基于Ad hoc的室内环境监控系统设计与实现

1.1 引言

当前，环保已成为发展主题,国家可持续发展战略出台,使环境问题走进人们日常生活,人们越来越关心自己所在的生活环境,拥有一个清新、洁净、自然舒适的生活、工作环境已成民生所需。据专家调查统计表明:目前人们有80%的时间是在室内度过,同时又因大量使用空调、暖气等,室内长期封闭不流通,使室内留下霉味、臭味等,以及人们在装修房子时留下的其它有毒气味,如甲醛味等。而长期呆在室内受污染的空气环境中,对人有极大危害,容易使人产生各种疾病。因此,需要设计一种室内有害气体的监控系统，实时监测和改善室内环境，为人们拥有一个健康、安全的日常生活环境提供保障。

1.2 项目背景/选题动机

随着人们对环境及健康问题的日益重视，对室内空气中有害气体监测的种类也越来越多，其中，人们日常生活中主要关心的气体污染问题主要存在于以下两个方面。一方面，甲醛和苯都是确认的致癌物，可造成哮喘、心脑血管病、糖尿病、再生障碍性贫血、白血病、胎儿畸形、儿童智力大大降低以及“亚健康”状态等多种急慢性症状。尤其到了夏季，30℃或以上时，装修材料、家具等释放出的有毒气体增多，室内污染相对较重，由此而造成的心脑血管疾病激增，突发症状以中风、常见的半身不遂、口眼歪斜为多。中国室内装饰协会室内环境监测工作委员会于2004年在北京地区千户新装修家庭中进行的抽检结果显示甲醛超标的占60%。从其他地区青岛、南京、银川、重庆、深圳、乌鲁木齐等地有关部门的检测数据看，新装修家庭中的甲醛不合格比率都在60%以上，深圳市计量质量检测研究院2004年1至7月份，共对全市400多套房子进行了室内环境检测，90%甲醛超标。另一方面，在我国，每年由于煤气(主要是CO)中毒和天然气(又称甲烷，CH4)中毒的案例并不鲜见。煤气中毒即一氧化碳中毒。煤气中毒多见于冬天用煤炉取暖、门窗紧闭、排烟不良、液化灶具漏泄或煤气管道漏泄等。煤气中毒时病人最初感觉为头痛、头昏、恶心、呕吐、软弱无力，大部分病人迅速发生抽筋、昏迷，两颊、前胸皮肤及口唇呈樱桃红色，如救治不及时，可很快因呼吸抑制而死亡。所以，如果能够有设备及时测试到这些气体的浓度超过正常状态，并报警提醒人们做出一定措施，那么很多家庭灾难是可以避免的。

当前在测试甲醛、甲苯等害气体方面，国外比较出名的有:美国hiterscan公司生产的4160-2型甲醛分析仪、美国ESC公司生产的Z-300甲醛检测仪、英国PPM公司生产的PPM-400甲醛检测仪;国内的有:江苏安普电子工程有限公司生产的400型甲醛分析仪、北京宾达绿创科技有限公司生产的甲醛测定仪XP-308、长春吉大小天鹅有限公司生产的全自动室内空气甲醛、氨测定仪等。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。准确测定甲醛、苯、氨等有害气体的设备昂贵(如英国PPM公司生产的PPM40甲醛仪约两万多元)，测定时间较长，每隔一段时间就需进行重新标定(如英国PP公司生产的PPM400甲醛仪)，需要专业人员进行操作，很难连续测定。在检测可燃气体泄露方面，国外引进产品如法国奥德姆便携可燃气体检测仪、美国ISC可燃性气体检测仪、日本新宇宙便携可燃气体检测仪;国内的产品主要有北京燕山时代仪表有限公司生产的KS-3型遥控数字显示可燃性气体变送器、沈阳市爱尔普仪器有限公司GP-109C便携式可燃气体检测仪。此外，市场上也出现了一些室内空气检测仪设备，可同时监测多种有害气体，价格也比较昂贵。

由上述的当前有害气体测试产品来看，一般都是监测某种有害气体，多种有害气体可同时监测的设备价格却十分昂贵，这给人们带来较大不便。针对这些缺点，本系统设计了基于Ad hoc网络的室内环境监控装置，用户可根据自己需要选择气体监测模块。该装置由主机和各种有害气体监测模块构成，主机是利用ATMEL AVR芯片作为主控制器，通过无线方式与各监测模块进行通信，并将接收到的数据在LCD上显示，如果数值超过规定标准，则进行声光报警，并启动风机进行室内气体的交换。各监测模块由微控制器，无线收发模块及传感器组成。各监测模块互不影响，并且主机可自动识别监测模块的状态，即只要打开监测模块，主机立即识别到该模块并自动和其建立无线连接进行监测数据的抄收，无需人工干预，而当监测模块关闭时，主机则不在显示该模块的信息，只抄收并控制处于开启状态的模块。本系统设计具有模块化和标准化，简单、可扩展性好，可任意的增加和删除符合标准的监测模块，根据用户的实际需要自由调节监测模块的个数。这使得人们在生活环境健康舒适得到保障的同时，降低了购置成本，使用也更为方便。

二、需求分析

2.1 功能要求

为了实现对环境信息的准确监测，在设计本系统时提出如下功能要求：

（1）主机：可自动识别打开的监测模块，组建无线网络，发送与接收抄收数据与指令，并可实时显示其测得的环境信息，根据国家规定的室内环境质量标准用户可输入各气体的安全范围，据此判断当前的环境信息是否超标，若超标立即进行声光报警，并自动启动风机进行换风，以改善当前环境。

（2）监测模块：实现对环境信息的采集，并通过无线Ad hoc网络发送环境数据到主机。该模块既可以在用户的指令下采集数据，也可以将用户对其设置的当前位置信息发送给主机，使用户更直观具体的了解室内各个监测点的情况。

（3）可监测的气体种类：为了实现对环境信息的全面监测，本系统可监测家居环境中以下与人体安全、舒适相关的环境参数，从而为用户提供良好的生活环境。其中包括：1）一氧化碳气体。家庭燃气主要成分包含一氧化碳气体，当燃气设备发生煤气泄漏时，对家庭人员生命安全产生极大的威胁。因此，当一氧化碳气体浓度监测也是智能家居环境系统中必不可少的一部分。2）甲醛。室内凡是大量使用粘合剂的地方，总会有甲醛释放。当吸入高浓度甲醛后，会出现呼吸道的严重刺激和水肿、眼刺痛、头痛，也可发生支气管哮喘等疾病，那么对空气中甲醛含量的监测尤为重要。3）二氧化碳气体。在新鲜空气中二氧化碳的含量约为0.03％。人生活在这个空间不会受到危害。如果室内空气不流通，或者室内有煤气、液化石油气及煤火炉燃烧，使空气中氧气含量相对减少，产生大量二氧化碳，室内人员就会出现不同程度的中毒症状。4）湿度。目前人们主要通过空调和加湿器保证室内的湿度调节，但是这些设备的调整和协调工作完全依赖用户手工操作，智能化与自动化程度不够，而且误差大。5）温度。温度是人体对周围环境最敏感的要素之一。每个房间可以放置一个或多个这类装置，可在同一区域多点采集温度信息，提高温度精确度。 随着研究的深入，监测模块会相应增加，逐渐涉及到室内环境中存在的所有有害气体，使得系统更完善。

2.2 性能要求

根据室内环境监测系统的特点，本系统的设计坚持模块化，标准化的设计原则，保持各个模块功能的独立性。这样可以在系统有新的模块加入或旧模块退出时保持系统的稳定。同时，为了保证监测模块的长期工作，必须减少模块的功耗。为了实现系统的功能，系统的性能要求设计如下：

（1）小型化：为了保证设备外观漂亮，应尽量保证模块的体积小型化；

（2）节能低功耗：由于设备不需要长期工作，所以在不需要采集信息时需要器件处于休眠状态以节约能源，并且要使用低功耗的器件以延长使用寿命；

（3）可靠性：为了保障各监测模块能够正常工作，必须提高硬件的可靠性，使得系统一直处于稳定可靠的监控状态；

（4）可扩展性：当有新的监测对象引入该系统时，不同类型的传感器模块的信号形式与大小可能制约系统的兼容性，系统的硬件设计时必须具有较高的可扩展性；

（5）模块化结构：保证软件设计的各部分采用模块化结构设计，各模块之间的通信按照规定接口进行，任何一个模块的更新和改进都不会影响到其他模块；

（6）协议标准化：任何一个模块在通过接口传输数据时的格式要统一，便于通信传输，提高传输性能。模块内部可根据需要对数据格式进行数据转化。

三、方案设计

3.1 系统功能实现原理

本系统主要利用蓝牙的Ad hoc网络进行通信，其中把AVR系列主控制器模块作为主机，各气体监测子模块作为从机，构成点对多点的结构。启动主控制器后，主控制器会根据蓝牙协议，首先发送链路管理器协议连接请求数据单元，根据其分组头，处在工作状态并与请求信息匹配的蓝牙模块被激活或从休眠状态被唤醒，进入active状态解析数据包，如果接收正确，则对该请求进行响应发送链路管理器协议连接接受命令，然后进行参数等相关协商，建立异步无连接链路（ACL）为数据传输做准备，该监测模块的主控制器控制传感器采集数据，利用ACL链路将本数据通过蓝牙模块发送给主控制器，主控制器解析后将该数据显示在LCD上，并根据设定的安全范围进行判断当前是否超过阈值，如果超过，主控制器则启动声光报警装置进行报警，并立即启动风机进行环境的改善。同时主机发送命令控制监测模块离开active模块，进入省电模式。然后主机依次轮询其下最多可达到七个的从机，监测并控制每个模块。当用户根据自己需要打开监测模块时，主控制器利用其定时轮询的方法通过发送蓝牙数据单元与监测模块建立链路，将其加入到微微网中，进行实时的监测和控制，当用户关闭监测模块时，由于链路的建立失败，主控制器则取消该模块相应信息的显示。[page]

系统硬件结构组成框图如下所示：

图1. 系统硬件结构框图

3.2 硬件平台选用及资源配置

我们选用基于AVR32AT32UC3A单片机控制器的EVK1100硬件开发平台作为主机，主要是因为它配备了丰富的外设和内存。蓝牙模块，是为实现无线通信传输数据而配备的，还有主机的一些外围设备，如声光报警装置、操作键盘装置、LCD显示模块以及换风机。在终端采集模块中，则采用一款配置相对低一点的AVR单片机和蓝牙模块以及相应传感器的检测模块。

1. 主机控制模块

                             图2. 主机控制框图

主机控制模块主要有基于AVR32AT32UC3A单片机控制器的EVK1100的评估套件和开发系统和继电器，以及蓝牙模块。我们在这里之所以选择EVK1100的开发平台，是因为它配备一系列丰富的外设、内存，并且可充分开发AVR32设备的全部潜能。还有就是该平台支持AT32U3A和一系列的传感器，是我们更方便的进行开发与利用，令外，它配备了4x20蓝色LCD，能够使我们采集到的数据形象直观的显示到平台上。

1. 无线传感器检测子系统模块

                         图3. 无线传感器检测模块

无线传感器检测子系统模块主要有一款简单的AVR单片机微控制器和可以与主机通信的蓝牙模块，以及相应的传感器检测模块。如果是CH2O传感器检测模块，则采集室内CH2O含量，将采集到的数据通过蓝牙模块发送给主机，由主机做相应的处理。其他传感器，则采集相应的室内空气中的含量，通过蓝牙模块发送给主机。

（3）其他模块

主要有LCD显示模块，时时显示传感器采集到的数据，操作键盘的主要作用是设置室内有害气体的上限值。声光报警装置主要是在室内有害气体超标时，主机控制该装置进行声光报警，此时继电器打开，启动换风机进行换风。

3.3系统软件架构

本系统软件设计开发语言拟采用C语言，不引入任何操作系统，在已有硬件上直接开发主控软件部分。根据蓝牙通信协议标准，本系统的软件架构大体有硬件层、逻辑管理层、功能实现层和应用层四个层次。在设计时主机和每个监测模块均采用统一的标准模块化设计，动态调用各功能函数模块，保证在最短的响应时间内完成相应的工作任务，然后迅速进入节能状态，在保证系统软件开销的同时加快系统响应时间，尽可能降低系统整体功耗，并达到安全可靠的性能。系统软件架构如下图所示：

图4. 软件架构图

其中硬件层是系统的最底层，受上层逻辑管理层的控制，利用接口电路传达信息，激活相应的外设，响应系统的各个功能请求。逻辑管理层是整个系统最核心的部分，主要通过中断服务程序实现，根据系统的功能要求，实现整个系统的逻辑控制，其中包括建立微微网、发送和接收数据、阈值的判断、报警功能的启动等。功能实现层根据逻辑管理层的控制，通过调用各功能实现函数完成整个系统的要求。在应用层，用户可以通过键盘输入环境中各个测量量的正常范围，用于超限报警时的判断；还可以通过键盘输入监测模块所处位置，发送给主控制器，以更直观的显示室内环境的情况。[page]

3.4 系统软件流程（除图片外需有文字介绍）

系统软件的设计关键在于逻辑管理层即中断服务程序的良好设计，本着系统模块化和标准化的原则，在保证完成系统功能的前提下，系统降低软件资源开销和系统功耗，提高系统的可靠性和稳定性。系统软件流程图按模块列出，如下所示：

图5. 主机主函数流程图

图6. 定时抄收监测数据模块流程图

图7. 主机监测并控制模块流程图

图8. 监测模块加入微微网并采集传输数据模块流程图

3.5 系统预计实现结果

（1）终端采集模块能够准确的采集到室内对应气体的含量。

（2）主机和终端能够建立比较稳定的无线通信信道进行通信。

（3）终端采集到的数据能够实时的显示在主机的显示模块上。

（4）当终端采集模块检测到室内相应有害气体超标时，声光报警装置进行报警，同时继电器打开，启动风机进行换风。

（5）对于终端采集模块，操作人员可以根据自己的需要进行安装，如果需要的少，则可以只安装一到两个采集模块，需要的多，可根据自己需要进行安装，但最多不能多于7个检测系统子模块。