面向智能家居的多源污染源監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)研究

王軍茹，郝新月，2，王軍平

（1.北京信息科技大學(xué) 自動化學(xué)院，北京100192；2.中國軟件與技術(shù)服務(wù)有限公司，北京102200；3.中國科學(xué)院 自動化研究所，北京100190）

0 引 言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等快速發(fā)展，人們對居住環(huán)境的要求越來越高，通過智能家居系統(tǒng)建立環(huán)境的污染源監(jiān)測和預(yù)警體系，對居室環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測、預(yù)警、控制和改善至關(guān)重要。

目前智能家居行業(yè)存在著價格昂貴、標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一的問題，并且智能家居環(huán)境監(jiān)測大多側(cè)重于空氣質(zhì)量監(jiān)測[1-4]，對噪聲和水質(zhì)的綜合監(jiān)測和預(yù)警的研究較少。鑒于此，本文從智能家居居室環(huán)境綜合因素考慮，對家居多污染源進(jìn)行檢測，以快速、準(zhǔn)確地顯示污染狀況和進(jìn)行預(yù)警；同時根據(jù)空氣污染、噪聲污染和水污染的狀況，對居室環(huán)境質(zhì)量綜合等級進(jìn)行分析和判斷。

1 監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本文是以智能家居為載體，51單片機(jī)作為控制器，通過空氣探測傳感器、噪聲傳感器和水質(zhì)檢測傳感器采集環(huán)境污染數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，完成對智能家居空氣質(zhì)量、噪聲、水質(zhì)等多源污染源的監(jiān)測和預(yù)警。該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)方法，包括輸入模塊、控制模塊和輸出模塊。系統(tǒng)通過傳感器將現(xiàn)場檢測到的空氣污染度、噪聲、水濁度這些非電量參數(shù)轉(zhuǎn)化為電信號，通過調(diào)理、放大、濾波和A/D轉(zhuǎn)換后送單片機(jī)處理，一方面將實(shí)測值進(jìn)行顯示；另一方面當(dāng)測量值超過報警閾值時進(jìn)行聲光報警；第三方面，通過串口將數(shù)據(jù)送給上位機(jī)進(jìn)行多污染源數(shù)據(jù)分析和處理，進(jìn)一步確定污染等級。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件包括單片機(jī)控制模塊、系統(tǒng)輸入模塊、系統(tǒng)輸出模塊和電源模塊，其中系統(tǒng)輸入模塊包括按鍵控制模塊、數(shù)據(jù)采集和A/D轉(zhuǎn)換模塊；系統(tǒng)輸出模塊包括顯示模塊、報警模塊和串口通信模塊。

2.1 單片機(jī)控制模塊

本設(shè)計(jì)采用STC89C52作為主控器，完成整個系統(tǒng)各功能模塊的協(xié)調(diào)調(diào)度。具體接口設(shè)計(jì)如下：

1）P0口連接LCD顯示器數(shù)據(jù)端口，傳輸顯示的數(shù)據(jù)。

2）P1口的P1.0～P1.2連接3個按鍵，用來設(shè)定污染參數(shù)報警閾值；P1.3～P1.6連接4個指示燈，指示不同參數(shù)報警；P1.7連接AD1的信號輸入輸出端。

3）P2口的P2.0連接蜂鳴器；P2.5～P2.7連接LCD顯示器的3個控制信號。

4）P3口的P3.0/RXD和P3.1/TXD為 串口 線，同 時作為下載線；P3.2～P3.7連接傳感器和A/D轉(zhuǎn)換器。

單片機(jī)各個引腳詳細(xì)設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 單片機(jī)引腳及其對應(yīng)功能

2.2 系統(tǒng)輸入模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)輸入模塊包括按鍵控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和A/D轉(zhuǎn)換模塊。

2.2.1 按鍵控制模塊

系統(tǒng)采用“選擇”“+”“-”三個按鍵對空氣污染物濃度、噪聲、水濁度等參數(shù)閾值進(jìn)行設(shè)定，按下“選擇”鍵選擇不同設(shè)定參數(shù)，按下“+”鍵和“-”鍵對閾值進(jìn)行“遞增”和“遞減”處理。設(shè)計(jì)采用四腳按鍵，未按下時管腳兩兩導(dǎo)通，按下時4個管腳互相導(dǎo)通，按下后會自動抬起，信號電平變換一次。設(shè)計(jì)時2個連通引腳接地，另外2個引腳接單片機(jī)。

2.2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊完成對空氣污染物濃度、噪聲、水濁度等各個參數(shù)的實(shí)時檢測。

1）空氣質(zhì)量檢測

空氣質(zhì)量檢測包括可吸入顆粒物探測和CO濃度探測。

可吸入顆粒物探測使用ZPH01型PM2.5探測器。該探測器內(nèi)部對角安放紅外線發(fā)光二極管和光電晶體管，其光軸相交，當(dāng)氣流通過光軸交叉區(qū)域，其中粉塵對紅外光反射，反射光強(qiáng)與灰塵濃度成正比，輸出兩個不同的脈寬調(diào)制信號（PWM）區(qū)分不同灰塵濃度。工作電壓為5 V直流電，上電后需要先進(jìn)行預(yù)熱。設(shè)計(jì)中ZPH01的輸出腳與單片機(jī)連接。

CO濃度探測使用MQ-7型CO傳感器，由氣敏元件SnO2制成。當(dāng)探測到空氣中存在CO時，其電導(dǎo)率會隨CO濃度的上升而變大[5-6]。通過處理電路，將電導(dǎo)率的變化反映為輸出電壓的變化，根據(jù)輸出電壓值推算CO濃度大小[7]。傳感器采用5 V直流供電，模擬量輸出電壓0～5 V，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送單片機(jī)處理。

2）噪聲檢測

噪聲檢測使用分貝傳感器，其含有一個對聲音敏感的電容式聽筒，經(jīng)過電場駐極。有聲音時，電容式聽筒的駐極體振動膜發(fā)生振動，電容兩端電場發(fā)生變化，檢測電容兩端電壓值可以檢測是否存在聲音以及聲音高低[8]。傳感器采用5 V直流供電，輸出電壓為0～3.3 V，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送單片機(jī)處理。

3）水濁度檢測

水濁度檢測使用TSW-30型水濁度傳感器，對水中泥沙、有機(jī)及懸浮物造成的水濁度進(jìn)行測定。其中有一個紅外對管，當(dāng)水渾濁時，透過的光線會減弱，接收部分把接收光強(qiáng)轉(zhuǎn)化為電流，電流越大，水濁度越小。設(shè)計(jì)將電流轉(zhuǎn)化為電壓，根據(jù)電壓大小通過轉(zhuǎn)換關(guān)系得出水濁度的大小，輸出電壓經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送單片機(jī)處理。

2.2.3 A/D轉(zhuǎn)換模塊

CO檢測、噪聲檢測和水濁度檢測傳感器的輸出信號都是模擬電壓信號，需經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換才能送單片機(jī)進(jìn)行處理。設(shè)計(jì)中采用8位的ADC0832芯片，每片可以處理兩路模擬信號，對DI引腳進(jìn)行通道選擇，模擬電壓輸入為0～5 V。設(shè)計(jì)采用兩片ADC0832，一片接水濁度和噪聲傳感器，另一片接CO傳感器。

2.3 系統(tǒng)輸出模塊設(shè)計(jì)

2.3.1 液晶顯示模塊

居室空氣中顆粒物、CO濃度、噪聲、水濁度各參數(shù)的實(shí)測值和閾值，以及居室環(huán)境污染等級等都可以通過液晶屏顯示。設(shè)計(jì)采用的FYLCD1602A型液晶顯示屏是一種專門用于字符顯示的點(diǎn)陣型顯示器，有4位和8位兩種數(shù)據(jù)傳輸方式，帶數(shù)據(jù)緩沖區(qū)和兩種字符發(fā)生器。一種字符發(fā)生器中是定義好的字母、符號和數(shù)字，另一種是用戶定義的圖形和符號。它可以顯示兩行共32個字符。設(shè)計(jì)采用定時器每隔10 s切換不同內(nèi)容，其數(shù)據(jù)口連接單片機(jī)P0口，指令/數(shù)據(jù)選擇、讀/寫選擇和使能信號與單片機(jī)P2.5～P2.7連接。

2.3.2 報警模塊

當(dāng)各個污染參數(shù)檢測值超過報警閾值時，啟動報警模塊。系統(tǒng)采用蜂鳴器以及LED實(shí)現(xiàn)聲光報警，實(shí)測值超過閾值時蜂鳴器報警，相應(yīng)LED點(diǎn)亮。蜂鳴器串聯(lián)1個PNP三極管8550，當(dāng)單片機(jī)P2.0為1時，8550截止，蜂鳴器不響；P2.0為0時，8550導(dǎo)通，報警。報警指示為4個LED，分別作為CO、PM2.5、噪聲、水濁度超限報警指示。其陽極接5 V電源，陰極接單片機(jī)引腳，電平為0時點(diǎn)亮LED。

2.3.3 串口模塊

各個參數(shù)和污染等級除了現(xiàn)場顯示外，還通過串口發(fā)送給上位PC機(jī)，以便實(shí)現(xiàn)在實(shí)際居室環(huán)境中對多個采樣點(diǎn)、各個時間段的值進(jìn)行綜合分析和處理，進(jìn)一步確定居室污染等級，為居室環(huán)境改善提供依據(jù)。本設(shè)計(jì)中PC機(jī) 端使用USB接口，采用USB轉(zhuǎn)TTL線，其TXD/RXD端接單片機(jī)的RXD/TXD引腳，實(shí)現(xiàn)PC機(jī)和單片機(jī)間串口通信。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)包含系統(tǒng)初始化、按鍵控制程序、數(shù)據(jù)采集及處理程序、A/D轉(zhuǎn)換程序、顯示及報警程序、串口傳輸模塊，并采用Keil C編程[9]。軟件配合硬件完成各個污染參數(shù)實(shí)時采集和顯示，進(jìn)行居室環(huán)境污染等級確定和顯示，實(shí)現(xiàn)各個污染參數(shù)報警閾值設(shè)定以及超限聲光報警，并且可以把下位機(jī)采集的各個污染參數(shù)通過串口向上位PC機(jī)傳輸，在上位機(jī)完成集中監(jiān)控和處理。系統(tǒng)軟件總體流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件總體流程設(shè)計(jì)

3.2 系統(tǒng)輸入程序模塊設(shè)計(jì)

3.2.1 按鍵控制程序

系統(tǒng)共3個按鍵：“選擇”“+”和“-”鍵。單片機(jī)中存儲各個參數(shù)報警閾值，需要修改閾值時，按“選擇”鍵選擇相應(yīng)參數(shù)，“+”和“-”鍵對閾值進(jìn)行“遞增”和“遞減”處理。設(shè)置連加、減標(biāo)志，當(dāng)標(biāo)志有效時可以進(jìn)行連加、連減，持續(xù)按鍵3 s進(jìn)入連加、減模式。每個按鍵設(shè)定一個標(biāo)志位，確定是否按下，代替延時解決鍵抖動，先將標(biāo)志置1，為鍵按下做準(zhǔn)備，隨后將標(biāo)志清零，防止按鍵一直按下。

3.2.2 數(shù)據(jù)采集及轉(zhuǎn)換程序

數(shù)據(jù)采集及轉(zhuǎn)換程序完成各個參數(shù)處理。PM2.5探測器ZPH01輸出PWM波，采用中斷方式將輸出送單片機(jī)處理。其他傳感器檢測數(shù)據(jù)調(diào)用A/D程序后，再送單片機(jī)處理。

ZPH01模塊以PWM方式輸出，低電平有效，低電平百分比決定PM2.5的大小，例如輸出的低電平持續(xù)時間是100 ms，PM2.5百分比就是1%（周期1 s），該值乘以參數(shù)10.147，就得到PM2.5值。

MQ-7傳感器獲取CO濃度百分比，由于采用8位A/D，將0～255分成100份，根據(jù)實(shí)測值轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量決定百分?jǐn)?shù)的大小，其輸出電壓為0～5 V，對應(yīng)濃度為0～500 ppm（mg/L）；分貝傳感器輸出電壓為0～3.3 V，將其與0～255數(shù)字量對應(yīng)，進(jìn)而與0～120 dB對應(yīng)得出一個實(shí)測的分貝值；水濁度檢測將得到的數(shù)字量轉(zhuǎn)為電壓值，再與濁度進(jìn)行關(guān)系換算[10]。為保證數(shù)據(jù)精確性，程序上采用平均值濾波將多次采樣值進(jìn)行濾波處理。

3.3 居室環(huán)境污染等級確定

參照城市區(qū)域環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn)[11]、空氣質(zhì)量指數(shù)與污染物濃度限值對照表[12]和國家水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[13]等文件，對污染數(shù)據(jù)進(jìn)行污染指數(shù)分析?？諝庵蠵M2.5濃度小于750 μg/m3時污染等級設(shè)定為優(yōu)，750～1 500 mg/m3之間時設(shè)定為良，大于等于1 500 mg/m3時設(shè)定為差；噪聲小于50 dB時噪聲等級設(shè)定為優(yōu)，在50～60 dB之間時設(shè)定為良，噪聲大于等于60 dB時設(shè)定為差；水濁度小于500 mg/L時污染等級設(shè)定為優(yōu)，在500～2 000 mg/L之間時設(shè)定為良，水濁度大于等于2 000 mg/L時設(shè)定為差。由于空氣、噪聲和水質(zhì)3種污染參數(shù)之間是相互獨(dú)立的，當(dāng)3個參數(shù)處于同一等級時，居室環(huán)境綜合污染等級可以確定為該等級；當(dāng)3個參數(shù)處于不同等級時，參考其中1～2個參數(shù)來確定綜合污染等級。

3.4 系統(tǒng)輸出程序設(shè)計(jì)

3.4.1 液晶顯示程序

液晶屏顯示三個內(nèi)容：一是各個傳感器實(shí)測值；二是各個參數(shù)報警閾值；三是污染等級。由于LCD1602屏幕只能顯示兩行，所以分屏顯示，設(shè)置一個分屏變量，每隔10 s切換顯示不同的內(nèi)容。傳感器實(shí)測值顯示兩屏，報警閾值顯示兩屏，正在設(shè)定的值閃爍，污染等級顯示三屏。

3.4.2 報警程序

報警模塊包括蜂鳴器及指示燈報警，只要有傳感器檢測值大于閾值，蜂鳴器就會報警并點(diǎn)亮相應(yīng)的指示燈。定義報警標(biāo)志位，如果報警標(biāo)志為1，蜂鳴器每隔50 ms取反，實(shí)現(xiàn)滴滴響聲；如果報警標(biāo)志為0，將蜂鳴器置1，關(guān)閉蜂鳴器。

3.4.3 串口程序

利用串口將單片機(jī)數(shù)據(jù)上傳到PC機(jī)，可以將多個采樣點(diǎn)的值在上位機(jī)集中顯示、監(jiān)控，或通過PC機(jī)將數(shù)據(jù)做遠(yuǎn)程傳輸，實(shí)現(xiàn)對智能家居環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)控。先進(jìn)行串口初始化，再用單片機(jī)定時器1產(chǎn)生波特率。發(fā)送過程中，執(zhí)行將寫入發(fā)送緩沖器SBUF（99H）指令時，串行口就把SBUF中8位數(shù)據(jù)以fosc12的波特率從TXD端口輸出，發(fā)送完畢置中斷標(biāo)志TI=1。

4 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果

調(diào)試分為硬件調(diào)試、軟件調(diào)試和系統(tǒng)軟硬件聯(lián)合調(diào)試。完成系統(tǒng)硬件搭建和焊接后，先檢查是否存在虛焊錯焊；再對單片機(jī)、傳感器、顯示器、蜂鳴器等系統(tǒng)中各個器件和模塊進(jìn)行功能測試。軟件調(diào)試先對各個模塊進(jìn)行調(diào)試，完成各個模塊功能調(diào)試和測試后對整個系統(tǒng)功能進(jìn)行測試。系統(tǒng)硬件實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 硬件實(shí)物圖

傳感器實(shí)測值如圖4所示。設(shè)閾值如圖5所示。顯示污染等級如圖6所示。

圖4 各傳感器測量值

圖5 設(shè)閾值狀態(tài)（第一行閃爍）

圖6 顯示污染等級（以空氣質(zhì)量為例）

5 結(jié) 語

智能家居多污染源監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)涉及傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了空氣中污染物濃度、環(huán)境噪聲和水質(zhì)濁度的檢測、分析和預(yù)警處理，系統(tǒng)可以靈活設(shè)定報警閾值，現(xiàn)場實(shí)時顯示各個傳感器檢測值和報警閾值，并可以根據(jù)居室環(huán)境具體情況顯示各種污染等級。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，本設(shè)計(jì)所完成的多污染源監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)具有一定的實(shí)用價值，并為進(jìn)一步開展居室環(huán)境多個監(jiān)控點(diǎn)集中監(jiān)控和遠(yuǎn)程監(jiān)控提供底層設(shè)計(jì)方案。