基于無線傳感網(wǎng)的室內(nèi)安全環(huán)保監(jiān)控系統(tǒng)

1 概述

近年來，一種被稱為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)新型網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)了，這種網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)具有計(jì)算處理、無線通信、傳感或控制能力的單節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。無線傳感網(wǎng)的提出為許多應(yīng)用提供了支持，如溫室無線測控網(wǎng)絡(luò)信息采集分系統(tǒng)通過在溫室大棚部署具有自組網(wǎng)傳輸能力的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了溫室信息采集的自動(dòng)控制。智能樓宇借助無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)一棟大廈的溫度、空氣、濕度等信息進(jìn)行監(jiān)控，可以顯著的提高居住者的舒適程度，并減小能耗。

本文中在傳統(tǒng)的基于無線傳感網(wǎng)的智能樓宇的基礎(chǔ)上，提出了一種基于無線傳感網(wǎng)的室內(nèi)安全環(huán)保監(jiān)控系統(tǒng)， 該系統(tǒng)能夠檢測居室內(nèi)的空氣質(zhì)量、溫濕度、漏水、漏氣和火警信息，與以往的智能樓宇相比，增加了對(duì)這些信息的處理，可以避免災(zāi)難的惡化， 同時(shí)系統(tǒng)采用了室內(nèi)無線傳感網(wǎng)和廣域無線網(wǎng)結(jié)合的方式用于信息傳遞和控制， 基于FPGA 的控制器有利于未來更好的降低功耗和成本。

文中的第二部分為系統(tǒng)框架介紹， 第三部分為系統(tǒng)中采用的微處理器和無線收發(fā)機(jī)介紹， 第四部分為系統(tǒng)中采用的傳感器，第五部分為執(zhí)行器介紹，第六部分為系統(tǒng)操作流程，第七部分為小結(jié)。

2 系統(tǒng)框架

如下圖1（a）圖所示，傳感器節(jié)點(diǎn)采集信號(hào)通過空中無線接口傳輸?shù)娇偪兀偪貙⑿畔鬏數(shù)竭h(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)，并分析處理。圖1（d）中各傳感器節(jié)點(diǎn)采集傳感器信息，為了減少功耗，節(jié)省體積，采用的傳感器均為集成式傳感器， 一個(gè)傳感器可以采集多個(gè)同類信號(hào)， 傳感器采集信息后， 低功耗微控制器將采集信號(hào)通過NRF2401 向總控部分傳輸。圖1（b）中總控部分激活傳感器節(jié)點(diǎn)采集信號(hào)，并集中分析處理，將融合信息通過無線或有線方式傳到遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)，將遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)或總控部分分析的處理意見，控制圖1（c）中執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)的處理。執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)收到相關(guān)控制指令，控制相關(guān)設(shè)備進(jìn)行處理。

3 微處理器和無線收發(fā)機(jī)

（1）微處理器

在無線傳感網(wǎng)中微控制器的選擇有ASIC、FPGA 和MCU三種方式。本系統(tǒng)中采用了低成本、體積小且與51 兼容的微處理器AT89C2051,該處理器帶2k 程序存儲(chǔ)器和128 字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，供電電壓可低至2.7V,具有激活和空閑兩個(gè)模式，激活模式下工作電流可低至約2mA（工作頻率和電壓升高時(shí)，工作電流增大）。

總控部分采用Cyclone 系列的EP1C3T144C8,Cyclone 系列FPGA 是Altera 公司于2003 年推出的基于0.13um 工藝的中規(guī)模FPGA,采用3.3 伏IO、1.5 伏內(nèi)核供電，靜態(tài)功耗可低至mW。

通過嵌入NIOSII 軟核以實(shí)現(xiàn)處理器控制功能和嵌入UART 軟核以實(shí)現(xiàn)對(duì)外網(wǎng)通信模塊的功能。由于FPGA 具有在線配置功能，因此方便系統(tǒng)適用于其他環(huán)境。

（2）無線收發(fā)機(jī)

系統(tǒng)與外網(wǎng)的通信采用華為GTM900 通信模塊， 嵌入式系統(tǒng)通過UART 串口發(fā)送AT 指令實(shí)現(xiàn)短信收發(fā)， 以向遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)傳輸信息，當(dāng)遠(yuǎn)端需要測控居室各測試點(diǎn)完整信息時(shí)，通過PPP建立通信鏈路后將所有節(jié)點(diǎn)信息通過Internet 傳輸?shù)竭h(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)內(nèi)部無線傳感網(wǎng)采用nRF2401 作為收發(fā)機(jī)，其工作頻率為2.4-2.5GHZ ISM 頻段， 供電可低至1.9V,-5dBm 輸出功率時(shí)的典型峰值電流為10.5mA, 在空閑模式下工作電流可低至12uA,傳輸速率可達(dá)到1Mbps,因此完全可以滿足無線傳感網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸和低功耗、低體積的要求。nRF2401 的無障礙傳輸距離可以達(dá)到100 米，有障礙傳輸距離為40 米，且有125 個(gè)頻道，因此也能滿足室內(nèi)監(jiān)控距離和節(jié)點(diǎn)數(shù)的要求。若傳輸距離不足，可以采用多跳方式。由于室內(nèi)信息采集的采集點(diǎn)固定，因此采用固定編址的方式。

4 傳感器

沒有傳感器和執(zhí)行器，無線傳感網(wǎng)就成為空中樓閣。在圖1的框圖中， 本系統(tǒng)主要采用的傳感器包含測量空氣質(zhì)量、溫濕度、漏水、漏氣和火警的五部分。

（1）漏氣測量傳感節(jié)點(diǎn)。

MQ-2 型氣敏元件對(duì)不同種類、不同濃度的氣體有不同的電阻值，可以測量空氣中的液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氫氣等氣體。以下節(jié)點(diǎn)采用圖2 類似結(jié)構(gòu)。

圖2 漏氣測量傳感節(jié)點(diǎn)

（2）漏水測量傳感節(jié)點(diǎn)。

漏水傳感器采用JS-DX 線纜式浸水傳感器，該傳感器交流激勵(lì)一條緊貼地面安裝的兩芯導(dǎo)電橡膠密封包裹的電線， 線纜某處遇水，兩芯電纜之間阻抗發(fā)生變化，參考靈敏度設(shè)置程度，給出警告。傳感器設(shè)置四檔靈敏度，用來檢測不同的漏水程度。

（3）火警測量傳感節(jié)點(diǎn)。

通過離子式煙霧傳感器NIS-05A 以探測火災(zāi)事故中的煙霧，香煙煙霧或者房子中的灰塵等。因?yàn)闃O小的電流功耗，所以此傳感器普遍應(yīng)用于帶電池驅(qū)動(dòng)的煙霧傳感器。當(dāng)煙霧進(jìn)入傳感器內(nèi)室的時(shí)候，對(duì)煙塵密度的輸出電壓比例降低，調(diào)節(jié)輸出電壓就可以探測到煙霧。

（4）空氣質(zhì)量測量傳感器節(jié)點(diǎn)。

國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T18883-2002 中對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量提出要求。

本傳感器節(jié)點(diǎn)采用的傳感器是QS-01,它對(duì)各種空氣污染源（甲醛、苯、甲苯、香煙（HC）、酒精、一氧化碳）都有很高的靈敏度。阻值越小表明空氣的質(zhì)量越差。

（5）溫濕度測量傳感器節(jié)點(diǎn)。

系統(tǒng)采用SHT11 溫濕度一體式傳感器，它可以測量相對(duì)濕度、溫度和露點(diǎn)。測量相對(duì)濕度的范圍是0~100%,分辨力高達(dá)0.03%RH, 最高精度為±2%RH.測量溫度的范圍是-40℃~+123.8℃， 分辨力為0.1℃。測量電流為550uA, 休眠狀態(tài)下為0.3uA.

5 執(zhí)行器

（1）溫濕度的控制。

根據(jù)國標(biāo)GB/T18883-2002,將溫濕度的控制范圍分別設(shè)定在22℃-28℃和40%-80%.在此范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)將被視為是合適的數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)回傳以控制電器的開關(guān)，分別為加熱、降溫、增濕、降濕。

（2）空氣質(zhì)量的控制。

空氣質(zhì)量的好壞是有當(dāng)前值與標(biāo)準(zhǔn)值的比值的大小來確定的，比值越小表明空氣的質(zhì)量越差，設(shè)定通過空氣流通來改善空氣質(zhì)量，因此根據(jù)傳感器推薦的三個(gè)值0.87,0.74,0.63 分別為風(fēng)扇的低中高三檔的啟動(dòng)值，這樣同樣有四個(gè)信號(hào)需要傳回，分別為風(fēng)扇開啟信號(hào)、低檔、中檔、高檔。

（3）漏水控制。

收到浸水信號(hào)，就啟動(dòng)無線收發(fā)模塊nRF2401 將漏水信號(hào)發(fā)送給漏水報(bào)警模塊。在接收到漏水報(bào)警模塊回復(fù)信號(hào)后，啟動(dòng)漏水閥門關(guān)閉信號(hào)將漏水閥門進(jìn)行關(guān)閉并且進(jìn)行報(bào)警顯示。

（4）火警和漏氣控制。

報(bào)警模塊包括發(fā)光二極管報(bào)警、蜂鳴器報(bào)警、繼電器報(bào)警和短信報(bào)警。聲光報(bào)警可以很直觀的反映室內(nèi)火災(zāi)， 漏氣的信息，而通過繼電器可以達(dá)到控制滅火器、關(guān)氣門、開窗戶等動(dòng)作。

短信報(bào)警可以由總控啟動(dòng)GSM 模塊發(fā)送短信給住戶，以采取相應(yīng)的措施。

6 控制流程

如上圖3 所示，主控采取輪詢的方式，采集個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)信息，對(duì)于每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)最多呼叫M 次，共有N 個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)。

傳感器節(jié)點(diǎn)和執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)當(dāng)收到呼叫信息后進(jìn)行信息采集或控制輸出，否則進(jìn)入低功耗的接收狀態(tài)。

系統(tǒng)中，采集節(jié)點(diǎn)僅僅負(fù)責(zé)信息的采集和傳輸，信息的處理均由總控完成，這種結(jié)構(gòu)有利于減輕采集節(jié)點(diǎn)的功耗和成本，有利于采集節(jié)點(diǎn)的大范圍使用。

7 小結(jié)

文中設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于無線傳感網(wǎng)的室內(nèi)安全環(huán)保監(jiān)控系統(tǒng)， 并驗(yàn)證了其可行性。該系統(tǒng)的推廣和應(yīng)用將有效的改善現(xiàn)代居室環(huán)境，以實(shí)現(xiàn)真正的智能樓宇，同時(shí)該系統(tǒng)也是無線傳感網(wǎng)技術(shù)的有效驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn):

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