基于无线传感网的室内安全环保监控系统

　　1 概述

　　近年来，一种被称为无线传感器网络新型网络出现了，这种网络由多个具有计算处理、无线通信、传感或控制能力的单节点构成。无线传感网的提出为许多应用提供了支持，如温室无线测控网络信息采集分系统通过在温室大棚部署具有自组网传输能力的无线传感器网络，实现了温室信息采集的自动控制。智能楼宇借助无线传感器网络对一栋大厦的温度、空气、湿度等信息进行监控，可以显着的提高居住者的舒适程度，并减小能耗。

　　本文中在传统的基于无线传感网的智能楼宇的基础上，提出了一种基于无线传感网的室内安全环保监控系统， 该系统能够检测居室内的空气质量、温湿度、漏水、漏气和火警信息，与以往的智能楼宇相比，增加了对这些信息的处理，可以避免灾难的恶化， 同时系统采用了室内无线传感网和广域无线网结合的方式用于信息传递和控制， 基于FPGA 的控制器有利于未来更好的降低功耗和成本。

　　文中的第二部分为系统框架介绍， 第三部分为系统中采用的微处理器和无线收发机介绍， 第四部分为系统中采用的传感器，第五部分为执行器介绍，第六部分为系统操作流程，第七部分为小结。

　　2 系统框架

　　如下图1（a）图所示，传感器节点采集信号通过空中无线接口传输到总控，总控将信息传输到远端节点，并分析处理。图1（d）中各传感器节点采集传感器信息，为了减少功耗，节省体积，采用的传感器均为集成式传感器， 一个传感器可以采集多个同类信号， 传感器采集信息后， 低功耗微控制器将采集信号通过NRF2401 向总控部分传输。图1（b）中总控部分激活传感器节点采集信号，并集中分析处理，将融合信息通过无线或有线方式传到远端节点，将远端节点或总控部分分析的处理意见，控制图1（c）中执行机构进行相关的处理。执行机构根据收到相关控制指令，控制相关设备进行处理。

　　

　　3 微处理器和无线收发机

　　（1）微处理器

　　在无线传感网中微控制器的选择有ASIC、FPGA 和MCU三种方式。本系统中采用了低成本、体积小且与51 兼容的微处理器AT89C2051，该处理器带2k 程序存储器和128 字节数据存储器，供电电压可低至2.7V，具有激活和空闲两个模式，激活模式下工作电流可低至约2mA（工作频率和电压升高时，工作电流增大）。

　　总控部分采用Cyclone 系列的EP1C3T144C8，Cyclone 系列FPGA 是Altera 公司于2003 年推出的基于0.13um 工艺的中规模FPGA，采用3.3 伏IO、1.5 伏内核供电，静态功耗可低至mW。

　　通过嵌入NIOSII 软核以实现处理器控制功能和嵌入UART 软核以实现对外网通信模块的功能。由于FPGA 具有在线配置功能，因此方便系统适用于其他环境。

　　（2）无线收发机

　　系统与外网的通信采用华为GTM900 通信模块， 嵌入式系统通过UART 串口发送AT 指令实现短信收发， 以向远端节点传输信息，当远端需要测控居室各测试点完整信息时，通过PPP建立通信链路后将所有节点信息通过Internet 传输到远端节点。系统内部无线传感网采用nRF2401 作为收发机，其工作频率为2.4-2.5GHZ ISM 频段， 供电可低至1.9V，-5dBm 输出功率时的典型峰值电流为10.5mA， 在空闲模式下工作电流可低至12uA，传输速率可达到1Mbps，因此完全可以满足无线传感网的数据传输和低功耗、低体积的要求。nRF2401 的无障碍传输距离可以达到100 米，有障碍传输距离为40 米，且有125 个频道，因此也能满足室内监控距离和节点数的要求。若传输距离不足，可以采用多跳方式。由于室内信息采集的采集点固定，因此采用固定编址的方式。

　　4 传感器

　　没有传感器和执行器，无线传感网就成为空中楼阁。在图1的框图中， 本系统主要采用的传感器包含测量空气质量、温湿度、漏水、漏气和火警的五部分。

　　（1）漏气测量传感节点。

　　MQ-2 型气敏元件对不同种类、不同浓度的气体有不同的电阻值，可以测量空气中的液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气等气体。以下节点采用图2 类似结构。

　　

　　图2 漏气测量传感节点

　　（2）漏水测量传感节点。

　　漏水传感器采用JS-DX 线缆式浸水传感器，该传感器交流激励一条紧贴地面安装的两芯导电橡胶密封包裹的电线， 线缆某处遇水，两芯电缆之间阻抗发生变化，参考灵敏度设置程度，给出警告。传感器设置四档灵敏度，用来检测不同的漏水程度。

　　（3）火警测量传感节点。

　　通过离子式烟雾传感器NIS-05A 以探测火灾事故中的烟雾，香烟烟雾或者房子中的灰尘等。因为极小的电流功耗，所以此传感器普遍应用于带电池驱动的烟雾传感器。当烟雾进入传感器内室的时候，对烟尘密度的输出电压比例降低，调节输出电压就可以探测到烟雾。

　　（4）空气质量测量传感器节点。

　　国家标准GB/T18883-2002 中对室内空气质量提出要求。

　　本传感器节点采用的传感器是QS-01，它对各种空气污染源（甲醛、苯、甲苯、香烟（HC）、酒精、一氧化碳）都有很高的灵敏度。阻值越小表明空气的质量越差。

　　（5）温湿度测量传感器节点。

　　系统采用SHT11 温湿度一体式传感器，它可以测量相对湿度、温度和露点。测量相对湿度的范围是0~100%，分辨力高达0.03%RH， 最高精度为±2%RH.测量温度的范围是-40℃~+123.8℃， 分辨力为0.1℃。测量电流为550uA， 休眠状态下为0.3uA.

　　5 执行器

　　（1）温湿度的控制。

　　根据国标GB/T18883-2002，将温湿度的控制范围分别设定在22℃-28℃和40%-80%.在此范围内的数据将被视为是合适的数据，采集数据回传以控制电器的开关，分别为加热、降温、增湿、降湿。

　　（2）空气质量的控制。

　　空气质量的好坏是有当前值与标准值的比值的大小来确定的，比值越小表明空气的质量越差，设定通过空气流通来改善空气质量，因此根据传感器推荐的三个值0.87，0.74，0.63 分别为风扇的低中高三档的启动值，这样同样有四个信号需要传回，分别为风扇开启信号、低档、中档、高档。

　　（3）漏水控制。

　　收到浸水信号，就启动无线收发模块nRF2401 将漏水信号发送给漏水报警模块。在接收到漏水报警模块回复信号后，启动漏水阀门关闭信号将漏水阀门进行关闭并且进行报警显示。

　　（4）火警和漏气控制。

　　报警模块包括发光二极管报警、蜂鸣器报警、继电器报警和短信报警。声光报警可以很直观的反映室内火灾， 漏气的信息，而通过继电器可以达到控制灭火器、关气门、开窗户等动作。

　　短信报警可以由总控启动GSM 模块发送短信给住户，以采取相应的措施。

　　6 控制流程

　　如上图3 所示，主控采取轮询的方式，采集个传感器节点信息，对于每个传感器节点最多呼叫M 次，共有N 个传感器节点。

　　

　　传感器节点和执行器节点当收到呼叫信息后进行信息采集或控制输出，否则进入低功耗的接收状态。

　　系统中，采集节点仅仅负责信息的采集和传输，信息的处理均由总控完成，这种结构有利于减轻采集节点的功耗和成本，有利于采集节点的大范围使用。

　　7 小结

　　文中设计并实现了基于无线传感网的室内安全环保监控系统， 并验证了其可行性。该系统的推广和应用将有效的改善现代居室环境，以实现真正的智能楼宇，同时该系统也是无线传感网技术的有效验证。