基于嵌入式技术的居室健康环境监测系统

李 杨，郭培源，刘 波，向玲孜

（北京工商大学 计算机与信息工程学院，北京 100048）

居室空气质量的好坏影响着人体的健康。许多居室环境的监测是采用PC作为控制中心，不便于移动。而且大多采用有线的布线方式[1]，因此存在可移动性差、布线繁琐、功能可扩展性差、维护难的问题[2]。针对以上问题，本文设计了一种易于扩展并且可移动的无线式居室健康环境检测系统。本系统根据国家室内空气质量标准，对主要环境参数进行检测，并通过数据融合以及模糊算法对其进行处理，用户可在客户终端上了解到居室环境质量状况、环境健康预警及采取的措施。

1系统总体设计

1.1 总体模块设计

本系统为了能够实现可移动性，采用模块化的设计方式，将系统分为终端采集模块以及控制中心模块，模块结构图如图1所示。终端采集模块由传感器与ZigBee终端组成，主要实现居室环境信息采集以及数据传送功能；控制中心模块由控制器树莓派与ZigBee协调器组成，主要完成对各终端节点传送数据的接收以及数据处理，显示居室环境参数状况以及与Internet网络进行通信。

图1 模块结构图

1.2 总体工作流程设计

图2 系统总体工作流程

系统内部由ZigBee网络组成，所采集的数据通过居室内部所建立的网络传输[3]。总体工作流程如图2所示。分布在居室内部的各传感器定时采集居室环境参数，通过ZigBee无线通信，由控制器接收并处理数据，通过对数据进行数据融合和模糊算法的处理，将居室环境信息显示到由QT所设计的系统界面中。用户也可通过网络远程访问控制器，了解居室内部环境情况。

2 系统硬件设计

2.1 控制中心硬件设计

本系统中，控制中心的控制器采用树莓派(Raspberry pi)，它是一款基于ARM的微型电脑主板，又称卡片式电脑，是由英国慈善组织“Raspberry Pi基金会”开发的。树莓派是一个开源的硬件，可支持Linux操作系统，其硬件结构示意图如图3所示。它使用SoC(片上系统)，是Broadcom公司的 BCM2835，其中 CPU以 ARM11为核心，接口包括2个USB2.0接口并且支持USB Hub扩展，同时拥有视频模拟信号的电视输出接口和HDMI高清视频输出接口、一个以太网接口、8XGPIO、一组 UART、一组I2C以及两个选择的SPI总线[4]。

图3 树莓派硬件结构示意图

ZigBee协调器负责各ZigBee终端节点的通信管理、数据的传输以及动态组网。本系统中ZigBee协调器选用的是德州仪器公司的CC2530芯片，它是基于2.4 GHz IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE的片上系统解决方案，支持低功耗及安全可靠的无线通信。

树莓派接口中含有一路UART串行接口，其第8引脚是TXD，第10引脚是RXD。利用该接口可以与ZigBee协调器连接和通信。其硬件连接示意图如图4所示。

2.2 采集模块硬件设计

根据国家室内空气质量标准GB/T18883-2002对可能影响人体健康以及舒适程度的环境参数进行检测，主要包括温湿度、二氧化硫、一氧化碳、二氧化碳和甲醛。传感器与ZigBee终端节点相连，Zig-Bee 终端节点选用CC2530与ZigBee协调器进行通信。

图4 硬件连接示意图

温湿度传感器选用SHT71数字式传感器，其内部集成了温度传感器以及湿度传感器，并且包括14位A/D转换器和串口电路。其温度和湿度的测量分别可达到14位和12位的分辨率。由于其相对湿度的输出存在一定的非线性，因此需要进行修正。可按式(1)修正湿度值：

式中RHL为相对湿度修正值，SORH为传感器相对湿度测量值。

当温度T≠25℃时，需对相对温度进行温度补偿，补偿公式如式（2）：

式中RHT是温度为T时的相对湿度值。

当供电电压为3 V时，将温度输出转换为实际温度值的公式如式（3）：

式中T为实际温度值，单位为℃。

二氧化硫传感器选用SO2-7SH型三极型电化学传感器，测量范围为0～100×10-6。它将空气中的二氧化硫气体转化为电流，并通过运放将电流信号转化为电压信号。

一氧化碳传感器选用MQ-7。它对一氧化碳气体有良好的灵敏度，可将电导率的变化转换为与一氧化碳浓度相对应的输出信号。当一氧化碳浓度增大时，传感器的电导率也随之增大。

二氧化碳传感器选用MG811。其对二氧化碳有良好的灵敏度以及选择性，具有很好的稳定性。

甲醛传感器选用Dart Sensor公司的甲醛检测传感器，它能在不采用气泵抽取的前提下连续地检测空气中的甲醛气体。传感器输出地电流与空气中的甲醛浓度呈线性关系，传感器检测到的电信号经过数据处理[5]后送至CCS2530。

3 系统软件设计

3.1 终端模块主程序设计

终端模块的主要作用是采集数据，并将数据打包后通过ZigBee无线网络发送给ZigBee协调器。终端模块的主程序流程如下：从硬件上电开始先进行初始化，然后寻找网络并联入，加入网络后进入低功耗模式，等待采集时间到后采集数据，随后将数据进行处理并通过网络发送给ZigBee协调器，最后进入低功耗模式等待下一次采集时间。

3.2 协调器主程序设计

ZigBee协调器主要起到建立网络以及管理网络的作用，从各个节点接收数据并将数据通过UART传给控制器。协调器主程序流程如下：从硬件上电开始先初始化，然后建立网络等待新节点加入，当有新节点加入时储存其网络地址并等待接收节点数据，最后对数据进行解析并发送给树莓派控制器。

3.3 控制器软件设计

3.3.1 控制器主程序设计

树莓派通过Python来使用GPIO端口上的针脚，因此需要安装GPIO的Python库。为了与ZigBee协调器进行通信，需用到树莓派上的UART，而系统把这个串口默认为调试口，因此需要编辑配置文件cmdline.txt来关闭调试输出功能，这样就可以正常使用该串口。

控制器从ZigBee协调器收到数据信息，并对数据进行处理后用文字语言显示当前居室环境各个参数状况以及相应的建议或提醒。控制器主程序流程如下：控制器树莓派监测UART串口数据，当有数据时，首先解析数据，判断各个传感器数据信息，之后对数据进行模糊算法处理，得出各个参数的语言变量值；最后将环境健康预警结果及应采取的措施显示在客户终端上。

3.3.2 数据处理

居室内某一个参数需要通过分布在居室不同空间位置的多个传感器进行数据采集。为了达到检测精度及减少误差，在数据处理时需要进行多传感器数据融合。根据各个终端节点具体的分布情况，用求概率权的方法进行数据融合[6]，所选权重不会受到主观因素的影响，可客观、真实地反映各个传感器所测量数据。利用概率权重Wi，每个参数按如下式（4）进行数据融合：

以国家室内空气质量标准GB/T18883-2002作为参考，对数据融合后的数据进行模糊化处理[7]。为每个参数在其取值范围上定义3个概念，比如一氧化碳浓度（0～30 mg/m3）定义 3个概念（未超标、轻微超标、严重超标），选用梯形隶属度函数。一氧化碳与甲醛作为人体健康主要的影响因素，需要将一氧化碳以及甲醛所得的语言值进行综合处理求出健康危害程度，相应的健康危害程度规则如表1所示。通过以上的数据处理可以为用户提供更加直观易懂的语言信息。

表1 健康危害程度规则表

根据各个参数的语言值提供建议或提醒，如当空气中危险气体浓度将要超过标准数值时，提醒用户开窗通风，保持空气流通；当家居环境湿度过低时，提醒用户注意保持空气湿润，并且会提出建议，提供能保持潮湿的有效措施，这样有助于保持人居健康环境。

3.3.3 程序界面设计

用QT设计程序界面，在Linux系统中操作方便，用户更加容易了解环境状况[8]。在树莓派上安装QT用aptget命令，再安装 qtcreator，最后打开 qtcreator配置编译环境。当打开QT程序后环境信息就会显示到界面上，其中包括各个参数的具体数值以及相对应的语言值、健康的危害程度以及相应的措施。

本文以树莓派作为核心控制器，在Linux系统下进行软件设计，运用ZigBee无线技术，研究和实现了一种家居健康环境检测系统方案。树莓派作为主要的控制器，使得系统功能的修改以及拓展更为方便；采用模块化设计，使得各终端节点可根据具体的要求增减与布局。本系统可应用于更加复杂的智能家居系统以及数据采集应用中。

[1]查珑珑.浅析物联网智能家居发展[J].科技信息，2012(25)：42-63.

[2]杨晓林.现代住宅综合小区智能化电气设计[J].建筑管理现代化，2005(4)：22-24.

[3]曹明勤，张涛，王健.基于ZigBee的农业物联网监测系统的设计与实现[J].电子技术应用，2013，39(12)：86-89.

[4]侯超.(树莓派)Siri在制药企业智能监控中的应用[J].微型机与应用，2013，32(12)：92-95.

[5]魏东旭，王平，石岩.基于ZigBee的无线甲醛监测系统设计[J].通讯技术，2012，45(9)：76-78.

[6]方树平.多传感器数据融合的概率权方法[J].传感器与微系统，2009(8)：12-17.

[7]赵昂，王磊，梁正峰.基于多传感器的电梯群控系统研究[J].测控技术，2006(7)：37-39.

[8]张强，张伟.基于 Qt/Embedded的病房管理系统界面的设计[J].微型机与应用，2013，32(3)：7-9.