无线传感器网络室内空气质量检测系统

田悦妍 何扬 杜霖 任光远 邳鹏

摘要：针对传统空气质量检测系统存在的问题，提出了一种基于无线传感器网络的室内空气质量检测系统。详细阐述了无线传感器网络室内空气质量检测系统的设计思想、硬件结构和软件的设计方法。使用CC2530组成无线传感器网络，采用多个传感器节点对室内一氧化碳、二氧化碳、氧气、甲醛、PM2.5以及温湿度进行检测，实时显示检测结果并进行超限报警。

关键词：无线传感器网络;空气质量;检测;

1背景

随着社会发展水平的提高，室内空气环境质量是人们追求幸福美好生活的重要关注点。我国对室内空气环境的治理要求在不断地提高。2020年8月1日住房和城乡建设部颁布了新修订的《民用建筑工程室内环境污染控制标准》（GB 50325-2020），对室内空气中污染物、污染物含量（释放量）限量及测定方法、室内装饰装修设计提出了污染控制预评估要求及材料选用具体要求、幼儿园、学校教室、学生宿舍等裝饰装修提出了更加严格的污染控制要求、室内空气中污染物浓度限量值等方面做了最新修订。传统的室内空气质量检测系统存在布置困难、组网通信不便等诸多固有缺点，本文基于无线传感器网络技术，提出了一种针对室内环境的空气质量检测系统，将一氧化碳、二氧化碳、甲醛等气体浓度传感器布置于室内各个区域，通过无线传感器网络进行数据传输与处理，并能通过互联网连接上位机对用户进行报警等服务。

2室内气体无线检测技术

目前无线传输通信技术主要有Zig Bee、红外、蓝牙、Wi-Fi、GPRS/GSM等。红外线是一种频率低于可见光的电磁波，其波长较短，只适用于点对点的短距离无线通信。蓝牙使用通用的2.4GHz ISM频段，使用IEEE802.15协议。蓝牙具有跳频的功能，安全性和抗干扰能力强，但传输距离较短，主要工作范围在10米左右，经过增加射频功率可以扩展到100米。Wi-Fi是IEEE 802.11标准的无线局域网技术，其无线通信质量有待进一步提升，数据安全性能逊于蓝牙，传输质量也有待提高，优点是传输速度非常快，可以达到9.6Gbps。Zig Bee是一种近年来新兴的基于IEEE的802 15.4标准的无线连接技术，使用2.4GHz频段时最高速度可达250kbit/s，传输距离可达百米。Zig Bee具有低成本、易于组网等突出优点，非常适用于大面积大范围无线检测系统。

3系统组成与工作原理

本系统采用Zig Bee技术作为无线组网通信方式。系统主要由传感器节点、协调器和监控终端构成。系统将无线传感器节点分布于室内的监测区域，这些传感器节点以自组织和多跳的方式构成无线传输网络，传感器节点自动完成网络侦测与加入，自动完成组网通信，区域内传感器节点自发感知，自主多跳组网，完成数据采集与传输处理，并通过协调器把感测数据发送给监控终端。

传感器节点连接空气质量传感器阵列，可以检测CO、CO2、PM2.5、甲醛、臭氧、温湿度等等空气参数，节点之间采用ZigBee技术进行无线组网。传感器节点将数据采集处理后传送给协调器，协调器将数据处理后打包传送给监控终端。所有接收到的数据可以在监控终端进行处理、分析和显示。系统可以预设各类空气质量参数阈值，当相关参数超过阈值后，系统报警。

4系统设计

4.1传感器电路设计

系统通过气体传感器阵列来检测空气质量指标参数。气体传感器能够检测相应的气体，并且经过内部电路或者外部电路处理之后显示出来。衡量气体传感器优劣的指标主要有：稳定性、灵敏度、选择性、抗腐蚀性。气体传感器的分类主要有：半导体式气体传感器、电化学式气体传感器、接触燃烧式气体传感器和光学式气体传感器。结合系统的应用环境和工程实际，同时考虑室内空气质量的关键指标，系统选择6个传感器搭建空气质量传感器阵列，分别检测室内一氧化碳、二氧化碳、氧气、甲醛、PM2.5以及温湿度等空气质量参数。一氧化碳传感器选用美国SPEC Sensors公司的3SP-CO-1000，其检测量程为0-1000 ppm，检测下限为0.5ppm，响应时间一般小于15秒，工作温度范围为-30到55°C，湿度范围为0到95%，功耗极低，只有10到50 u W。二氧化碳传感器选用英国GSS CO2传感器Coz IR-Blink，Coz IR-Blink是一款低功耗CO2传感器，具有I2C接口，低功耗、长寿命的红外CO2传感器，与Zig Bee，Wi-Fi，Lo Ra，蓝牙，Sig Fox和En Ocean等无线物联网网络集成，非常适合低功耗、电池和物联网应用，具备自动校准功能，测量范围为0-2000ppm，0-5000ppm和0-1%。氧气传感器选用英国alphasense公司的O2-M2，其为电化学氧气传感器，氧气浓度测量范围：0-30%，响应时间小于15秒，全量程时线性误差<0.6ppm。甲醛传感器选用英国DART公司的WZ-S，其检测量程为0-1ppm，分辨率达到0.001ppm，响应时间小于90秒，低功耗，接口电路简单。PM2.5传感器采用夏普公司光学型传感器GP2Y1010AU0F，其通过电压信号来指示当前空气质量，单位是mg/m^3，其内部放置红外线发光二极管和光电晶体管，PM2.5粒子将光子散射到光电晶体管检测区，引起光电晶体管电流的变化，经过放大器处理，最终输出模拟电压信号。PM2.5粒子散射光的强度与其质量浓度成正比，因此可从输出的模拟电压信号得到PM2.5粒子的浓度。可检测0.8微米以上的微小粒子，灵敏度达到0.5V/（0.1mg/m3），体积小、重量轻、便于安装应用十分简便。需要特别指出的是，GP2Y1010AU0F传感器工作时对驱动其红外线发光二极管提供的采样周期、脉宽和采样时间精准度要求较高。除了提供红外LED的驱动脉冲外，还需要提供传感器电源电压，主要供给光电晶体管和放大器，输入端电压供给红外发光二极管。温湿度传感器选用含有已校准数字信号输出的AM2302，具有I2C接口，与处理器连接十分方便。温度测量范围：-40～+80℃，温度精度：±0.5℃，湿度测量范围：0～99.9%RH，湿度精度：±3%RH，功耗低，传输信号距离远。

4.2系统软件设计

软件部分设计是系统一个重要的部分，软件程序编程直接决定了一个系统能否正常运行。软件系统由无线通信模块、实时检测模块、参数设置以及输出模块组成。无线通信模块用于系统无线传感器网络组网通信，实时检测模块用于室内传感器节点采集数据并传输处理，参数设置以及输出模块用于室内环境参数的设定，以及检测结果的输出、存儲、打印以及超限报警等，空气质量参数设定参考《室内空气质量标准》（GB/T 18883-2002）。本系统的软件开发环境是IAR软件，程序设计基于Z-Stack协议栈，主要包括无线传感器采集节点和协调器节点的软件设计。采集节点主要负责底层空气质量传感器数据的采集，而协调器一方面将上位机的监控命令等信息下发到参数采集节点;另一方面将各采集节点传感数据上传给上位机。协调器节点程序设计涉及五个方面：串命令ID;对各节点进行数据收集;数据校验;数据上传。无线传感器检测节点程序工作流程如下：传感器节点上电后进行初始化配置，之后将进行无线网络扫描并发送入网请求信号，确认入网成功后利用定时器控制采样率进行周期性轮流采集传感器信息，为减少误差需对采集数据进行平滑滤波处理后发送给网络协调器。为了降低传感器节点能耗，节点空闲时将进入休眠模式。

5结束语

本文提出了一种无线传感器网络室内空气质量检测系统，系统由多个检测节点组成无线传感器室内空气检测网络，实现了对室内环境中的一氧化碳、二氧化碳、氧气、甲醛、PM2.5以及温湿度等空气质量参数的实时检测及异常报警。系统采用低功耗、高精度的传感器构成空气质量参数检测阵列，利用ZigBee技术组建无线通信网络，系统具有部署灵活、易于扩展、响应及时和检测精度高等优点。

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