基于ZigBee的室內(nèi)空氣質(zhì)量感知系統(tǒng)的設(shè)計

葉 貴,張林靜

(安徽警官職業(yè)學院 信息管理系，合肥 230031)

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，誕生了各種應用產(chǎn)品應用在人們的日常生活中?，F(xiàn)在社會中出現(xiàn)了很多關(guān)于智能家居的產(chǎn)品，其中包括了各種家電，常見的有智能電視、音響、空調(diào)、冰箱、電燈等，都會給我們帶來很多的便利。根據(jù)調(diào)查顯示，人們每天在室內(nèi)的生活時間，大概占到一天總時間的90%以上。根據(jù)世界衛(wèi)生組織報告，人類感染疾病與室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量有密切相關(guān)。文獻[1]研究，發(fā)現(xiàn)了關(guān)于室內(nèi)環(huán)境的污染源預測，室內(nèi)環(huán)境對人們身體健康影響極大，因此對室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量的研究具有重要意義。該系統(tǒng)是一款智能硬件設(shè)備，采集數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)的融合與分析，利用無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的部署到室內(nèi)，并通過傳感器采集室內(nèi)的環(huán)境物理信息[2-3]，進而對數(shù)據(jù)進行相應的處理和分析，最后可以實時得出室內(nèi)環(huán)境的動態(tài)變化情況，并且可以預測出一天中每個時間段的環(huán)境信息的變化情況，并將其分析結(jié)果實時反饋給用戶，提醒用戶當前的室內(nèi)環(huán)境狀況。很好地給用戶掌握室內(nèi)環(huán)境的各物理信息的指標，從而極大地提高了室內(nèi)的環(huán)境質(zhì)量[4-7]，保證了人們的身體健康。

實時獲取室內(nèi)環(huán)境信息，并對得到的多元數(shù)據(jù)進行融合處理并通過多元線性回歸算法分析和預測，將當前的室內(nèi)環(huán)境空氣質(zhì)量實時顯示給用戶，從而大大降低了室內(nèi)環(huán)境對人們造成的身體危害程度，保證了人們在室內(nèi)有一個舒適健康的環(huán)境指標。因此，對該課題的研究具有重要的意義。

1 系統(tǒng)架構(gòu)與原理

該系統(tǒng)的設(shè)計主要包括3部分：無線傳感器節(jié)點、協(xié)調(diào)器和多元數(shù)據(jù)融合算法模塊。該系統(tǒng)的設(shè)計系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)采用ZigBee無線通信技術(shù)用于系統(tǒng)的組網(wǎng)和通信基礎(chǔ)，并利用各類傳感器進行室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集，將各類數(shù)據(jù)經(jīng)過無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器，最后傳回到云端，在云端進行數(shù)據(jù)處理和多元數(shù)據(jù)的融合，將幾種數(shù)據(jù)進行融合分析，最終得到對室內(nèi)環(huán)境的評價指標。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

通過與藍牙、wifi等相關(guān)的無線通信技術(shù)對比，選擇ZigBee做為本系統(tǒng)的設(shè)計基礎(chǔ)，因為其具有以下幾種優(yōu)點：

1)抗干擾力強：采用基于IEEE802.15.4的通信協(xié)議，ZigBee收發(fā)模塊使用的是2.4G直序擴頻技術(shù)，具有更好的抗干擾能力；

2)傳輸距離：傳輸距離相對于藍牙和wifi具有較遠點的距離；

3)低功耗：無線模塊自動每隔一段時間，如果沒有收到網(wǎng)關(guān)指令，就進入休眠狀態(tài)；

4)組網(wǎng)靈活：ZigBee是自組網(wǎng)方式進行組網(wǎng)，可以是樹狀、網(wǎng)狀、星狀不同形式；

5)傳輸速度快：ZigBee傳輸數(shù)據(jù)主要是采用短幀傳送方式，因此，傳輸數(shù)據(jù)速度快，實時性強；

6)魯棒性高：ZigBee組網(wǎng)容易且靈活，如果某一個節(jié)點斷電或損壞，整個網(wǎng)絡可以自動恢復組網(wǎng)方式。

該系統(tǒng)主要分為無線傳感器節(jié)點、協(xié)調(diào)器、數(shù)據(jù)融合3部分。

1)無線傳感器終端節(jié)點：該無線傳感器節(jié)點采用開源的ZigBee通信技術(shù)[8]，并使用是德州儀器的Z-Stack半開源的協(xié)議棧[12-14]，對其應用層進行相應的開發(fā)，我們知道ZigBee具有一些優(yōu)點，其中包括傳輸距離遠、低功耗、節(jié)點的組網(wǎng)靈活。其中傳感器包括了PM2.5傳感器、VOCs傳感器及DHT11溫濕度傳感器。這些傳感器都與終端相連，并由終端的CC2530芯片對其進行控制。PM2.5傳感器采集室內(nèi)的細微顆粒的濃度。

VOCs傳感器是采集室內(nèi)有機氣體的濃度；溫濕度采集室內(nèi)溫度和濕度情況。該CC2530芯片對和傳感器的連接方式[9-11]如圖2所示。

圖2 節(jié)點硬件示意圖

2)協(xié)調(diào)器：協(xié)調(diào)器是系統(tǒng)的無線通信網(wǎng)絡模塊的核心，主要是傳輸數(shù)據(jù)和組網(wǎng)的紐帶，其組網(wǎng)采用了星型網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，有4個終端與一個協(xié)調(diào)器進行組網(wǎng)。并將獲取到的數(shù)據(jù)通過協(xié)調(diào)器和串口線與電腦端的用戶軟件通信，而無線傳感器節(jié)點的終端都是采用ZigBee無線通信技術(shù)進行通信。在這里，協(xié)調(diào)器啟動必須首先啟動，進而各個終端部分開始啟動，只用這種方式，系統(tǒng)的組網(wǎng)才是成功的，不然會失敗，這是由ZigBee通信協(xié)議所決定。

多元數(shù)據(jù)融合：將4類傳感器采集的數(shù)據(jù)進行融合得到結(jié)果。本文考慮到系統(tǒng)的實時性和有效性采用多元線性回歸算法對數(shù)據(jù)進行建模，并對數(shù)據(jù)進行預測和判別不同顯著性因素的影響。

另一方面，將數(shù)據(jù)進行有效分析處理的用戶軟件界面應用。其中驅(qū)動應用軟件，是對CC2530芯片與傳感器的相關(guān)應用，其中包括對傳感器的控制和數(shù)據(jù)采集的邏輯業(yè)務軟件。還包括對Z-Stack協(xié)議棧的開發(fā)，主要是負責對數(shù)據(jù)的發(fā)送和接受相關(guān)業(yè)務應用的軟件。

本系統(tǒng)主要是采集室內(nèi)4個地方的環(huán)境，分別是客廳、臥室、廚房和衛(wèi)生間，每個場地部署若干個無線傳感器終端節(jié)點進行室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集。

2 系統(tǒng)硬件與軟件算法設(shè)計

本章主要對系統(tǒng)的硬件和軟件以及在多元數(shù)據(jù)融合3個方面進行詳細地說明。首先，系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要描述該系統(tǒng)采用的硬件類型，何如設(shè)計和工作；其次，軟件設(shè)計是實現(xiàn)該工程的應用，包括通信協(xié)議棧的使用和傳感器的程序設(shè)計；最后，多元數(shù)據(jù)融合算法本文從多元線性回歸算法[15-19]詳細介紹。

2.1 硬件模塊設(shè)計

系統(tǒng)為了組網(wǎng)靈活和低功耗等特點，選擇使用ZigBee無線通信技術(shù)作為該系統(tǒng)的通信基礎(chǔ)平臺，由于目前ZigBee應用在很多無線傳感器網(wǎng)絡的應用領(lǐng)域中，有著很好的穩(wěn)定性和魯棒性。該系統(tǒng)是采用德州儀器公司生產(chǎn)的CC2530的微控制器作為該系統(tǒng)的主芯片。同時，利用Z-Stack半開源協(xié)議棧，進行有效地開發(fā)相應的應用程序代碼，并且可以熟悉掌握該通信技術(shù)的方式。根據(jù)CC2530芯片手冊，對其進行開發(fā)和外圍電路的設(shè)計。該芯片是8-bit微控制器采用的類型是CC2530F256，它是8051內(nèi)核，具有flash存儲為256 KB,RAM為8 KB的容量。

該無線傳感器節(jié)點的硬件設(shè)計如圖3所示，其中包括了主控制單元CC2530、時鐘電路、電源電路、外圍設(shè)備電路(提供傳感器使用的IO端口)等。

圖3 硬件設(shè)計示意圖

室內(nèi)環(huán)境的物理信息采集通過不同種類的傳感器，每一種傳感器都是連接到CC2530控制板的GPIO(general-purpose input/output)。通過主控芯片來控制各類傳感器的工作、數(shù)據(jù)采集、傳輸。對于采集到的不同數(shù)據(jù)進行對應的編碼格式，通過Z-stack協(xié)議進行傳輸。TJAG (joint test action group)接口模塊是為了給主控芯片下載和調(diào)試程序使用。時鐘電路模塊是為了讓單片機按照一定頻率進行工作。電源電路則是為了讓每一個模塊提供電力，不同模塊需要的電路是不一樣的，有的需要3.3 V的電壓供電，有的需要5 V電壓供電。這些電壓都是通過穩(wěn)壓芯片進行穩(wěn)壓后才為后續(xù)的每個模塊使用。傳感器模塊這部門是按照不同類型的傳感器進行與主控板的GPIO端口進行連接，以及根據(jù)具體需要提供不同的電源。

2.2 軟件模塊設(shè)計

利用ZigBee無線通信技術(shù)原理和傳感器技術(shù)，對室內(nèi)的環(huán)境信息進行采集，并將獲取的數(shù)據(jù)進行有效的分析。軟件設(shè)計主要是利用ZigBee通信技術(shù)的Z-stack通信協(xié)議棧完成的，在該協(xié)議棧中，開發(fā)出屬于本系統(tǒng)的應用功能模塊，就可以完成整個系統(tǒng)的功能。主要是對不同傳感的的初始化和采集數(shù)據(jù)以及控制其采集編碼方式等。軟件的整個偽代碼如下所示：

相關(guān)軟件實現(xiàn)的偽代碼

PROCEDUER BeginHW_INIT();Sensor_Init();While(true) doSample_APP();Z_stack_Func();AF_DataRequest();zb_SendDataRequest ();End while;End;

CC2530主控板單片機的通信應用類軟件是采用IAR工具進行程序編寫、編譯、調(diào)試、燒錄的。主要是在Z-stack通信協(xié)議棧進行的應用程序的開發(fā)，其中就包括各種傳感器的初始化、數(shù)據(jù)采集的相關(guān)代碼的實現(xiàn)，最終由協(xié)議棧完成數(shù)據(jù)的路由與發(fā)送到協(xié)調(diào)器，然后協(xié)調(diào)器連接到電腦端，通過串口進行傳輸采集到的數(shù)據(jù)。

此外，還有另外一部分軟件是對數(shù)據(jù)處理、分析以及訓練的代碼，該部分的代碼在后序進行詳細介紹。

2.3 多元線性回歸算法

對于n維特征的樣本數(shù)據(jù)，使用多元線性回歸，那么對應的模型可以用公式(1)的形式表示:

Hθ(x1,x2,…,xn)=θ0+θ1x1+θ2x2+…+θnxn

(1)

可以把公式(1)簡寫成下公式(2):

(2)

其中：x0=1。對于樣本采集的數(shù)據(jù)可以用矩陣X表示維度為m×n，參數(shù)θ表示維度為n×1，則公式(1)可以采用Hθ(X)=X*θ代替。在使用該模型的時候，其損失函數(shù)一般采用均方誤差作為損失函數(shù)，這樣可以有效地求解出模型的最優(yōu)解。

損失函數(shù)可以用公式(3)表示:

(3)

同理，可以將公式(3)表示為矩陣的形式，如公式(4)所示:

(4)

在計算最優(yōu)解采用梯度下降法或者采用最小二乘法來求解多元線性回歸的解，梯度下降法其優(yōu)化函數(shù)如公式(5)表示:

θt+1=θt-αXT(θX-Y)

(5)

其中:α為學習步長也被稱為學習率。最小二乘法優(yōu)化函數(shù)如公式(6)表示:

θ=(XTX)-1(XT-Y)

(6)

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 實驗平臺部署和數(shù)據(jù)采集

通過4類不同的傳感器對室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)采集，分別采集溫度、濕度、PM2.5、VOCs 共4種不同的室內(nèi)空氣環(huán)境的數(shù)據(jù)信息。實驗地點分別在客廳、臥室、廚房和衛(wèi)生間，各放置3個無線傳感器終端節(jié)點，每一個終端節(jié)點都具備4種物理信息的采集、發(fā)送功能，經(jīng)過一個月時間的采集收集，并對數(shù)據(jù)進行有效的分析處理。同時，采用多元線性回歸算法對數(shù)據(jù)進行擬合，求出最優(yōu)解，最終可以得出多元線性回歸模型并預測得到室內(nèi)環(huán)境的信息。

對于數(shù)據(jù)的采集如圖4所示，分別是客廳、臥室、廚房、衛(wèi)生間的平均值的分布，每20分鐘采樣記錄一次當前的數(shù)據(jù)。圖中顯示的是計算的是每小時內(nèi)采集的3次的平均值，再對室內(nèi)的每個位置的3個終端節(jié)點采集的溫度、濕度、PM2.5、VOCs的數(shù)值平均。

由圖4可以觀察到，其中廚房的VOCs的指標變化幅度比較大，對于衛(wèi)生間的濕度變化且平均值較高，臥室的溫度較穩(wěn)平穩(wěn)，客廳的各項指標都有所變化。這些指標也正說明了人們生活在室內(nèi)的生活習慣。做飯時廚房的VOCs和PM2.5指標會明顯增加，使用衛(wèi)生間時其濕度變化就會較為明顯。

圖4 不同場所的各項指標的均值分布

3.2 實驗平臺部署和數(shù)據(jù)采集

本文通過設(shè)計一套無線傳感器網(wǎng)絡的系統(tǒng)，對室內(nèi)的各個位置的室內(nèi)物理信息的采集進行數(shù)據(jù)分析，通過多元線性回歸算法對室內(nèi)的環(huán)境變化進行模型的搭建和訓練，得到的模型可以預測出室內(nèi)各項指標的情況。

在數(shù)據(jù)分析過程中，系統(tǒng)主要是采用機器學習框架Scikit-learn包[20-22]，并使用python語言實現(xiàn)代碼。其中對于室內(nèi)不同的位置進行了不同的多元線性回歸的模型構(gòu)建，最后將整個室內(nèi)的數(shù)據(jù)進行多元線性回歸算法的模型構(gòu)建。

多元線性回歸的模型構(gòu)建過程，將不同時間段作為預測用Y表示,各項指標的在不同時間段內(nèi)的平均值用X表示,這樣就可以采用多元線性回歸模型進行有效的構(gòu)建，其中在一個月中的數(shù)據(jù)很多是噪聲數(shù)據(jù)和冗余數(shù)據(jù)，因此在數(shù)據(jù)處理之前做一些數(shù)據(jù)預處理的過程采用歸一化處理，這里采用Z-score標準化的方法，可以使得模型學習的收斂速度更快，并提高精度。在使用機器學習框架Scikit-learn包中，用到的主要工具包接口進行簡單介紹如表1所示。

表1 Scikit-learn框架接口

由表1可以看到，在使用Scikit-learn工具包使用主要用到了兩個API (application programming interface)。其中，用到的一個是train_test_split接口，這是將數(shù)據(jù)分割為訓練集和測試集兩個部分，這里的test_size參數(shù)是測試的所占的比例，這里設(shè)為0.1，則說明測試集數(shù)據(jù)占10%。另一個接口是LinearRegression線性回歸，是為了后面數(shù)據(jù)進行模型的學習。linereg.fit()接口是用來模型訓練的。linereg.predict()接口是用來模型測試。

無線傳感器節(jié)點的部署在4個位置的數(shù)據(jù)進行多元線性回歸擬合，采集得到的不同時間的各項指標的顯著性權(quán)重和RMSE均方根誤差，如表2所示。

表2 不同位置的各項指標通過多元線性回歸得到的 顯著性參數(shù)和擬合出的RMSE

根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)進程數(shù)據(jù)處理、訓練，得到對應的模型，用模型進行相應的測試，采用均方根誤差作為模型的評價指標。

根據(jù)多元線性回歸擬合得到的結(jié)果在表3中可以看到，各項均方根誤差都是5%以下，同時也得到各項指標的顯著度因子權(quán)重大小的值。

整個室內(nèi)環(huán)境的變化可以將所有數(shù)據(jù)合并一起再進行多元線性回歸的擬合得到如圖5所示，每項指標所得到的分類決策平面。

圖5 各項指標的分類決策面

實驗最終得到的結(jié)果如圖6所示，通過一個月時間的系統(tǒng)部署所采集的數(shù)據(jù)。將無線傳感器節(jié)點部署在室內(nèi)的4個地方進行采集和實驗，對數(shù)據(jù)進行清洗、整理、處理、訓練、最終得到的多元線性回歸模型用來做預測，得到的預測值與真實值的擬合結(jié)果是比較接近，因此本系統(tǒng)的方法適用于室內(nèi)環(huán)境指標的預測。

圖6 擬合得到的預測值結(jié)果

通過得到的模型應用于該系統(tǒng)。將無線傳感器節(jié)點部署在室內(nèi)4個場所，并采集的空氣環(huán)境的各項物理信息進行預測處理，得到的結(jié)果與實際采集到的數(shù)值進行對比，能夠較好地對室內(nèi)各項空氣指標的預測。

4 結(jié)束語

該系統(tǒng)采用無傳感器節(jié)點對室內(nèi)空氣環(huán)境的四類重要指標進行數(shù)據(jù)采集，并采用多元線性回歸算法對數(shù)據(jù)進行分析和擬合。該系統(tǒng)是自組網(wǎng)，低功耗，同時具有較好的穩(wěn)定性和魯棒性，并且系統(tǒng)的組網(wǎng)方式多樣，具有自組網(wǎng)能力，傳輸距離遠、體積小、方便使用的優(yōu)點。

該系統(tǒng)可以實時獲取室內(nèi)多種物理信息，并能夠可視化地展現(xiàn)出來，能夠智能化的提醒用戶，某項環(huán)境信息不達標。通過多元線性回歸算法擬合得到的RMSE最大為0.049 5，所有采用該方法能夠很好地擬合出室內(nèi)的各項因素的預測。