基于物联网的室内环境检测演示系统 2.docx
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基于物联网的室内环境检测演示系统2
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实践教学
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兰州理工大学
计算机与通信学院
2014年春季学期
物联网综合应用实践课程设计
题目：
基于物联网的室内环境检测演示系统
专业班级：
姓名：
学号：
指导教师：
成绩：
摘要
室内环境数据的采集、传输以及处理，广泛应用于粮仓的温湿度控制以及家庭智能化控制等领域内。
针对传统的有线方式检测、采集、传输中节点分散需要大量布线等问题，本设计主要从无线传感方向进行改进，本次课程设计介绍了一种基于CC2530和数字温湿度传感器的温湿度采集系统，并且使用LCD1602点阵式液晶屏显示菜单，有良好的人机对话界面。
同时设计了声光报警系统，实现在参数超标时及时的报警。
室内智能空气品质监测仪体积小，功耗低，操作简单，适合应用于家庭和社区的医疗健康保健，能够实时知道室内空气的质量。
该系统采用Zigbee无线通信技术结合传感器，通过运用Zigbee协议架构组建无线传感网络,实现主从节点的数据采集和传输,以及一点对多点，两点之间的通信。
并详细阐述了基于Zigbee协议栈的中心节点和终端节点的协议传输，主要是从Zigbee协议栈网络层里AODV路由协议着手，阐述在网络层如何通过AODV路由协议进行节点间的连接以及数据的收发。
能在甲烷浓度值与干涉条纹移动量之间建立一种线性关系。
然后进行视频采集，将连续移动变化的干涉图样输入嵌入式系统进行数字图像处理，获得干涉条纹的移动量，从而得到甲烷的浓度值。
关键字:
CC2530;Zigbee协议栈;无线传感网络；LCD显示；甲烷
第1章绪论
1.1设计的目的及意义
1.1.1室内空气品质（IAQ）的作用
室内空气品质（IAQ）的问题导致的病态建筑综合症,使人们的健康和工作效率大受影响。
随着人民生活水平的提高,带来了装修热潮,使得IAQ问题在我国尤为突出。
由于对IAQ的主观评价要待工程竣工投入使用后才能进行,所以缺乏对工程建设的指导意义。
目前,在千百种污染物同时作用时,对将哪些污染物作为客观评价对象,以及评价标准和较为实用的工作方法尚缺少研究,应在实践中不断探索和研究,提高IAQ评价对实际工作的指导作用。
IAQ在健康方面的影响：
美国环保署（EPA）调查表明:
在美国，IAQ问题是有关全民健康的首要问题之一，受其影响的美国人口多达3000万，造成的经济损失超过了400亿美元/年，这些数字令人触目惊心；加拿大卫生组织调查表明：
68%的疾病与室内环境污染有关，其中80%~90%的癌症与居住环境和生活习惯有关;英国科学家汉密尔顿测验了220名英国人血液中60种化学元素的平均含量，发现其与地壳中这些元素的含量分布相当;湖南省相关部门对空气污染区及清洁区9-10岁儿童为调查对象，研究空气污染对儿童免疫力的影响，结果显示:
污染区儿童的免疫能力仅为清洁区儿童免疫能力的1/3;据统计，我国每年有11万人因IAQ不好而导致死亡;从我国“室内环境监测中心”对IAQ监测力度越来越大的趋势也可以看出，此问题在我国也是越来越严重。
IAQ在工作效率及社会经济方面的影响：
美国“职业安全及健康管理局”估计因室内环境质量恶劣而导致每个员工每天损失14-15分钟的工作时间，不仅损失了生产力，使成本上升，而且也导致医疗费用的增多影响整个社会的经济利益。
为此，人们认识到解决IAQ问题的重要性与迫切性，同时IAQ问题已经成为建筑环境、医药卫生、智能监测、自动控制等研究领域所关心的问题。
1.1.2课题研究目的及意义
由于目前建筑材料的不同、燃料的劣质、抽烟、通风不良等原因，室内的空气状况往往不如室外，尽管大量的空调系统被应用到室内空间，但由于节能，减排等，使IAQ进一步恶化，同时出现的舒适性空调仅着眼于热舒适，忽视了空气净化，从而导致了一些负面作用:
SBS建筑物综合症、BRI建筑物关联症和MCS化学物资过敏症等。
检测甲烷的方法有光干涉法、红外光纤吸收法、热导体催化法、半导体气敏在这种情况下，设计开发一套空气质量监测仪表是有现实意义的。
目前，对于室内环境监测具仪表已经有很多种，虽然此类仪表成本不是很高，监测速度较快，但是绝大数产品只是用来监测，不具备自动控制调节室内空气质量的能力。
实际上，单纯的监测不能提供经济可行的空气质量调节措施，因此只有以控制作为监测的后备支持，监测工作才可以更深入持久地开展下去，才能达到监测和控制的有机结合，尽快为人们创造良好的室内环境。
因此，本文基于量化监测，提出“室内便携式智能空气品质监测仪”系统，此系统旨在实现室内空气温度、湿度、有害气体的预警监测及自适应智能调节，利用MCU进行数据采集保证了前台数据的及时、准确，有利于进行全方位的评价，为人类营造一个健康的室内生存空间。
1.2国内外的研究状况
气体传感器测定甲烷成为近年来甲烷检测研究的新热点。
早在1983年，压电类甲烷传感器就已问世。
这种传感器可以不需要对样品进行任何处理就可以测定，但易受水分子的影响而使晶体震动频率发生漂移，故基本无实用性。
为适应室内空气甲烷现场快速检测的要求，目前已开发出不少甲烷快速测定仪，这些仪器可直接在现场测定甲烷浓度，操作方便，适用于室内和公共场所空气中甲烷浓度的现场测定，也适用于环境测试舱法测定木质板材中的甲烷释放量。
但这些仪器的工作原理、响应性能、适应范围等都不同。
在测试甲烷、苯等害气体方面，国内的有:
江苏安普电子工程有限公司生产的400型甲烷分析仪、北京宾达绿创科技有限公司生产的甲烷测定仪抑一308等。
国外比较出名的有:
美国ESC公司生产的Z一300甲烷检测仪、英国PPM公司生产的PPM-400甲烷检测仪。
这些仪器可实现对有害气体的检测功能，适用于专业检测机构或实验研究机构。
准确测定甲烷、苯、氨等有害气体的设备昂贵，测定时间较长，每隔一段时间就需进行重新标定，需要专业人员进行操作，很难连续测定。
1.3方案总体设计
1.3.1总体方案设计
本设计集甲烷，苯，氨气以及温湿度监测，显示与报警于一体，利用MCU进行数据采集保证了前台数据的及时、准确，有利于进行全方位的评价。
仪器采用锂电池供电，具有良好的便携性和通用性，并且使用LCD点阵式液晶屏显示菜单，有良好的人机对话界面。
图1.1系统结构框图
第2章室内空气品质基本介绍
2.1室内空气品质及认识
2.1.1室内空气研究的背景
关于室内空气品质问题的起因，人们最初认识到人体排出的二氧化碳、体臭是室内空气的污染物，并提出通过通风来解决气味问题。
20世纪70年代由于世界范围的节能，建筑物加强了气密性，减少了新风量。
同时由于有机合成材料和新设备的广泛使用，使得室内空气污染源大大增加。
在19世纪70年代美国环境署对于选定性有机性挥发物做了调查，发现由于室内污染源导致的有毒有机性挥发物（VOCs）对于人员的暴露影响远远高于由于工业污染导致的室外空气的影响。
而哈佛大学6城市的调查更进一步揭示了室内空气污染包括粒子、硫酸盐和氮氧化物等对于人员暴露的影响。
室内空气污染的严重性引发了以下三种病症：
病态建筑综合症（SBS）,与建筑有关的疾病（BRI）,多种化学污染物过敏症（MCS）。
2.1.2室内污染物种类及来源分析
一、根据国内外对室内环境污染进行的研究表明，室内环境污染物的主要来源主要有以下四个方面：
室外大气和地质环境的污染、室内建筑装修材料及家具释放物的污染、烹调及燃烧产物的污染和人体的新陈代谢及各种生活废弃物的挥发成分的污染。
由于工程交付使用后，人的各种活动和室外大气环境的破坏导致的室内环境污染不是工程建设阶段所能控制的，因此在这里只谈如何控制工程所处的地质环境和工程所使用的建筑装修材料等对民用建筑工程室内环境的污染。
二、氡是从放射性元素镭衰变而来的一种无色无味的放射性惰性气体，是自然界唯一的天然放射性气体，存在于自然界各种各样的矿石、岩石以及土壤中，常在开采和建筑施工时释放出来，并能与空气中的尘埃结合被人体吸入。
人如果长期生活在氡浓度过高的环境中，沉积在呼吸道上皮组织内的氡会对人体产生强烈的内照射，导致肺癌等疾病的发生概率增加，危害人体健康。
室内空气中的氡有80-90%来自地基土壤、岩石，特别是在地质构造断裂层区域；其次是工程使用的建筑装修材料释放出的氡，尤其是掺工业废渣的建材和天然花岗岩。
三、甲醛是一种无色易溶的刺激性气体，对人的视觉、嗅觉和呼吸器官有强烈的刺激，引发流泪、咳嗽、气喘等症状，严重可导致人的肺功能、肝功能、免疫功能发生异常。
2.2室内空气品质的监测方法及改善空气品质的方法
2.2.1室内空气品质监测方法
（1）传感器监测方法
选择适当类型的传感器可直接读取待测物的浓度。
传感器按原理分为:
电阻型传感器、电感型传感器、电容型传感器、DNA生物传感器、电化学传感器。
（2）化学分析方法
主要采用空气取样，通过一定的化学反应方法，测定待测的污染物浓度。
（3）热催化式测定法
一般采用铂丝线圈或者在铂丝线圈上加氧化铝催化剂制成的载体催化元件作为燃烧热量的传感元件。
这种元件对甲烷具有催化燃烧作用，铂丝线圈既作为加热器又作为电阻温度计，通过电流加热使元件表面达到一定工作温度，这时接触甲烷，便会发生无焰燃烧，致使铂丝电阻值因温度升高而增大，铂丝电阻的变化与甲烷浓度成正比，从而实现对甲烷的检测。
2.2.2改善空气品质方法
1、要充分发挥抽油烟机的功能。
无论是炒菜还是烧水，只要打开灶具，就应把抽油烟机打开，同时关闭厨房门，把窗户打开，这样有利于空气流通，消除污染物。
2、马桶冲水时放下盖子，平时不用时尽量不要打开。
3、水箱中最好使用固体缓释消毒剂，并选用安全有效的空气消毒产品来净化空气。
4、此外，在打扫卫生时，有条件的最好使用吸尘器，或者用拖把和湿抹布。
如用扫帚，动作要轻，不要把灰尘扬起加重空气污染。
尽量不使用地毯、“鸡毛掸子”。
5、使用空调的家庭，最好能启用一台换气机。
其中换热器效率较高者为佳，有的换热效率可达70%左右，所排出的冷风可以有效地将从室外抽入的热新风冷却，使室内空气保持新鲜。
另一种有效的办法是使用空气净化器。
6、当然，要保持居室空气新鲜洁净，最有效、最经济的办法就是经常通风换气。
2.3试指标的选定室内空气品质测
室内污染物种类繁多，不可能逐一测量，研究的思路是用一个典型的污染物来代表一类污染物，这种污染物称为评价指标。
此外，室内空气品质是一个综合性的指标，要考虑多方面的因子，借鉴目前国内外常用的IAQ监测指标，本课题的监测指标订为温度，湿度，甲烷，苯，氨气五个参量。
各指标标准见表2.3：
检测指标
单位浓度备注
温度
℃18～28平均
相对湿度
100%30%～70%
甲烷（HCHO）
Mg/m30.08
苯（C6H6）
Mg/m30.09
氨气（NH3）
Mg/m30.2
表2.1室内空气监测指标限度
甲烷，苯和氨气是室内空气中常见的三种毒气：
（1）甲烷（HCHO）是一种无色易溶的刺激性气体，沸点190C，易挥发，所以在室内空气品质研究中，将其归为VOC，即挥发性有机化合（VolatileOrganicompounds）。
0.5mg/m3可刺激眼睛引起流泪，0.6mg/m3时引起咽喉不适或疼痛;浓度再高可引起恶心、呕吐、咳嗽、胸闷、气喘甚至肺气肿;当空气中达到30mg/m3时可当即导致死亡。
（2）目前室内装饰中多用甲苯、二甲苯代替纯苯作各种胶、油漆、涂料和防水材料的溶剂或稀释剂。
苯具有易挥发、易燃、蒸气有爆炸性的特点。
人在短时间内吸入高浓度甲苯、二甲苯时，可出现中枢神经系统麻醉作用，轻者有头晕、头痛、恶心、意识模糊，严重者可致昏迷以致呼吸衰竭而死亡。
第3章室内空气品质监测仪的硬件设计
3.1基本原理
本实验将使用CC2530读取气体传感器对气体的信息采集，基于AT89S52的室内便携式智能空气品质监测仪是以室内空气中有毒有害气体的监测监控为背景，能够实现对室内温度，湿度，甲烷，苯和氨的实时采集处理、显示、报警等功能。
仪器采用锂电池供电，具有良好的便携性和通用性，并且使用LCD点阵式液晶屏显示菜单，有良好的人机对话界面。
同时设计了声光报警系统，实现在参数超标时及时的报警。
室内智能空气品质监测仪体积小，功耗低，操作简单，适合应用于家庭和社区的医疗健康保健，能够实时知道室内空气的质量。
3.1.1系统硬件结构及原理
本文研究的室内便携式智能空气品质监测仪是以ATMEL工公司的一款8位超低功耗单片机AT89S52为控制核心，系统结构如图3.1所示。
室内空气中有害气体甲烷、苯、氨分别通过传感器组中的传感器1、传感器2、传感器3输出一个与甲烷、苯、氨浓度相对应的电流信号,该信号经过放大滤波后通过多路转换器分时间段进行采样保持,最后经过A/D转换电路按一定得采样频率将模拟信号转换为数字信号送入单片机进行数据采集以便进行显示处理，若被测室内空气中甲烷、苯、氨的浓度某种有超过国家标准或设定的危险值时报警电路对应的发出声光报警信号。
图3.1系统结构图
3.1.2AT89S52单片机简介
随着计算机技术的发展，单片机因具有集成度高、体积小、速度快、价格低等特点而在许多领域如过程控制、数据采集、智能化仪表、家用电器以及网络技术等方面得到广泛应用，
图3.2AT89S52芯片
图3.2AT89S52单片机
AT89S52单片机有以下特点：
兼容MCS51微控制器；8K字节FLASH存贮器支持在系统编程ISP1000次擦写周期；256字节片内RAM；工作电压4.0V到5.5V；全静态时钟0Hz到33MHz；三级程序加密；32个可编程I/O口；3个16位定时/计数器；8个中断源；完全的双工UART串行口；低功耗支持Idle和Power-down模式；Power-down模式支持中断唤醒；看门狗定时器；双数据指针；上电复位标志。
3.2传感器的选用
3.2.1气体传感器
1．气体传感器基础知识
（1）半导体型气体传感器的优缺点
半导体气体传感器具有成本低廉、制造简单、灵敏度高、响应速度快、寿命长、对湿度敏感低和电路简单等优点。
不足之处是必须在高温下工作、对气体或气味的选择性差、元件参数分散、稳定性不理想、功率高等方面。
（2）半导体传感器需要加热的原因
半导体传感器是利用一种金属氧化物薄膜制成的阻抗器件，其电阻随着气体含量不同而变化。
传感器内的加热器可以加速氧化过程，这也是为什么有些低端传感器总是不稳定，其原因就是没有加热或加热电压过低导致温度太低反应不充分。
（3）固态电解质气体传感器
顾名思义，固态电解质就是以固体离子导电为电解质的化学电池。
它介于半导体和电化学之间。
选择性，灵敏度高于半导体而寿命又长于电化学，所以也得到了很多的应用，不足之处就是响应时间过长。
（4）接触燃烧式气体传感器
接触燃烧式气体传感器只能测量可燃气体。
又分为直接接触燃烧式和催化接触燃烧式，原理是气敏材料在通电状态下，可燃气体在表面或者在催化剂作用下燃烧，由于燃烧使气敏材料温度升高从而电阻发生变化。
（5）光学式气体传感器
光学式气体传感器主要包括红外吸收型、光谱吸收型、荧光型等等，主要以红外吸收型为主。
本系统选用电化学传感器中的定电位电解式气体传感器。
2.定电位电解式气体传感器
传感器元件是准确监测甲烷、苯、氨气气体浓度的关键。
在有毒有害气体监测技术中,由于定电位电解传感器具有准确快速、简洁直观的特点,在国外得到比较普遍的应用，运用定电位电解传感器进行气体监测在国内已经开始普及。
定电位电解气体传感器通常是由浸没在液体电解液中的三个电极构成,其结构图如图3.4所示。
图3.3定电位电解式气体传感器结构图
定电位电解式传感器是一种湿式电化学气体传感器,它通过测定气体在某个确定电位电解时所产生的电流来测量气体浓度。
传感器共有三个电极（对电极、参比电极、工作电极）,浸在液体电解液中,整体密封在一个防化学腐蚀的塑料壳体中,目标气体通过工作电极邻近的一个气体可渗透薄膜向传感器内部扩散。
传感器在氧化反应中,电化学反应中参加反应的电子流出工作电极;在还原反应中,电化学反应中参加反应的电子流向工作电极。
流出和流向工作电极的电流与被分析气体的浓度值成正比。
本课题选用德国Drger公司生产的miniPac系列定电位电解式传感器，该系列传感器被广泛应用于轻便型报警器和监测器、移动式的监测仪、远程控制的监测仪，单元与多元组合式智能化的监测器、固定式与壁挂式监测仪及精密型智能化的监测系统等等。
MiniPac系列定电位电解式气体传感器简单内部原理如图3.5所示，其典型接法如图3.4所示。
图3.4定电位电解式气体传感器接口
定电位电解传感器的基本性能,亦即传感器的基本考核指标,它显示了传感器的质量和性能,但其大多数性能指标要与前置放大器经过较好的匹配才能体现出来。
在使用中要对传感器进行考核的基本指标有如下几种:
输出信号、电极电位、响应时间、响应线性度、测量重复性、抗干扰性、传感器期待寿命等。
3.3CC2530介绍
CC2530是基于2.4-GHzIEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE上的一个片上系统解决方案。
其特点是以极低的总材料成本建立较为强大的网络节点。
CC2530芯片结合了RF收发器，增强型8051CPU，系统内可编程闪存，8-KBRAM和许多其他模块的强大的功能。
如今CC2530主要有四种不同的闪存版本：
CC2530F32/64/128/256，分别具有32/64/128/256KB的闪存。
其具有多种运行模式，使得它能满足超低功耗系统的要求。
同时CC2530运行模式之间的转换时间很短，使其进一步降低能源消耗。
CC2530包括了1个高性能的2.4GHzDSSS（直接序列扩频）射频收发器核心和1个8051控制器，它具有32/64/128kB可选择的编程闪存和8kB的RAM，还包括ADC、定时器、睡眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路和21个可编程I/O引脚，CC2530是一款功耗相当低的单片机，功耗模式3下电流消耗仅0.2μA，在32k晶体时钟下运行，电流消耗小于1μA。
CC2530的存储器ST-M25PE16是4线的SPI通信模式的FLASH，可以整块擦除，最大可以存储2M个字节。
工作电压为2.7v到3.6v。
CC2530温度传感器模块反向F型天线采用TI公司公布的2.4GHz倒F型天线设计。
天线的最大增益为＋3.3dB，天线面积为25.7×7.5mm。
该天线完全能够满足CC2530工作频段的要求（CC2530工作频段为2.400GHz～2.480GHz）。
图3.5CC2530芯片引脚
CC2530芯片引脚功能
AVDD128电源（模拟）2-V–3.6-V模拟电源连接
AVDD227电源（模拟）2-V–3.6-V模拟电源连接
AVDD324电源（模拟）2-V–3.6-V模拟电源连接
AVDD429电源（模拟）2-V–3.6-V模拟电源连接
AVDD521电源（模拟）2-V–3.6-V模拟电源连接
AVDD631电源（模拟）2-V–3.6-V模拟电源连接
DCOUPL40电源（数字）1.8V数字电源去耦。
不使用外部电路供应。
DVDD139电源（数字）2-V–3.6-V数字电源连接
DVDD210电源（数字）2-V–3.6-V数字电源连接
GND1，2，3，4未使用的连接到GND
P0_019数字I/O端口0.0
P0_118数字I/O端口0.1
P0_217数字I/O端口0.2
P0_316数字I/O端口0.3
P0_415数字I/O端口0.4
P0_514数字I/O端口0.5
P0_613数字I/O端口0.6
P0_712数字I/O端口0.7
P1_011数字I/O端口1.0-20-mA驱动能力
P1_19数字I/O端口1.1-20-mA驱动能力
P1_28数字I/O端口1.2
P1_37数字I/O端口1.3
P1_46数字I/O端口1.4
P1_55数字I/O端口1.5
P1_638数字I/O端口1.6
P1_737数字I/O端口1.7
P2_036数字I/O端口2.0
P2_135数字I/O端口2.1
P2_234数字I/O端口2.2
P2_333数字I/O模拟端口2.3/32.768kHzXOSC
P2_432数字I/O模拟端口2.4/32.768kHzXOSC
RESET_N20数字输入复位，活动到低电平
RF_N26RFI/ORX期间负RF输入信号到LNA
RF_P25RFI/ORX期间正RF输入信号到LNA
XOSC_Q122模拟I/O32-MHz晶振引脚1或外部时钟输入
XOSC_Q223模拟I/O32-MHz晶振引脚2
第4章室内空气品质监测演示的软件设计
4.1软件功能需求
图4.1室内空气品质检测仪功能需求框图
室内空气品质检测仪功能需求框图如图6.1所示，系统软件主要由温湿传感器采集模块、AD转换模块、人机接口模块、声光报警模块、核心控制器模块、无线通讯模块等模块构成。
4.2软件模块设计
4.2.1主程序模块
主程序运行流程图如图4.2所示。
由主程序流程图可以看出，软件要实现的主要功能是实现对传感器信号的数据采集，然后进行数据的计算、分析、送液晶进行显示。
程序开始时，先关闭中断，对系统进行初始化，包括单片机的各寄存器、RAM、定时器装载初值、中断设置及各模块初始化等。
完成初始化后，液晶显示各个参数为零，CPU等待传感器传入信号及AD转换结束，从而完成当前监测参数的正确显示。
图4.2主程序流程图
4.3zigbee协议栈结构
ZigBee协议栈定义了四层，分别是物理层、媒体访问控制层、网络层、应用层。
物理层和媒体访问控制层由IEEE802.15.4-2003定义，上层的网络层和应用层由Zigbee联盟定义。
应用层分别包括ZDO（Zigbee设备对象），APS（应用支持子层）和AF（应用框架）组成。
Zigbee协议栈每一层负责完成所规定的任务，并且向上层提供服务，各层之间的接口通过所定义的逻辑链路来提供服务。
ZigBee协议栈结构如图4.3所示。
图4.3ZigBee协议栈结构图
第5章串口通信程序设计流程
5.1总体程序设计流程图
图5.1串口通信程序设计流程图
5.2串口设置
在Linux系统中,设备都是以文件的形式表示的,串口参数一般包括波特率、起始位数量、停止位数量等。
下面对这些串口参数进行详细说明。
（1）起始位
通信线路上没有数据被传送时，处于逻辑“1”状态。
当发送字符数数据是首先发送一个逻辑“0”信号，这个逻辑低电平就是起始位。
起始位通过通信线路传输到接收端，接收端检测到这个低电平之后，就开始准备接收数据位信号。
起始位所起的作用就是使通信双方同步。
（2）数据位
当接收端收到起始位后，开始接收数据位。
数据位的个数可以是5～8位。
在数据传送过程中，数据位从最低有效位开始传送，接收端收到数据后，依次将其转换成并行数据。
（3）奇偶校验位
数据位发送完后，为了保证数据的可靠性，还要传送一个奇偶校验位。
奇偶校验用于差错检测。
如果选择偶检验，则数据位和奇偶位的逻辑“1”的个数必须为
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