智能空气质量检测系统设计与实现

智能空气质量检测系统设计与实现任务背景：近几年，环境问题成为了社会的焦点话题。对大众而言，空气质量[1]更是每天关注的重点。大气污染所产生的PM2.5/PM10颗粒物及厂房建设装修所产生的甲醛等有毒气体都会对人类的身体健康造成危害。因此对空气质量进行监测是治理空气污染、改善空气环境的有力手段。当前各地区天气预报以及App软件都会对城市地区的空气质量进行播报，做到让用户心中有数。但考虑到身处环境的不同及各场所条件的多样性，一款便携式空气质量检测系统无疑更方便有需求的用户使用。本设计提出的空气质量检测系统，采用RaspberryPi[2]作为嵌入式平台上位机，配合高精度传感器对空气参数进行测量，并将结果实时显示在LCD显示屏上供用户查看。平台内置GPS模块，配合数据库，可将采集的数据配合时间、地点等信息一同存档，以备后续进一步分析使用。该系统小巧便携，功耗较低，智能化程度高，便于后期系统维护以及功能扩展。１

系统的方案设计１.１

系统的功能概述空气质量监测系统作为工业管理体系中的“

实施和监测”环节，实时监测空气质量的状况，并实时传送到工厂的管理网络中，以提供实时、准确的现场数据。系统将工业现场检测到的空气质量状况发送给管理网络后，监控室内的ＰＣ

机实时监测现场变化状况，一旦发现现场空气状况异常，立刻报警通知现场工作人员采取有效的措施，从而保障人们的生命财产安全。

系统能够检测多个空气质量参数，主要包括:温度、湿度、ＣＯ

含量、ＣＯ２含量以及空气质量。

系统还预留了多个扩展接口，可以根据实际需求，添加气体传感器模块。

整个系统的技术指标如表１

所示。表１

系统技术指标１.２

系统的整体结构设计空气质量监测系统由检测终端、无线路由器、无线网关以及基于ＰＣ

机的监测软件组成。

系统的整体结构如图１

所示。图１

系统整体结构图由于在企业控制室或办公室安装空气质量监测系统时，铺设与各检测终端间的通信电缆是十分不便的，因此本空气质量监测系统在各检测终端与ＰＣ

机间采用无线通信，这不仅便于初始安装，也便于随时更换检测终端在室内的位置。系统的无线通信部分采用了ＺｉｇＢｅｅ模块网络技术。

ＺｉｇＢｅｅ

标准是基于８０２.１５.４

协议栈而建立的，具备了强大的设备联网功能，它可支持３

种主要的无线网络拓扑结构，即星型结构、簇状结构(

Ｃｌｕｓｔｅｒｔｒｅｅ)

和网状结构(Ｍｅｓｈ)。

其中的网状结构具有自组织能力以及很强的网络健壮性和系统可靠性。

本系统正是采用了网状结构实现设备间相互通信的。系统的工作原理:１)

无线网关组建网络，形成本网路特定的网络ＩＤ。无线路由器和检测终端自动搜索网络，找到与自身匹配的网络ＩＤ

后加入网络。２)

检测终端实时检测工业现场的温度、湿度、ＣＯ

含量、ＣＯ２含量以及空气质量，并将检测到的结果通过无线方式直接发送给网关，

或通过无线路由器转发给无线网关。３)

无线网关收到终端发来的数据后，将数据通过ＵＳＢ

口上传给ＰＣ

机。４)

ＰＣ

机进一步处理发来的数据，实时监测各个现场的空气质量状况。２

系统的硬件设计系统的硬件由检测终端、无线路由器以及无线网关这三部分构成。２.１

检测终端的设计检测终端主要功能是检测空气中多种气体参量ꎬ主要包括:温度、度、ＣＯ

、ＣＯ２以及空气质量传感器将检测到的结果经信号变换、Ａ/

Ｄ

转换后，由微控制器读入并做工程量转换，进行Ｚｉｇｂｅｅ数据采集。再通过ＺｉｇＢｅｅ模块发送给网关。

其中ＣＯ２

传感器采用红外检测法，红外检测法具有测量精度高、可靠性强、寿命长等特点，利用这一方法可准确测量空气中ＣＯ２

的含量。ＣＯ

传感器采用的是电化学检测法，它是通过传感器的氧化还原反应，将ＣＯ

气体转化为与之成正比的电流信号，电化学传感器是目前工业上用于测量有毒气体的主流方法，使用这种方法测量精度高、反应灵敏高。

除此之外。为了能更快速地和周围空气保持流通，检测终端内部还装有微型轴流风扇，起到散热的作用。

检测终端的结构如图２

所示。图２

检测终端结构图２.２

无线路由器的设计由于建筑物结构空间、距离不同，房间之间墙体结构不同，在检测终端与网关之间，可能存在无线信号无法一次接收得到的情况，这时就需要增设无线通信路由器设备。

根据室内分布和墙体的具体情况，需要安装一个或多个带有Ｚｉｇｂｅｅ数传模块的路由器节点。

检测终端中的数据。通过无线通道将数据发到所属的路由器节点，路由器节点通过路由把数据传送到网关，网关再把数据传输到ＰＣ。这种方式网络结构简单，形成网状和簇树交错的拓扑结构，易于实现。无线路由器由微处理器、无线射频模块以及稳压电源模块组成。

其中电源模块采用交流电源供电，从而保证路由器能长时间、高效率的工作。

无线路由器的硬件结构如图３

所示。图３

无线路由器结构图２.３

无线网关的设计系统的无线网关实际上担当着ＺｉｇＢｅｅ

网络中的协调器的角色，ＺｉｇＢｅｅ

网络中包含３

种设备类型:即ＺｉｇＢｅｅ

协调器、路由器以及终端设备。

协调器是整个ＺｉｇＢｅｅ

网络的中心，它负责建立、维持和管理网络、分配网络地址等功能。

本系统中网关在组建完网络后，等待终端发来数据。然后将收到的数据通过ＵＳＢ

接口上传给ＰＣ

机。无线网关主要由微处理器、无线射频模块、ＵＳＢ

通信模块以及电源转换模块组成。

其中微处理器与ＵＳＢ

模块间采用串口(ＵＡＲＴ)

通信。网关采用ＵＳＢ

供电，电源转换模块是将ＵＳＢ

电压转换为微处理器的工作电源。

无线网关的硬件结构如图４

所示。图４

无线网关结构图３

系统的软件设计系统软件由下位机和上位机这两部分软件组成。

其中下位机软件主要完成数据的采集和传输，上位机软件则完成数据的接收和处理。３.１

下位机软件的设计下位机软件主要包括:各硬件设备的初始化工作、检测终端的数据采集以及数据的传输。

系统采用的是ＺｉｇＢｅｅ

无线模块通信技术，而本系统下位机软件是基于ＴＩ

的Ｚ－Ｓｔａｃｋ

协议栈基础上开发的。１)

各硬件设备的初始化工作。

在设备通电后，需要完成硬件平台和软件架构所需要的各个模块的初始化，为操作系统的运行做好准备。

初始化工作主要包括:初始化芯片的各个硬件模块、初始化系统时钟、初始化堆栈、初始化Ｆｌａｓｈ

存储器、形成终端的ＭＡＣ

地址、初始化一些非易失变量、初始化ＭＡＣ

层、初始化应用框架层以及初始化操作系统。２)

检测终端的Ｚｉｇｂｅｅ数据采集。

检测终端内置多个传感器，主要测量温湿度值、ＣＯ

和ＣＯ２浓度值以及空气质量等级指标。

微处理器读入各个传感器采集到的数据，然后进行相应的计算和软件滤波处理。

其中软件滤波是很重要的一个步骤，用于去除一些受干扰的数据，提高数据的准确性。

Ｚｉｇｂｅｅ数据采集的流程如图５

所示。图５

检测终端数据采集流程图检测终端数据采集程序通过调用Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ()、Ｈｕｍｉｄｉｔｙ()、ＡＩＲ＿ｓｅｎｓｏｒ()、ＣＯ２＿ｓｅｎｓｏｒ()

以及ＣＯ＿ｓｅｎｓｏｒ()这五个函数，用于采集空气中的温度、湿度、空气质量、ＣＯ２以及ＣＯ

参量。

由于系统是实时监测工业现场的空气质量变化状况，因此，这五个函数是定时被调用的，定时时间可根据实际需求设定。３)

数据的传输。

检测终端采集这５

个参数后，将它们按照一定的格式排列，并在数据串前头加入终端设备的ＭＡＣ

地址，然后进行打包保存。

其中，ＭＡＣ

地址是在ＰＣ机收到数据包时，用于区分哪个终端发来的数据，这样，一个网络里面就可以同时存下若干个终端设备了。终端在将打包好的数据发送前，先要检测区域内是否有可用的ＺｉｇＢｅｅ

无线网络。

当发现周围有允许的网络后，加入网络，然后将数据无线发送出去，网络将根据最佳路径最终将数据发送给无线网关。

网关将收到的数据通过串口发送给ＵＳＢ

模块，ＵＳＢ

模块再将数据通过ＵＳＢ

线上传给ＰＣ

机。

这里，ＵＳＢ

模块与ＰＣ

机正常通信前，应根据ＵＳＢ

芯片的型号，在ＰＣ

机上安装对应型号的虚拟串口驱动程序。３.２

上位机软件的设计上位机软件是系统人机交互的主要方式，用户可以从中读取信息或者输入命令来控制系统的工作状态。

ＰＣ

机通过ＵＳＢ

接口将工业现场的数据读入后，上位机软件对其进行一定地处理，然后将结果以图形和文字的方式直观的展现给用户，用户只需在监控室内，就能够观察各个现场的空气质量状况。本系统借助ＶＢ

语言设计图形界面的特点，设计空气质量监测系统软件。

监测软件的程序流程如图６所示。图６

监测软件程序流程图图６

中，初始化图形界面主要包括:初始化各个气体参数柱形图和曲线图、初始化串行通信端口以及初始化工作状态等信息。

串行通信端口的设定需要查看ＰＣ

机在安装虚拟串口驱动程序时分配的串口号。

程序通过调用ＶＢ

中的串口控件(

ＭＳＣｏｍｍ)，将数据包读入程序内，然后对数据包进行解析，提取数据包内的终端ＭＡＣ地址、温度、湿度、ＣＯ２含量、ＣＯ

含量以及空气质量信息。程序将提取的ＭＡＣ

地址转换为终端设备号，并且根据提取的五个空气质量参数调用柱形图和曲线图显示函数。在对应终端设备号的监测画面中实时更新空气质量信息。总结本文利用Ｚｉｇｂｅｅ数传模块设计的空气质量监测系统，能够实时、准确地对工业现场的空气质量状况进行Ｚｉｇｂｅｅ数据采集。

一旦发现问题，快速报警提示工作人员采取有效措施，达到早发现早治理的目的，从而保障人员的生命财产安全。整个系统具有如下特点:１)

多种气体同时测量。

由于终端内置多个传感器。

可变单一成分的检测为多种主要成分的检测。

并且终端预留了扩展接口，

可根据实际需要，

增加多个气体传感器进