郭聯(lián)金1，虞曉瓊1，王國勝2 ，林繼隆1

　　（1.東莞職業(yè)技術學院 機電工程系，廣東 東莞 523808；2.深圳信息職業(yè)技術學院 交通與環(huán)境學院，廣東 深圳 518172）

       摘要：采用無線傳感器網(wǎng)絡技術和基于ARM＋Linux的嵌入式系統(tǒng)架構，設計了一款室內空氣質量監(jiān)測系統(tǒng)，能對甲醛、PM2.5等空氣品質因子進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，并通過二級數(shù)據(jù)融合評估和輸出室內空氣環(huán)境的質量等級。客戶端計算機與智能手機可借助于無線與有線網(wǎng)絡，對數(shù)據(jù)進行遠程訪問和實時監(jiān)測，為實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應用中的環(huán)境監(jiān)測提供了有效的解決方案。

　　關鍵詞：多傳感器；數(shù)據(jù)融合；室內環(huán)境；遠程監(jiān)測

0引言

　　對室內空氣質量進行實時、長期的監(jiān)測和控制對于保障大眾身體健康具有非常現(xiàn)實的意義。目前，采用嵌入式技術與無線傳感網(wǎng)絡對室內環(huán)境進行遠程監(jiān)測與控制，并構建物聯(lián)網(wǎng)，已成為智能家居的發(fā)展趨勢和研究熱點［1 3］。溫濕度和有害氣體濃度是評判室內空氣品質不可或缺的參數(shù)。采用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡技術和基于ARM＋Linux的嵌入式系統(tǒng)架構設計了一款室內空氣質量監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可對甲醛、一氧化碳、TVOC（總揮發(fā)性有機化合物）、PM2.5的濃度及溫濕度進行數(shù)據(jù)采集，通過數(shù)據(jù)融合計算、評估和輸出室內空氣環(huán)境的質量等級。客戶端（計算機或智能手機）可通過互聯(lián)網(wǎng)和無線網(wǎng)絡對數(shù)據(jù)進行遠程訪問。

1系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲結構

　　ZibBee無線傳感器網(wǎng)絡分布在監(jiān)測區(qū)域，由多個數(shù)據(jù)采集節(jié)點組成，采用無線并行通信方式，通過感知和采集溫度、濕度、氣體濃度等環(huán)境參數(shù)，形成一個相互協(xié)作的網(wǎng)絡［4］。因本系統(tǒng)通信距離短、數(shù)據(jù)采集節(jié)點少，協(xié)調器節(jié)點與各傳感節(jié)點采用星形網(wǎng)絡。協(xié)調器與各終端節(jié)點分別采用廣播、單播的數(shù)據(jù)傳送方式進行通信。可通過增加獨立的子節(jié)點，擴展網(wǎng)絡容量，增大網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域。

如圖1所示，系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集節(jié)點、ZigBee無線傳輸模塊、主控制器與遠程監(jiān)測終端組成。數(shù)據(jù)采集節(jié)點由各類傳感器采集環(huán)境信息，進行數(shù)據(jù)分析與處理并向ZigBee無線傳輸模塊發(fā)送信息。ZigBee無線傳輸模塊接收傳感節(jié)點數(shù)據(jù)，并傳送至主控制器。主控制器對ZigBee無線傳輸模塊發(fā)來的數(shù)據(jù)進行存儲、分析和計算，通過路由器和WiFi網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)發(fā)送至智能手機、PC等用戶終端。主控制器處理各種軟件和協(xié)議，在網(wǎng)絡中相當于網(wǎng)關和連接多種異構網(wǎng)絡的橋梁。ZigBee協(xié)調器節(jié)點主要負責網(wǎng)絡的建立、組織和管理，與終端的數(shù)據(jù)采集子節(jié)點進行無線數(shù)據(jù)交換，同時與主控制器相互通信［5］。

2系統(tǒng)硬件設計

　　2.1環(huán)境數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點設計

　　環(huán)境數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點模塊由以射頻芯片CC2530為核心的ZigBee射頻通信模塊、各傳感器模塊、電源及LED指示電路等組成（如圖2所示），構成多個ZigBee傳感器節(jié)點。其中，射頻通信模塊由CC2530與PCB天線構成，用于接收主節(jié)點傳來的控制信號。CC2530芯片集成了RF收發(fā)器、增強型8051CPU、8 KB RAM，支持多組協(xié)議的USART和DMA功能，支持ZigBee 2007/Pro 協(xié)議棧，可運行在不同的模式下以適應超低功耗的要求。傳感器模塊由各類傳感器檢測電路組成，用于實時監(jiān)測各項室內環(huán)境參數(shù)；8051CPU負責傳感器檢測數(shù)據(jù)的儲存、處理和控制模塊中其他電路。電源模塊用于外接電源供電與電池供電兩種供電方式的管理和切換，以保證系統(tǒng)正常、低功耗工作。LED指示電路對整個模塊的工作狀態(tài)進行指示。JTAG口為程序調試和燒寫所必需的接口。環(huán)境數(shù)據(jù)采集ZigBee終端將信號采集、數(shù)據(jù)處理與無線通信三種功能合為一體［6］，將傳感器采集的數(shù)據(jù)進行A/D轉換，再通過ZigBee無線網(wǎng)絡發(fā)送至協(xié)調器節(jié)點。

　　2.2環(huán)境檢測傳感器的選用

　　室內空氣品質的重要影響因素主要包括各種有害的污染氣體、粉塵以及影響人舒適感的溫濕度。因而，系統(tǒng)主要檢測的環(huán)境參數(shù)為溫濕度、甲醛、一氧化碳、TVOC、PM2.5。從性能指標、接口方式等方面選用傳感器：溫濕度傳感器選用SHT11，甲醛檢測電路模組選用DS HCHO數(shù)字輸出式傳感器，一氧化碳檢測電路模塊選用ZE07 CO型電化學一氧化碳模組，TVOC的檢測采用混合氣體傳感器MAQ400電路模塊，PM2.5檢測選用顆粒檢測模塊AS AQM101。

　　2.3控制器模塊設計

　　嵌入式平臺硬件的總體結構如圖3所示。主控制器模塊是整個系統(tǒng)的核心，主要負責數(shù)據(jù)的存儲、轉發(fā)、計算、分析和處理，協(xié)議的轉換和任務的調度，外圍設備的運行管理以及界面顯示等工作。采用ARM11內核、32位嵌入式RISC微處理器S3C6410作為核心，它支持Linux、Android等多種操作系統(tǒng)。主控制器模塊包含ZigBee無線網(wǎng)絡通信接口、2個UART接口、串口、JTAG口、GSM/GPRS接口、WiFi接口等［7］，能為通信服務提供優(yōu)化的H/W性能，具有高性能、低功耗的顯著優(yōu)勢，能很好滿足系統(tǒng)中無線通信的需求。

3系統(tǒng)軟件設計

　　采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)作為開發(fā)平臺，將嵌入式Linux 操作系統(tǒng)移植到ARM芯片中，通過計算機和JTAG口完成UBoot、Linux內核、YAFFS2根文件及監(jiān)測界面軟件等的編譯和燒寫［8］ 。室內空氣質量監(jiān)測系統(tǒng)采用客戶機/服務器（C/S）體系結構［9］。系統(tǒng)軟件按照功能模塊進行設計，包括數(shù)據(jù)采集終端、監(jiān)測客戶端、數(shù)據(jù)處理等部分。

       3.1數(shù)據(jù)采集終端程序設計

　　圖4所示為無線傳感器網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點的程序流程。無線傳感器網(wǎng)絡啟動后，數(shù)據(jù)采集節(jié)點首先進行初始化設置（如COM口、通信波特率設置等），申請入網(wǎng)，成功后按照客戶端設置的方式工作。節(jié)點一直處于監(jiān)聽狀態(tài)，收到采集信號命令時，喚醒節(jié)點，進行數(shù)據(jù)采集與處理并轉發(fā)至主協(xié)調器。監(jiān)測軟件讀取協(xié)調器節(jié)點的數(shù)據(jù)，并通過槽函數(shù)的數(shù)據(jù)包頭及命令號定位數(shù)據(jù)來源于何節(jié)點。

　　3.2監(jiān)測客戶端程序設計

　　客戶端主要實現(xiàn)用戶與系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互，通過監(jiān)測界面監(jiān)視環(huán)境狀況。客戶端程序設計如圖5所示。用戶登錄軟件，發(fā)布管理命令，軟件通過網(wǎng)絡將操作請求傳送到主控制器，通過網(wǎng)絡套接字返回數(shù)據(jù)。若結果正確，則處理下一個操作請求，否則，再次監(jiān)聽網(wǎng)絡。監(jiān)測界面應用Qt 開發(fā)，利用connect、bind、writedatagram

等主要的功能函數(shù)將Qt移植到ARM和遠程監(jiān)控終端，實現(xiàn)ARM從協(xié)調器中讀取數(shù)據(jù)，顯示界面和將數(shù)據(jù)轉發(fā)到遠程監(jiān)控終端［10］。

4室內空氣質量評價標準設計

　　根據(jù)室內空氣污染的危害程度，參照室內空氣質量標準（GB/T 18883-2002），本系統(tǒng)構建了表1所示的室內空氣質量評價指標體系。為使評定結果易于理解，本系統(tǒng)將室內空氣質量分為Ⅰ 、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ共5個等級，同時采用室內空氣質量綜合指數(shù)以量化評價結果［11］。室內某種環(huán)境質量因素的分指數(shù)定義為Ij=xjxmax，式中xj為測量值，xmax為最大允許值，j=1,2,3，…，n，則按照幾何平均法定義室內環(huán)境綜合指數(shù)為［12］：

5多傳感器數(shù)據(jù)融合設計

　　5.1數(shù)據(jù)融合模型

　　根據(jù)室內居室房間的一般布局情況，結合國家標準中測試點的布置要求［13］，在小于50 m2的3個房間各設置1個測試點，即室內空間中布置3個無線檢測終端節(jié)點。測試點高度設為1.5 m，并遠離房間外門、窗戶等通風口。由于來自無線傳感器網(wǎng)絡各個節(jié)點的傳感器測量數(shù)據(jù)具有不確定性、不一致性，而貝葉斯（Bayers）理論和模糊理論在不確定性預測中具有突出的優(yōu)點，其理論研究與應用也較為成熟，為此，采用基于貝葉斯理論和模糊理論的二級數(shù)據(jù)融合算法對室內空氣質量進行評估和分級。如圖6所示，第一級數(shù)據(jù)融合采用貝葉斯理論對同類傳感器的檢測數(shù)據(jù)進行初步融合，產(chǎn)生一個后驗概率值，以獲得某一種被測參數(shù)（如甲醛濃度）的一致性值；第二級數(shù)據(jù)融合采用基于模糊理論的綜合指數(shù)法，計算各項環(huán)境要素的觀測值和綜合指數(shù)，得到室內空氣質量的評價等級。

　　5.2數(shù)據(jù)融合的實現(xiàn)過程

　　第一級數(shù)據(jù)融合以3個傳感器檢測各目標氣體H1、H2、H3、H4、H5，各傳感器的觀測值為E1、E2、E3。由專家系統(tǒng)或監(jiān)測人員根據(jù)經(jīng)驗獲得每個傳感器關于目標說明的先驗概率P(H|Ei)。根據(jù)貝葉斯理論公式：

　　計算目標氣體的融合概率，例如，設觀測值E1、E2、E3相互獨立，計算甲醛的后驗概率為：

　　式中：H1、H2、H3、H4、H5分別表示甲醛、一氧化碳、TVOC、PM2.5、溫度和濕度6種環(huán)境要素，每種環(huán)境要素使用同類傳感器進行檢測，其觀測數(shù)據(jù)為E1、E2、E3三組數(shù)據(jù)。其余目標氣體后驗概率的計算以此類推。

　　第二級數(shù)據(jù)融合以第一級數(shù)據(jù)融合得到的6種環(huán)境因素的后驗概率值E1、E2、E3、E4、E5、E6為初始值，采用模糊理論的數(shù)據(jù)融合方法。其實現(xiàn)過程為：首先對應6種傳感器建立室內環(huán)境因素集，即V=(v1,v2,v3,v4,v5,v6)=（甲醛濃度，一氧化碳濃度，TVOC濃度，PM2.5，溫度，濕度）。然后建立室內環(huán)境狀態(tài)集為U=(u1,u2,u3,u4,u5)=（優(yōu)，良，中，差，很差）。對第i類傳感器Vi的決策結果歸一化后得到輸入向量ri=(vi1,vi2,vi3,vi4,vi5)，對于vi∈V，ri組成6×5的決策矩陣R。融合系統(tǒng)中每個傳感器的權重大小，構成V上的模糊子集，即模糊向量子集A=(μ1,μ2,μ3,μ4,μ5,μ6)，滿足∑6i=1ui=1,ui≥0。評語集上的模糊子集B由傳感器權重向量A與決策矩陣R合成，即B=AR=(b1,b2,b3,b4,b5,b6)，采用最大隸屬度法最終確定全局估計A［14］。

　　5.3數(shù)據(jù)融合結果

　　二級數(shù)據(jù)融合方法的處理結果如表2所示。對比來自各個節(jié)點單個傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)與二級數(shù)據(jù)融合后的監(jiān)測結果，可知數(shù)據(jù)融合能有效地提高測量數(shù)據(jù)的精度，改善系統(tǒng)的容錯性、可靠性，并能夠對室內環(huán)境的全局狀況作出正確的評估。客戶端計算機與移動通信終端可通過無線網(wǎng)絡和互聯(lián)網(wǎng)，對數(shù)據(jù)進行遠程訪問。圖7所示為智能手機上顯示的室內空氣環(huán)境的監(jiān)控界面。

6結論

　　無線傳感器網(wǎng)絡（WSN）與嵌入式技術是當前的研究熱點。基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡，采用ARM+Linux硬件結構組建室內空氣質量監(jiān)測系統(tǒng)，運用貝葉斯的數(shù)據(jù)級融合結合模糊理論的決策級融合的方法提高系統(tǒng)測量精度并對環(huán)境作出可信的評價。系統(tǒng)成本和功耗低、組網(wǎng)靈活、抗干擾性強，適用于對室內空氣環(huán)境的長時間的數(shù)據(jù)采集。若將家居環(huán)境監(jiān)測與家電控制組成智能家居網(wǎng)絡，可成為物聯(lián)網(wǎng)應用的有效解決方案。

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