一种智能室内环境监测系统的设计

一种智能室内环境监测系统的设计

裴东1，周良元1，郭鹏2，蔡东阳2

作者简介：裴东，男，副教授，电路与系统

（1. 西北师范大学物理与电子工程学院，兰州 730000； 2. 清华大学工程物理系，北京 100084）

5 摘要：如今人们花费大多时间待在室内，室内空气质量监测极其重要。本文设计出了基于无线网络的室内空气污染与毒性监测系统，用以在线监测室内空气的污染和毒性危险情况。对于此类系统，由于其采用干电池，能量管理极其重要，本文设计了方法来优化能量管理。本系统用于甲醛、氧气以及CO 等室内气体的监测，网络系统构架也可以用于温度、湿度等环境参数的监测。

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关键词：无线传感器网络；RF 射频；气体传感器

Design of an Intelligent Indoor Environment Monitoring

System

PEI Dong 1, ZHOU Liangyuan 1, GUO Peng 2, CAI Dongyang 2 15 (1. Physical and Electronic Engineering,Northwest Normal University, LanZhou 730000; 2. Department of Engineering Physics, Tsinghua University, Beijing 100084) Abstract: Nowdays,people spend a lot of time to stay indoors. Indoor air quality monitoring is extremely important. This paper design an wireless air pollution and toxicity monitoring system to monitor the indoor air pollution and toxicity of hazardous situations online. For the stability and 20

accuracy of the data collection ,the miniaturization of the devices, the various modules of the system are battery-powered,which make the energy management is extremely important. The method is designed to optimize energy management.The system used for the monitoring of formaldehyde, oxygen and CO gases, but the network system architecture can also be used for monitoring of temperature, humidity and other environmental parameters.

25 Keywords: Wireless Sensor Networks; Radio Frequency; Gas sensor

0 引言

随着近代工业的迅速发展，环境污染也越来越严重。空气质量的降低，不利于人类的身体健康，严重时还可能引起疾病甚至死亡。当今社会，我们花费大部分时间呆在室内，因此

30 室内气体质量至关重要。空气中含有毒气体CO ，甲醛，以及分粉尘颗粒等，会导致头痛，目眩，恶心刺眼等症状[1][2]。因此，特设计次室内环境检测系统，用于室内环境，保障居民生活健康。

随着智能家居概念的推广，以及室内装修的要求，室内布置检测装置要求功能稳定却不影响美观，使用便捷，用户友好性强。所以，本系统设计中结合了无线RF 网络技术，避免

35 了繁琐的装修走线，遵循安全保护，节能健康的理念[3]。

1 nRF24L01射频模块

nRF24L01是瑞士NORDIC 公司是一款工作在2.4~2.5GHz 世界通用ISM 频段的单片无线收发器芯片。无线收发器包括:频率发生器增强型SchockBurst TM 模式控制器、功率放大 器、晶体振荡器、调制器解调器。输出功率、频道选择和协议的设置可以通过SPI 接

40 口进行设置. 次芯片拥有极低的电流消耗：当工作在发射模式下发射功率为-6dBm 时电流消耗为9.0mA 接收模式时为12.3mA 。掉电模式和待机模式下电流消耗更低。它是一款真正的

GFSK单收发芯片，内置链路层，具有自动应答以及重发功能，地址以及CRC检验功能。

它可以接受5V电平的输入，而其工作电压只有1.9V到3.6V。

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本文中应用到的信号收发的数据包处理方式采用其提供的ShockBurst 模式。在这种模式下，nRF24L01 可以与成本较低的低速MCU 相连高速信号处理是由芯片内部的射频协议处理的nRF24L01 提供SPI 接口数据率取决于单片机本身接口速度ShockBurst 模式通过允许与单片机低速通信而无线部分高速通信减小了通信的平均消耗电流。nRF24L01 在接收模式下可以接收6 路不同通道的数据。每一个数据通道使用不同的地址但是共用相同的频道也就是说6 个不同的nRF24L01 设置为发送模式后可以与同一个设置为接收模式nRF24L01 50

进行通讯而设置为接收模式的nRF24L01 可以对这6 个发射端进行识别。nRF24L01 在确认收到数据后记录地址并以此地址为目标地址发送应答信号[4]。

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图 1, nRF24L01射频模块接收模式示意图 图2, 晶粒间势垒模型 2气体传感器与气体检测模块

气体传感器是基于不同的敏感原理，运用多种不同的材质与工艺制造而成。本文选用的基于半导体金属氧化物敏感材料的气体传感器，由费加罗公司制造，型号为TGS26xx系列，60

对CO，氧气以及甲醛等室内气体，具有较强敏感性。气体传感器的敏感材料是金属氧化物,最具代表性的是SnO2。金属氧化物晶体如SnO2在空气中被加热到一定高的温度时，氧被吸附在带一个负电荷的晶体表面。然后，晶体表面的供与电子被转移到吸附的氧上，结果在一个空间电荷层留下正电荷。这样，表面势能形成一个势垒，从而阻碍电子流动，如见图2。

在传感器的内部，电流流过SnO2微晶的结合部位（晶粒边界）。在晶粒边界，吸附的65

氧形成一个势垒阻止载流子自由移动，传感器的电阻即缘于这种势垒。还原性气体出现时，带有负电荷的氧的表面浓度降低，导致晶粒边界的势垒降低。降低了的势垒使传感器的阻值减小了。传感器阻值和还原性气体浓度之间的关系可由下面的一定范围气体浓度方程表示：

Rs=A[C]-α

这里：Rs=传感器电阻；A=常数 [C]=气体浓度α=Rs曲线的斜率。

气体检测模块为自行设计的由气体传感器，数据采集芯片MSP430，AD采集电路，以70

及外围接口电路组成的检测模块。能有效检测出对应气体浓度，并且将采集所得数据通过SPI接口传出[6][7]。模块部分采集电路以及射频模块与单片机通信电路如图3，图4所示。

图3, 气体检测部分电路图4, RF芯片与MSP430接口电路

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3PIR人体感应模块

本文采用深圳市杰华电子有限公司的型号GH-718人体感应模块。其使用工作电压为DC 4.5～20V，静态电流为50uA，高电平输出3.3V 低电平输出为0V，保持时间为3-900秒之间，可以自主调节，感应角度为110度，最大感应距离为7米。

4无线传感器系统构架设计

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由于无线传感器系统需要安装后长期使用，而干电池的电量有限，所以，超低功耗成为本系统的关注要点。本系统选用了16位低功耗微控制器MSP430为核心控制器，它是美国德州仪器公司生产的功能强大的MSP430系列芯片之一。它采用1.8V-3.6V输入电压，具有包括五种省电模式在内的多种低功耗工作模式，可通过编程选择控制。

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无线传感器网络包括网络主结点，气体监测次结点，人体感应次结点三个部分[8]。如图5。

图5, 无线传感器网络示意图

4.1网络主结点模块

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其中发送模块包括：气体传感器、敏感模块、单片机及显示等设备、处于发送模式的

nRF24L01模块。

它位于客厅，包括处理显示控制模块和RF模块。其中处理控制显示模块主要由MSP430单片机以及LCD显示屏组成。并且其RF模块处于接收模式，根据nRF24L01模块特性，处于接收模式时，可以与6 个不同的设置为发送模式的RF模块通信，并且具有识别能力。95

图6, 气体检测次结点模块示意图 图7, 气体检测主结点模块示意图

4.2气体检测次结点

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接受模块包括：处于接受模式的nRF24L01模块，单片机以及显示等设备。

它位于各不同的房间，包括设置为发送模式的RF模块以及气体检测模块。气体检测模块通过将监测数据传递个RF模块，并发往网络主结点。

4.3人体感应次结点

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位于主要门口处，由芯片控制PIR模块构成，用于感应人员的出入。如图3中所示，在整个系统中，将人员感应模块安装在主门位置，在控制芯片中设置一个变量，用于存储人员总数。当总数小于一时，发送指令给主结点，主结点接收后，发送控制指令给空气检测次结点，使其变为待机状态，暂停工作。这样，可以极大的减少系统工作时间，节约能耗。

5软件控制

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根据无线传感器网络系统的总体构架，软件控制也分为两部分。分别是两类次结点的数据采集的软件部分和主结点的终端处理显示控制的部分。软件设计流程图分别为图8所示。

其中网络次结点模块的工作模式是指传感器敏感电路部分正常加电运行，射频模块设置为发送模式，实时将采集数据发送给主结点。网络次结点的待机模式为传感器敏感电路不工作，但射频模块工作且置为接收模式，以监听主结点发来的控制指令。

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图8, 系统软件设计总体流程图

6结论

本文提供了基于无线传感器网络的室内空气质量检测方案，主要专注在空气气体成分，120

旨在监测致病致癌致死的有毒气体。实现的小型无线网络通讯控制，具有较强的通用性，可以推广应用到其它生活或工业检测活动。系统实现智能控制部分结点的运行模式，大大节省了电能。

致谢

清华大学医学物理所医疗与新技术实验室提供的支持与帮助。

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[参考文献] (References)

[1] Fraiwan, L.,Lweesy, K.,Bani-Salma, A.,Mani, N. A wireless home safety gas leakage detection

system[A].Biomedical Engineering[C].,Middle East,2011. 11-14

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[3] 王华,基于无线传感器网络的室内环境监测系统[J].太原科技，2008，12(6):66-72

[4] TGS传感器通用资料[OL].[2010-8-20]https://www.docsj.com/doc/0814892730.html,/document/mechanism.pdf

[5] J. Bartolomeo, Detecting CO in the home, Home Automation and BuildingControl[J], pp. 51-55, Oct. 1995.

[6] 张文娜.传感器技术[M].北京：清华大学出版社, 2011

[7] Creed Huddleston. 智能传感器设计[M].张鼎.北京：人民邮电出版社,2009.6

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[8] 许毅.无线传感器网络原理及方法[M].北京：清华大学出版社, 2012