家庭環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器研究

王夢(mèng)秋

摘 要：本文分析了家庭環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器的分類與構(gòu)成、多種傳感器的集成、通信與電源的設(shè)計(jì)等內(nèi)容，重點(diǎn)分析了多種傳感器的集成和節(jié)能設(shè)計(jì)。通過以上分析，探索家庭環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器研發(fā)的要點(diǎn)，力求研發(fā)出具有集成程度高、實(shí)用性強(qiáng)、可靠性高、成本較低的家庭環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器，為家庭環(huán)境監(jiān)測(cè)的信息采集奠定良好的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：環(huán)境監(jiān)測(cè)；傳感器；研究

中圖分類號(hào)：TN929 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

一、研究背景

隨著現(xiàn)代社會(huì)的高速發(fā)展，人們對(duì)室內(nèi)環(huán)境要求越來越高，通風(fēng)、采光、溫度、濕度、氧氣、二氧化碳、一氧化碳、煤氣、PM2.5、裝修污染、放射性物質(zhì)等環(huán)境因素，希望能有比較良好的、更適合人居住的數(shù)值。但是目前，這些因素還只停留在人的感覺層面，沒有形成能夠探測(cè)的、能夠采集的具體的信息數(shù)據(jù)。即使如溫度、濕度等環(huán)境因素能夠進(jìn)行探測(cè)和采集，由于探測(cè)環(huán)境因素單一和不成體系，難有大范圍應(yīng)用。因此，研發(fā)探測(cè)環(huán)境因素多、集成度高、實(shí)用性強(qiáng)、可靠性高的家庭環(huán)境探測(cè)傳感器，尤其必要，且能大范圍使用。

二、環(huán)境因素分類

1.氣體類：氣體類的環(huán)境因素有氧氣、煤氣、二氧化碳、一氧化碳、甲醛等；

2.微粒類：微粒類環(huán)境因素有PM2.5、PM10、灰塵等；

3.固體類：固體類環(huán)境因素有放射線等；

4.設(shè)備類：設(shè)備類環(huán)境因素有水壓、電壓、燃?xì)鈿鈮旱龋?/p>

5.綜合類：綜合類環(huán)境因素有：溫度、濕度、大氣氣壓、通風(fēng)、采光等。

三、傳感器構(gòu)成

家庭環(huán)境探測(cè)傳感器由環(huán)境因素探測(cè)模塊、數(shù)字化轉(zhuǎn)換模塊、綜合控制模塊、顯示模塊、無線通信模塊、電源模塊等六大模塊組成。如圖1所示：傳感器構(gòu)成。

1.環(huán)境因素探測(cè)模塊

該模塊主要功能是對(duì)環(huán)境因素進(jìn)行探測(cè)，根據(jù)不同探測(cè)對(duì)象，采用不同的探測(cè)媒介。主要作用是將探測(cè)的環(huán)境對(duì)象轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，如溫度、濕度、氣壓、氧氣等環(huán)境因素，通過不同的感知媒介，將這些因素的波動(dòng)情況轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的波動(dòng)。

2.數(shù)字化轉(zhuǎn)換模塊

該模塊的功能是將環(huán)境因素波動(dòng)的電信號(hào)，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。

3.綜合控制模塊

該模塊對(duì)傳感器各大模塊進(jìn)行綜合控制，如提供時(shí)鐘、控制數(shù)據(jù)采集時(shí)間、通信方式、通信協(xié)議、數(shù)字化顯示、節(jié)電模式等。

4.顯示模塊

該模塊的功能是將轉(zhuǎn)換為數(shù)字的環(huán)境因素，在顯示屏上進(jìn)行顯示。

5.無線通信模塊

該模塊的功能是將采集到的環(huán)境因素?cái)?shù)字信號(hào)，通過無線通信方式向其他設(shè)備發(fā)送。

6.電源模塊

該模塊的功能是為傳感器提供穩(wěn)定可靠的電源，根據(jù)不同的電源類別（如干電池、充電電池、市電），提供不同的電源保護(hù)、過濾模式，避免電源電壓的波動(dòng)對(duì)傳感器探測(cè)數(shù)據(jù)的影響。

四、傳感器集成

根據(jù)家庭環(huán)境因素探測(cè)的類別和環(huán)境因素探測(cè)媒介，按照便于探測(cè)、便于集成、便于部署的原則，盡可能將多種探測(cè)媒介集成在一個(gè)傳感器上，以便于部署、降低成本、提高實(shí)用價(jià)值。如圖2所示，傳感器集成結(jié)構(gòu)圖，如：溫度、濕度、采光、通風(fēng)、大氣氣壓等5個(gè)環(huán)境因素可以集成在一個(gè)傳感器，主要部署在客廳和臥室，既便于部署、又降低了成本，與分別采用5個(gè)傳感器相比，實(shí)用性大幅增加。

氧氣、二氧化碳、一氧化碳、甲醛、PM2.5、PM10、放射線等因素可以集成在一起，主要部署在客廳和臥室；

煤氣、通風(fēng)等因素集成在一起，主要部署在廚房。

水壓、電壓、燃?xì)鈿鈮旱纫蛩?，只能用單?dú)的傳感器。

五、傳感器精度

每種傳感器，都有不同的數(shù)據(jù)采集精度，不同的精度，成本差異較大。對(duì)家庭環(huán)境探測(cè)傳感器的精度，根據(jù)探測(cè)因素的重要性，分別采用不同的精度值。

對(duì)有毒類因素，如煤氣、一氧化碳、二氧化碳等，采用較高的精度值。

對(duì)人們生活影響不大的因素，如采光、通風(fēng)、氧氣、氣壓，可以采用較低或一般的精度值，以降低成本。

六、可靠性與節(jié)能

1.可靠性

對(duì)環(huán)境因素探測(cè)傳感器，其自身穩(wěn)定運(yùn)行的環(huán)境有一定要求，可以根據(jù)不同地域的氣候特點(diǎn)研制不同型號(hào)的傳感器，以提高其適應(yīng)性和可靠性。

如針對(duì)南方溫度高、濕度大、海拔低的環(huán)境，研制與南方環(huán)境相適應(yīng)的傳感器；針對(duì)北方氣溫低、氣候干燥，研制適應(yīng)北方環(huán)境的傳感器；對(duì)海拔高、日照長(zhǎng)、空氣稀薄的高原地區(qū)，研制適應(yīng)于該環(huán)境的傳感器。

針對(duì)不同環(huán)境專門研制的傳感器，可靠性可以大幅提升。

2.節(jié)能性能

家庭環(huán)境探測(cè)，常采用多個(gè)傳感器，為便于部署，難以全部采用市電電源，往往采用干電池或充電電池，這類電池，很難保障對(duì)傳感器長(zhǎng)期持續(xù)地供電。為提升傳感器持續(xù)使用時(shí)間，必須提升傳感器的節(jié)能性能。一是硬件設(shè)備上，盡可能使用功耗小的設(shè)備，如貼片電阻、電容，以降低傳感器功耗；二是減少數(shù)據(jù)采集時(shí)間，根據(jù)不同環(huán)境因素，設(shè)置不同的數(shù)據(jù)采集時(shí)間；三是減少無線通信次數(shù)，根據(jù)設(shè)定的數(shù)據(jù)采集時(shí)間，只有在數(shù)據(jù)采集成功后才短時(shí)通信，其余時(shí)間，處于低功耗的節(jié)能狀態(tài)。

結(jié)語

綜上所述，家庭環(huán)境探測(cè)傳感器，是現(xiàn)代社會(huì)人們急切需要、技術(shù)上可以實(shí)現(xiàn)的傳感器，通過對(duì)各類環(huán)境探測(cè)因素的有機(jī)集成，進(jìn)一步降低傳感器的成本和部署難度，使家庭環(huán)境探測(cè)成為可以實(shí)現(xiàn)的一種方便、實(shí)用的環(huán)境因素探測(cè)設(shè)備，能夠大范圍在普通家庭使用。這種傳感器的使用，能夠改變家庭環(huán)境因素不可見、難以探測(cè)的現(xiàn)狀，能夠?yàn)槿藗兘ㄔO(shè)美好的家庭環(huán)境提供有效的探測(cè)工具。

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