。

(3)外设。CC2530涵盖多种外设,程序开发人员不断进行应用开发。简单介绍其外设与作用。1)调试接口:可以对专用两线串行的接口进行执行,调试内电路。2)I/O控制器:用于通用I/O引脚。3)睡眠定时器:超低功耗定时器,对32KHzRC振荡器或是32KHz晶振周期进行计算[2]。

(4)无线设备。CC2530中涵盖一个IEEE802.15.4收发器。模拟无线单元由RF内核所控制。同时,其可以提供无线设备与MCU之间的接口,能够发送命令,进行状态读取以及对无线设备时间相应顺序进行确定,无线设备中还涵盖地址识别以及数据包过滤等模块。

3.3 传感器

(1)温湿度传感器。本系统选择DHT11型号传感器。其主要应用温湿度传感以及数字模块采集两种技术手段。测温元件为NTC、感湿元件为电阻式型号。该传感器具有性价比高、抗干扰能力强、响应速度快等特点。串行接口为单线制形式,促使系统集成更加便捷。四针单排形式的封装具有连接便捷、功率低以及体积小等特点,与本系统需求非常相符,并且DHT11型号传感器使用寿命长。稳定性高。

(2)甲烷传感器。本系统主要选择MC114型传感器。该型传感器的催化元件按照催化燃烧效应原理进行工作,电桥两臂由补偿元件与检测元件构成,遇到可燃性气体支护,检测元件的电阻会增大,改变桥路的输出电压,在气体浓度不断升高过程中其电压变量也随之增加,补偿元件主要进行温度补偿以及参比作用。

3.4 节点硬件

(1)节点硬件设计方案。在硬件中主要涵盖,终端节点、协调器节点以及路由器节点三个硬件设计环节。

终端节点主要负责网络系统运行控制以及数据采集工作,其负责对室内气体与温度数据采集、协调器执行等命令。涵盖供电、ZigBee收发、传感器等模块。在本文ZigBee系统中,气体信息采集由传感器开展,终端节通过协调器节点和无线核心模块传输数据,借助LED将其网络状态与工作状态充分显示出来。

路由器节点涵盖数据中继转发、路由表维护以及数据采集等功能。其节点硬件与终端节点具有相似性,主要差异在于传感器数量与类型。所以,下面仅介绍一下协调器节点。

在ZigBee网络中,协调器节点属于核心部分,承担网络构建与管理、上机位通信以及传感器数据收集与处理等工作。主要结构涵盖显示单元、ZigBee单元、供电单元等。本文中,协调器借助RS-232接口实现上机位通信,数据处理以及无线传输主要由无线核心单元开展,借助LED将其网络状态与工作状态充分显示出来。

(2)无线核心单元设计。传统楼宇的空气检测系统中,CC2430+MS430以及CC2430单机片无法进行远距离传输,若是开展大规模空气监测工作,应该选择可以远距离传输的模块开展。本文将CC2530与CC2591芯片同时运用于检测系统中,有效提高传输距离。

该模块主要涵盖天线、滤波电路、CC2591、CC2530以及时钟电路等。

(3)协调器外围电路。下面简单介绍RS-232接口与JTAG接口两种电路。

首先,RS-232接口电路,系统中,协调器与上机位监控室应该保持良好距离,因此通过RS-232接口和上机位进行通信。在该电路中,电平转换芯片选择M A X 3232CSE。该芯片为MAX3232发展型号,借助双电荷泵,基于3.0～5.5V供压条件,将RS-232协调器效能充分体现出来。

其次,JTAG接口电路。终端节点、协调器节点以及路由节点电路板中均设置了十芯JTAG接口,Pin1是接地,Pin2是3.3V电源,Pin3与Pin4为下载线,Pin7是复位,其他接口为I/O拓展口。

在三个节点电路中均设置了四芯SPI接口,与CC2530接口功能相对的是:CC2530P1-4与Pin1;CC2530P1-5与Pin2;CC2530P1-6与Pin3;CC2530P1-7与Pin4。

4 软件设计

4.1 软件开发平台

在本系统中,选择IAR EW进行集成开发。其交叉编译器与C/C++调试器是现阶段使用最容易以及最完整的专业嵌入式开发工具。在不同类型微处理器中可以提供相同的用户界面,功能较为完善。IAR EW涵盖汇编器、编辑器以及连接定位器等器件。其中编辑中代码最为优化与紧凑,有效节约硬件资源,进而减少产品成本,提高产品竞争力。IAR EW可以保证CC2530芯片的在线下载、编程以及调试等方面需求得到充分满足。本系统中选择其IAR7.51A型号。

4.2 软件系统构成

ZigBee协调器节点软件。对于协调器,在上位机和无线网络通信中具有重要意义,借助连接上位机和串口。网络构建与维持是其主要功能。对协调器进行上电处理之后,构建网状网络,并向上位机发送信息。若是网络中终端设备或是路由器提交了加入申请,在设备成功加入网络后,会向协调器发送相关信息,并由协调器进行转发。另外,其还能够实现上位机串口指令接收,并向上位机传输数据。

4.3 上位机监控系统

上位机可以显示系统采集数据,同时处理、存储相关数据。所以需要设计相应监控系统,本文主要通过Visual Bassic6.0编写。

(1)内部控件。第一,TextBox。通过文本框控件实现用户输入信息的接收,同时能够将系统文本信息显示出来。可以对文本进行编辑,系统中主要借助该控件进行文本编写。第二,PictureBox。通过图片框显示图形,文件格式主要涵盖gif、jpg、wmf、ico以及bmp等。另外可以用于其他控件容器。第三,Menu。自定义菜单,可以对应用程序进行执行。使用软件过程中,该控件能够充分配置以及保存参数。本软件主要设计了场所选择、工具、报警、数据采集、帮助、监控管理以及数据管理等菜单。第四,Timer。定时器主要用于在相关时间间隔所触发的事件中,工作过程中不可见。其重要属性就是Intrrval,设置时间间隔(ms),取值范围是0—65767。若是为0,代表定时器处于无效状态。第五,ToolBar。涵盖Button对象几何,能够借助添加按钮进行工具栏创建。本系统中,可以通过工具条控件,在其中放置串口、波特率的选择。

(2)MSComm控件。MSComm属于VB通信空间。该控件所提供的串口数据接、发功能非常完善,MSComm处理方式主要涵盖以下两种类型:1)查询方式:借助对Comm Event属性值对事件以及错误进行科学判断。2)事件驱动:通过MS Com m中On Co mm 捕获时间,同时对通信错误进行处理。

MSComm控件主要通过API函数进行通信,并且API函数主要是通过Comm.drv进行解释,同时向驱动程序传送,通过了解事件用法以及MSComm控件属性,能够进行串口操作。比如,VommPort主要是进行通信端口号设置;Settings主要是通过字符串形式进行停止位、数据位、波特率等方面的设置。

(3)数据库。在程序设计行业中,数据库设计较为活跃。一般以数据库为基础进行管理系统设计。Visual Basic 6.0语言功能非常强大,其能够高效、迅速进行数据库系统开发工作。VB数据库涵盖Access数据库与本地数据库两种类型。基于VB环境中可视化管理器,能够实现创建,选择MDB作为后缀。同时,VB中还涵盖Text File、ODBC、dBase以及其他格式。本系统选择Access数据库。

(4)监控界面。在本系统中,节点数量为2个,其中终端节点数量为2个,路由器节点数量为2个,协调器节点数量为1个。在客厅与主卧房间安装。

登录界面中涵盖密码、用户名等版块。对于楼宇空气检测系统,通过设定密码和用户名可以有效提高系统安全性。借助用户登录,可以对室内空气展开实时监控,提高楼宇安全性。

监控系统中,对于甲醛、甲烷、温湿度等采集数据可以借助RS-232串口与监控系统通信。通信过程中,可以通过上机位的数据库储存数据。

5 结语

综上所述,以物联网技术为基础的楼宇空气检测系统能够对室内粉尘颗粒、有害气体以及其他污染物浓度进行数据采集以及分析等工作,同时通过无线传输形式向物联网中传输检测数据,进行远程检测。具有成本低、重量轻、体积小、检测快速以及便携性强等特点。同时,该系统在娱乐以及学校等场所开展空气检测工作,充分保障民众健康。