室内空气质量的监测与控制系统的设计与实现

周虎 秦沿海 代祥军 李玉中 李瑞

摘 要：空调的普及使得无论何时都能获得相对恒温的室内环境，但伴随而来的是室内通风性差，空气质量下降，严重影响人的身心健康，因此智能地均衡室内空气质量和室内温度具有重要的意义[1]。为此，提出了一项室内环境的监测与控制的智能化解决方案，该方案基于嵌入式系统、无线传感网络技术、自动化控制技术、远程管理技术。该系统使用ARM9作为主控中心，负责接收并处理ZigBee无线传感网络传输的室内环境信息、网页传输的用户远程控制命令，并通过学习型红外模块发送红外遥控命令来控制空调或排风机，达到调节室内空气质量的目的。该系统可以有效地提高室内空气质量，改善用户的生活或工作环境，消除健康隐患，提高工作效率。

关键词：嵌入式系统 无线通信 远程控制 智能家居 物联网

中图分类号：TP27 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）04（a）-0037-02

在物联网和智能家居中，嵌入式系统、ZigBee和红外无线通信技术、远程控制技术是不可或缺的重要组成部分。

本系统通过ZigBee无线传感网络采集室内环境信息，嵌入式系统对其进行处理，以太网和红外通信技术远程、智能控制室内家居，达到调节室内空气质量，改善空气质量的目的。

1 嵌入式系统

一个嵌入式系统装置一般都由嵌入式计算机系统和执行装置组成，嵌入式计算机系统是整个嵌入式系统的核心，由硬件层、中间层、系统软件层和应用软件层组成。执行装置也称为被控对象，它可以接受嵌入式计算机系统发出的控制命令，执行所规定的操作或任务[2]。

系统使用Mini2440作为嵌入式硬件平台，以裁剪后的Linux作为嵌入式软件系统。Mini2440采用Samsung S3C2440为微处理器，主频400MHz，在板64M SDRAM，在板256M Nand Flash，1个100M以太网RJ-45接口（采用DM9000网络芯片），3个串行口，3.5寸LCD[3]。Linux 2.6.32内核可根据系统需求进行裁剪。Mini2440及Linux操作系统可以满足系统的功能需求。

2 ZigBee和红外无线通信技术

ZigBee技术是一种基于802.15.4的近距离、低功耗、低成本的双向无线通讯技术。本系统选用的ZigBee模块是TI的CC2530，其使用的8051 CPU内核是一个单周期的8051兼容内核，具有18个中断源，8KB SRAM，256KB 闪存块，提供一个IEEE 802.15.4兼容无线收发器，用Z-Stack可进行应用程序的开发[5]。

学习型红外遥控模块利用单片机STC89C52对多个红外遥控编码的脉冲宽度进行测量，并原封不动地把发射信号中高、低电平的时间宽度记忆至扩展存储区的指定地址。当要发射红外信号时，从扩展存储区中还原出相应的红外遥控编码，并调制到38KHz的载波信号上，最后，通过三极管放大电路驱动红外发光二极管发射红外信号，达到学习和发射的目的，从而实现一个遥控器控制多种红外遥控设备。

3 远程控制技术

BOA服务器是一个小巧高效的web服务器，是一个运行于unix或linux下的，支持CGI的、适合于嵌入式系统的单任务的http服务器，源代码开放、性能高。制作网页并接入Internet，使用BOA作为web服务器，完成远程数据传输和远程控制[6]。

4 系统架构及工作原理

ZigBee网络中的终端节点通过UART0接收DHT11、MQ2等传感器采集的室内空气质量参数，终端节点将数据无线发送到ZigBee协调器，协调器通过串口将数据传输至Mini2440，同时Mini2440接收以太网传输的远程控制数据和命令，将接收到的所有数据和命令进行处理，根据处理结果得到相应的控制命令，利用ZigBee网络将命令发送到学习型红外遥控模块，红外遥控模块对空调或排风机进行控制，达到调节室内空气质量的目的。

5 结语

本文以室内空气质量问题对居民身体健康的影响为出发点，设计基于嵌入式、ZigBee无线网络、气体传感器检测和无线红外通信技术的室内空气质量的监测与控制系统，来改善室内空气质量。研究成果可以应用到物流公司仓库的环境监测和智能控制、医药公司的药物存储室等。

随着无线传感网络技术、嵌入式技术、射频技术和红外无线通信技术的不断发展，以及物联网技术的不断成熟，现有室内空气质量的监测与控制系统可以进一步完善。具体可以从以下几个方面继续研究。

（1）监测系统提供了添加新的功能传感器模块接口。目前设计的室内空气质量的监测与控制系统能够检测空气内的二氧化碳、甲醛、烟雾、温度和湿度值。随着新型传感器技术的发展以及根据特定的气体检测要求，可以设计添加新的功能传感器模块。

（2）将射频技术应用到ARM9上。随着物联网概念的提出和与之配套的产品技术的不断发展，路由器终端必将成为家庭设备与外界通信的核心媒介，所以可以将本设计中的ARM9终端与路由器功能相结合，使ARM9的功能更加强大，成为家庭物联设备控制枢纽。

（3）设计多接口的无线网关设备。目前监测系统内使用的无线网关是将接收到的ZigBee无线信号通过串口直接传输到ARM9。可以在无线网关设备上添加以太网等接口电路，将接收到的ZigBee信号直接转换为工业以太网数据格式后，传送到企业管理网络中，实现多个网关同时在一个企业网络中工作。用户通过调用管理网络服务器内收集的空气质量数据，来实现大规模监测或远程监测控制。

参考文献

[1] 邹欢.住宅通风与节能[J].城市住宅，2003（10）：4.

[2] 唐振名.田荣华.杨强.ARM体系结构与编程[M].电子工业出版社，2012.

[3] FriendlyARM.Mini2440用户手册[R].2013.

[4] 王小强.欧阳骏.黄宁淋.ZigBee无线传感器网络设计与实现[M].化学工业出版社，2012.

[5] 岂兴明.唐杰.51单片机编程基础与开发实例详解[M].北京：人民邮电出版社，2008.

[6] Lambert M.Surhone，Mariam T. Tennoe，Susan F.Henssonow.Boa（Web Server）[Z].2011.