摘要：智能家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)是對室內(nèi)家居環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測的重要方法。它對室內(nèi)環(huán)境污染物、可吸入顆粒物、溫濕度、紫外線強(qiáng)度、電磁輻射強(qiáng)度監(jiān)測具有重要作用。本文重點(diǎn)介紹了環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理、硬件組成和分布式系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，可供相關(guān)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。
關(guān)鍵詞：中央控制系統(tǒng)；環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)；微型工作站；傳感器；
引言
隨著我國人民生活條件不斷改善，許多民眾擁有住房后不惜投入巨額費(fèi)用進(jìn)行裝修，各種材料大量涌入家居產(chǎn)生了嚴(yán)重的污染。裝飾物中的甲醛、苯、氨氣等有毒氣體；廚房油煙苯并芘、一氧化碳；植物花粉、灰塵、香煙、病菌及各類異味等都使環(huán)境污染越來越嚴(yán)重。同時(shí)，室內(nèi)溫濕度、紫外線強(qiáng)度、電磁輻射等污染給人們的健康構(gòu)成巨大威脅。為了監(jiān)測室內(nèi)環(huán)境狀況，及時(shí)預(yù)報(bào)當(dāng)前的環(huán)境質(zhì)量，家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。
1 統(tǒng)特點(diǎn)
家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)是基于半導(dǎo)體傳感器的反應(yīng)原理，并結(jié)合了當(dāng)前成熟的電子信息技術(shù)來檢測室內(nèi)污染氣體情況來實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境中各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的自動(dòng)監(jiān)測。本系統(tǒng)主要由中央控制系統(tǒng)和環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)組成。它們硬件上都采用微型工作站來做數(shù)據(jù)接收和分析。在微型工作站上主要通過外接氣體傳感器、可吸入顆粒物傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、紫外線傳感器、電磁輻射傳感器這六種傳感器來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集。
2 系統(tǒng)工作原理和硬件組成
系統(tǒng)主要通過實(shí)時(shí)在線監(jiān)測六種指標(biāo)，即污染氣體濃度、粉塵顆粒物濃度、溫度、濕度、紫外線強(qiáng)度、電磁輻射強(qiáng)度。它可以進(jìn)行自動(dòng)數(shù)據(jù)采樣、處理和分析，得出當(dāng)前環(huán)境質(zhì)量中各個(gè)監(jiān)控指標(biāo)值，并可以根據(jù)當(dāng)前環(huán)境污染程度進(jìn)行預(yù)警，各個(gè)監(jiān)控指標(biāo)和分析數(shù)據(jù)直接通過LCD液晶顯示屏顯示。通過這個(gè)工作原理，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境質(zhì)量監(jiān)控指標(biāo)的數(shù)據(jù)采集、處理、預(yù)報(bào)、顯示，為有效監(jiān)控室內(nèi)環(huán)境狀況提供了科學(xué)依據(jù)。以下將對該環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中使用的各類傳感器進(jìn)行詳細(xì)的介紹：
2.1 空氣質(zhì)量傳感器
TGS2602空氣質(zhì)量傳感器是由集成的加熱器以及在氧化鋁基板上形成的金屬氧化物半導(dǎo)體構(gòu)成。當(dāng)空氣中的污染氣體存在時(shí)，該污染氣體的濃度越高，傳感器的電導(dǎo)率就越高。通過成熟的電子技術(shù)即可將該污染氣體的電導(dǎo)率的變化線性轉(zhuǎn)換為該污染氣體濃度的輸出信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了污染氣體濃度的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測。該傳感器正是基于這種電導(dǎo)率原理來實(shí)現(xiàn)環(huán)境中污染氣體濃度監(jiān)測的。該傳感器不僅對有毒有機(jī)揮發(fā)物、氨氣、硫化氫等有毒氣體有很高的靈敏度。傳感器是利用相對值檢知來實(shí)現(xiàn)更接近人類感覺的控制，它以純凈環(huán)境時(shí)候的電阻值為基準(zhǔn)，通過當(dāng)前傳感器的電阻值比純凈環(huán)境時(shí)的變化量來監(jiān)測當(dāng)前環(huán)境的污染程度。
2.2 可吸入顆粒物傳感器
DSM501顆粒物傳感器內(nèi)置加熱器，加熱器可以通過熱量使氣流上升而使外部環(huán)境進(jìn)入傳感器。采用光學(xué)原理，可以檢測1微米以上粒子，如香煙、灰塵、霉菌、花粉、孢子等顆粒物，采用粒子計(jì)數(shù)原理，PWM 脈寬調(diào)制輸出，以粒子計(jì)算器工作原理為基礎(chǔ)來監(jiān)測單位體積內(nèi)可吸入顆粒物的絕對個(gè)數(shù)。通過該傳感器，可以使準(zhǔn)確監(jiān)測出當(dāng)前環(huán)境顆粒物的數(shù)量，為環(huán)境質(zhì)量的預(yù)報(bào)提供科學(xué)依據(jù)。
2.3 溫度傳感器
DS18B20溫度傳感器可以放置在許多不同的地方，它能夠直接讀出被測物體的溫度，根據(jù)實(shí)際要求通過程序編程實(shí)現(xiàn)9到12位數(shù)字值的個(gè)性化設(shè)置。傳感器可以分別在93.75毫秒和750毫秒的時(shí)間內(nèi)完成9位和12位的數(shù)字量，數(shù)據(jù)總線可提供溫度變換功率，數(shù)據(jù)總線本身也可以向掛接的其他傳感器供電而不需要提供額外電源。通過使用溫度傳感器可以使整個(gè)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加合理和科學(xué)化，可靠性更高。同時(shí)，測溫精度、轉(zhuǎn)換時(shí)間、傳輸距離、分辨率等指標(biāo)理想，達(dá)到預(yù)期目的，可以用于大氣溫度實(shí)時(shí)在線監(jiān)測。
2.4 濕度傳感器
DHT22電容式濕度傳感器具有檢測速度快、精度高、可靠性高、穩(wěn)定性強(qiáng)、方便簡單和體積小等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)中進(jìn)行濕度監(jiān)測。電容式濕度傳感器是通過電容值不同，環(huán)境中濕度值不同的工作原理，電容值和濕度值的對應(yīng)關(guān)系來進(jìn)行環(huán)境濕度值輸出。由于單片機(jī)不能直接讀取傳感器的電容值，所以需要外接測量電路。因?yàn)閱纹瑱C(jī)內(nèi)有定時(shí)和計(jì)數(shù)器，可以進(jìn)行頻率測量，所以選用頻率輸出測量電路。通過以上方法，即可實(shí)現(xiàn)環(huán)境濕度的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測。
2.5 紫外線強(qiáng)度傳感器
紫外線強(qiáng)度傳感器是用于監(jiān)測電磁波譜中波長從100nm至400nm的輻射。紫外線按照其輻射波長的不同可以劃分成三個(gè)波段，這三個(gè)波段分別為：UV—A(315～400nm)，UV—B(280～315 nm)和UV—C(<280 nm)。大氣臭氧層可以吸收對UV—A，但是吸收量很少，所以UV—A可以直接到達(dá)地面；UV—B則和臭氧層變化緊密聯(lián)系，它會(huì)根據(jù)臭氧層的變化而變化，可以直接到底到達(dá)地面，對人體健康產(chǎn)生較大影響；UV—C則幾乎完全被臭氧層吸收，基本不到達(dá)地面。因此，對人體健康有重要影響的波段主要是UV—A和UV—B這兩個(gè)波段的紫外線輻射。紫外線強(qiáng)度傳感器則是通過光電模式監(jiān)測UV—A和UV—B這兩個(gè)波段來實(shí)現(xiàn)紫外線強(qiáng)度的監(jiān)測。
2.6 電磁輻射傳感器
電磁輻射傳感器的好壞直接影響電磁輻射信號(hào)的接收性能，因此，該傳感器的電氣參數(shù)是至關(guān)重要的，可以選擇適用于100 kHz～3 GHz頻率范圍的傳感器，通過采集電磁信號(hào)并進(jìn)行濾波和放大，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后分析得出當(dāng)前的電磁輻射強(qiáng)度。
3 分布式系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要分為中央控制系統(tǒng)和環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)。中央控制系統(tǒng)主要用于接收室內(nèi)各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)（比如房間、廚房、衛(wèi)生間等），采用外接LCD大屏幕液晶顯示，同時(shí)加入語音提示和預(yù)警功能。環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)采用無線傳輸模式實(shí)現(xiàn)與中央控制系統(tǒng)的交互，最大程度的避免了房間的布線，增加了系統(tǒng)的靈活性和靈活度。中央控制系統(tǒng)和環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)硬件上主要采用微型工作站，軟件上通過安裝操作系統(tǒng)和控制軟件來實(shí)現(xiàn)。微型工作站集LCD 顯示，工控CPU及計(jì)算機(jī)主板于一體，并具有工控儀表開關(guān)電源，同時(shí)安裝觸摸屏，具有較強(qiáng)的抗電磁干擾和低功耗特點(diǎn)。具體的硬件結(jié)構(gòu)如下：
結(jié)語
本系統(tǒng)借鑒了目前國內(nèi)外現(xiàn)有的環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)搭建的經(jīng)驗(yàn)，通過傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、處理、分析、顯示，向人們提供一套專業(yè)應(yīng)對室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測的設(shè)計(jì)方案。本系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)在線監(jiān)控環(huán)境中各個(gè)環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)值，對當(dāng)前環(huán)境質(zhì)量情況進(jìn)行及時(shí)預(yù)警。隨著民眾對綠色、環(huán)保、健康觀念的逐步增強(qiáng)，環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用將越來越受到人們的重視。
參考文獻(xiàn)
[1] 張毅剛．單片機(jī)原理及應(yīng)用．北京：高等教育出版社．2005
[2] 徐仁貴．單片微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)．北京：機(jī)械工業(yè)出版社．2001.2
[3] 張似玫. 單片微型計(jì)算機(jī)原理及接口技術(shù).北京:電子科學(xué)技術(shù)出版社，1993
[4] 康光華.陳大欽. 電子技術(shù)基礎(chǔ).高等教育出版社.1999.6
作者簡介
黃國偉；性別：男；學(xué)歷：大學(xué)本科；出生年月：1983-9-21；戶籍：廣東汕頭；
工作單位：廣東省建筑科學(xué)研究院；研究領(lǐng)域：建筑工程信息化建設(shè)；
關(guān)鍵詞：中央控制系統(tǒng)；環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)；微型工作站；傳感器；
引言
隨著我國人民生活條件不斷改善，許多民眾擁有住房后不惜投入巨額費(fèi)用進(jìn)行裝修，各種材料大量涌入家居產(chǎn)生了嚴(yán)重的污染。裝飾物中的甲醛、苯、氨氣等有毒氣體；廚房油煙苯并芘、一氧化碳；植物花粉、灰塵、香煙、病菌及各類異味等都使環(huán)境污染越來越嚴(yán)重。同時(shí)，室內(nèi)溫濕度、紫外線強(qiáng)度、電磁輻射等污染給人們的健康構(gòu)成巨大威脅。為了監(jiān)測室內(nèi)環(huán)境狀況，及時(shí)預(yù)報(bào)當(dāng)前的環(huán)境質(zhì)量，家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。
1 統(tǒng)特點(diǎn)
家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)是基于半導(dǎo)體傳感器的反應(yīng)原理，并結(jié)合了當(dāng)前成熟的電子信息技術(shù)來檢測室內(nèi)污染氣體情況來實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境中各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的自動(dòng)監(jiān)測。本系統(tǒng)主要由中央控制系統(tǒng)和環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)組成。它們硬件上都采用微型工作站來做數(shù)據(jù)接收和分析。在微型工作站上主要通過外接氣體傳感器、可吸入顆粒物傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、紫外線傳感器、電磁輻射傳感器這六種傳感器來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集。
2 系統(tǒng)工作原理和硬件組成
系統(tǒng)主要通過實(shí)時(shí)在線監(jiān)測六種指標(biāo)，即污染氣體濃度、粉塵顆粒物濃度、溫度、濕度、紫外線強(qiáng)度、電磁輻射強(qiáng)度。它可以進(jìn)行自動(dòng)數(shù)據(jù)采樣、處理和分析，得出當(dāng)前環(huán)境質(zhì)量中各個(gè)監(jiān)控指標(biāo)值，并可以根據(jù)當(dāng)前環(huán)境污染程度進(jìn)行預(yù)警，各個(gè)監(jiān)控指標(biāo)和分析數(shù)據(jù)直接通過LCD液晶顯示屏顯示。通過這個(gè)工作原理，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境質(zhì)量監(jiān)控指標(biāo)的數(shù)據(jù)采集、處理、預(yù)報(bào)、顯示，為有效監(jiān)控室內(nèi)環(huán)境狀況提供了科學(xué)依據(jù)。以下將對該環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中使用的各類傳感器進(jìn)行詳細(xì)的介紹：
2.1 空氣質(zhì)量傳感器
TGS2602空氣質(zhì)量傳感器是由集成的加熱器以及在氧化鋁基板上形成的金屬氧化物半導(dǎo)體構(gòu)成。當(dāng)空氣中的污染氣體存在時(shí)，該污染氣體的濃度越高，傳感器的電導(dǎo)率就越高。通過成熟的電子技術(shù)即可將該污染氣體的電導(dǎo)率的變化線性轉(zhuǎn)換為該污染氣體濃度的輸出信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了污染氣體濃度的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測。該傳感器正是基于這種電導(dǎo)率原理來實(shí)現(xiàn)環(huán)境中污染氣體濃度監(jiān)測的。該傳感器不僅對有毒有機(jī)揮發(fā)物、氨氣、硫化氫等有毒氣體有很高的靈敏度。傳感器是利用相對值檢知來實(shí)現(xiàn)更接近人類感覺的控制，它以純凈環(huán)境時(shí)候的電阻值為基準(zhǔn)，通過當(dāng)前傳感器的電阻值比純凈環(huán)境時(shí)的變化量來監(jiān)測當(dāng)前環(huán)境的污染程度。
2.2 可吸入顆粒物傳感器
DSM501顆粒物傳感器內(nèi)置加熱器，加熱器可以通過熱量使氣流上升而使外部環(huán)境進(jìn)入傳感器。采用光學(xué)原理，可以檢測1微米以上粒子，如香煙、灰塵、霉菌、花粉、孢子等顆粒物，采用粒子計(jì)數(shù)原理，PWM 脈寬調(diào)制輸出，以粒子計(jì)算器工作原理為基礎(chǔ)來監(jiān)測單位體積內(nèi)可吸入顆粒物的絕對個(gè)數(shù)。通過該傳感器，可以使準(zhǔn)確監(jiān)測出當(dāng)前環(huán)境顆粒物的數(shù)量，為環(huán)境質(zhì)量的預(yù)報(bào)提供科學(xué)依據(jù)。
2.3 溫度傳感器
DS18B20溫度傳感器可以放置在許多不同的地方，它能夠直接讀出被測物體的溫度，根據(jù)實(shí)際要求通過程序編程實(shí)現(xiàn)9到12位數(shù)字值的個(gè)性化設(shè)置。傳感器可以分別在93.75毫秒和750毫秒的時(shí)間內(nèi)完成9位和12位的數(shù)字量，數(shù)據(jù)總線可提供溫度變換功率，數(shù)據(jù)總線本身也可以向掛接的其他傳感器供電而不需要提供額外電源。通過使用溫度傳感器可以使整個(gè)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加合理和科學(xué)化，可靠性更高。同時(shí)，測溫精度、轉(zhuǎn)換時(shí)間、傳輸距離、分辨率等指標(biāo)理想，達(dá)到預(yù)期目的，可以用于大氣溫度實(shí)時(shí)在線監(jiān)測。
2.4 濕度傳感器
DHT22電容式濕度傳感器具有檢測速度快、精度高、可靠性高、穩(wěn)定性強(qiáng)、方便簡單和體積小等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)中進(jìn)行濕度監(jiān)測。電容式濕度傳感器是通過電容值不同，環(huán)境中濕度值不同的工作原理，電容值和濕度值的對應(yīng)關(guān)系來進(jìn)行環(huán)境濕度值輸出。由于單片機(jī)不能直接讀取傳感器的電容值，所以需要外接測量電路。因?yàn)閱纹瑱C(jī)內(nèi)有定時(shí)和計(jì)數(shù)器，可以進(jìn)行頻率測量，所以選用頻率輸出測量電路。通過以上方法，即可實(shí)現(xiàn)環(huán)境濕度的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測。
2.5 紫外線強(qiáng)度傳感器
紫外線強(qiáng)度傳感器是用于監(jiān)測電磁波譜中波長從100nm至400nm的輻射。紫外線按照其輻射波長的不同可以劃分成三個(gè)波段，這三個(gè)波段分別為：UV—A(315～400nm)，UV—B(280～315 nm)和UV—C(<280 nm)。大氣臭氧層可以吸收對UV—A，但是吸收量很少，所以UV—A可以直接到達(dá)地面；UV—B則和臭氧層變化緊密聯(lián)系，它會(huì)根據(jù)臭氧層的變化而變化，可以直接到底到達(dá)地面，對人體健康產(chǎn)生較大影響；UV—C則幾乎完全被臭氧層吸收，基本不到達(dá)地面。因此，對人體健康有重要影響的波段主要是UV—A和UV—B這兩個(gè)波段的紫外線輻射。紫外線強(qiáng)度傳感器則是通過光電模式監(jiān)測UV—A和UV—B這兩個(gè)波段來實(shí)現(xiàn)紫外線強(qiáng)度的監(jiān)測。
2.6 電磁輻射傳感器
電磁輻射傳感器的好壞直接影響電磁輻射信號(hào)的接收性能，因此，該傳感器的電氣參數(shù)是至關(guān)重要的，可以選擇適用于100 kHz～3 GHz頻率范圍的傳感器，通過采集電磁信號(hào)并進(jìn)行濾波和放大，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后分析得出當(dāng)前的電磁輻射強(qiáng)度。
3 分布式系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要分為中央控制系統(tǒng)和環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)。中央控制系統(tǒng)主要用于接收室內(nèi)各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)（比如房間、廚房、衛(wèi)生間等），采用外接LCD大屏幕液晶顯示，同時(shí)加入語音提示和預(yù)警功能。環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)采用無線傳輸模式實(shí)現(xiàn)與中央控制系統(tǒng)的交互，最大程度的避免了房間的布線，增加了系統(tǒng)的靈活性和靈活度。中央控制系統(tǒng)和環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)硬件上主要采用微型工作站，軟件上通過安裝操作系統(tǒng)和控制軟件來實(shí)現(xiàn)。微型工作站集LCD 顯示，工控CPU及計(jì)算機(jī)主板于一體，并具有工控儀表開關(guān)電源，同時(shí)安裝觸摸屏，具有較強(qiáng)的抗電磁干擾和低功耗特點(diǎn)。具體的硬件結(jié)構(gòu)如下：
結(jié)語
本系統(tǒng)借鑒了目前國內(nèi)外現(xiàn)有的環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)搭建的經(jīng)驗(yàn)，通過傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、處理、分析、顯示，向人們提供一套專業(yè)應(yīng)對室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測的設(shè)計(jì)方案。本系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)在線監(jiān)控環(huán)境中各個(gè)環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)值，對當(dāng)前環(huán)境質(zhì)量情況進(jìn)行及時(shí)預(yù)警。隨著民眾對綠色、環(huán)保、健康觀念的逐步增強(qiáng)，環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用將越來越受到人們的重視。
參考文獻(xiàn)
[1] 張毅剛．單片機(jī)原理及應(yīng)用．北京：高等教育出版社．2005
[2] 徐仁貴．單片微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)．北京：機(jī)械工業(yè)出版社．2001.2
[3] 張似玫. 單片微型計(jì)算機(jī)原理及接口技術(shù).北京:電子科學(xué)技術(shù)出版社，1993
[4] 康光華.陳大欽. 電子技術(shù)基礎(chǔ).高等教育出版社.1999.6
作者簡介
黃國偉；性別：男；學(xué)歷：大學(xué)本科；出生年月：1983-9-21；戶籍：廣東汕頭；
工作單位：廣東省建筑科學(xué)研究院；研究領(lǐng)域：建筑工程信息化建設(shè)；
