基于无线传感网络的家具商场空气质量监测与节能控制系统

“基于 ZigBee 无线传感网络的家具商场空气质量监测与节能控制系统”采用无线传感网络技术，将气体检测，节能降耗，安防等多个功能模块进行组合，可以实现家具商场监控部门对于商场内部不同区域的实时，可靠，高效的监控。整个系统终端节点通过无线传感网络同主控制机进行通信，主控制机可以显示实时的信息，并可接入互联网。提高了整个家具商场的管理效率，降低了人员成本，使得家具商场的管理更加的智能化，高效化。“Based on the ZigBee wireless sensor network of furniture stores air quality monitoring and energy-saving control system“ using wireless sensor network technology, gas detection, energy saving, security and other functional modules to be combined, you can control department of furniture store for shopping malls different areas within a real-time, reliable and efficient monitoring. Terminal node of the entire system through wireless sensor networks to communicate with the main control machine, the main control unit can display real-time information, and can access the Internet. Improve the management efficiency of the entire furniture store, reducing personnel costs, makes the furniture mall management more intelligent and efficient.1. 引言随着人们生活水平的不断提高，人们对生存环境，尤其对居住环境要求不断提高，装饰装修材料的使用及家具的更新越来越普遍。全国各地的家具商场在数量上呈逐年增多的趋势，其规模也在不断的扩大。然而，由于国内家具市场的不规范，造成很多的装饰材料如石材、化学壁纸、地毯、地板砖以及家具油漆、胶、涂料等达不到质量标准。这些低质量的装饰材料和家具造成了家具商场室内空气的严重污染。这些有害气体造成的空气污染，使得商家不仅没有能够在家具商场营造出一个良好的购物和工作环境，而且严重威胁商场工作人员和广大消费者的身体健康。其次 ，我国经济快速增长，各项建设取得巨大成就，但也付出了巨大的资源和环境代价，经济发展与环境的矛盾日趋尖锐。只有坚持节约发展、清洁发展、安全发展，才能实现经济又好又快发展。进一步加强节能减排工作，也是应对全球气候变化的迫切需要，是我们应该承担的责任。在家具商场这类高耗能的场所，不仅使用着很多高耗能，低效率的用电器，而且还存在着很多能源浪费的现象。实现家具市场的节能控制，对于节约资源，保护环境，降低能耗有着积极的意义对于家具市场这类面积较大的场合的气体监测，采用手持式的检测设备不能实现全天候的监测，并且不能实现整个家具商场环境的综合监测与评估，随着气体污染的增多，需要监测环境的范围的扩大，单个监测点已很难覆盖这些监测环境并且实时的监测被测环境。因此，必须在不同的地点布置监测点，组成一个有害气体的监测网络。同时，为了实现家具商场整体上的节能控制，实现整个家具商场能耗的降低，必须通过相应的无线传感网络采集相应的环境信息，并通过位于终端的模块实现对整个家具商场的电量检测，开关的智能控制。通过小功率电源开关和电量检测电源终端模块来控制整个商场内的照明，制冷和排风扇系统，实现整个家具商场的节能控制。传统的传感器网络采用有线组网，通过有线制传输数据，将各个监测点的数据传送到中心控制平台，实现在线监测。但这类监测方式对于监测环境复杂、监测点多、监测点可能需要变动等场合，有线监测存在十分明显的缺点：环境复杂、监测点多，布线十分复杂，一些环境有线布线可能无法实现，大大增大了环境信息采集的难度，而且对于使用时间较长的线路，容易出现故障，这样不仅仅在检测故障方面十分繁琐，而且更新线路所耗成本随着更新次数的增加而逐渐上涨，由于环境改变，需要改变监测点位置时，会大大增加成本。本项目是采用 ZigBee 无线传感网络技术对家具商场空气质量监测与节能控制系统的实现。无线传感器网络将传感器技术、通讯技术和计算机技术结合在一起，具有信息采集、传输和处理的能力，基于无线通信技术的无线传感器网络可应用于布线困难的区域和一些临时场合，它不需要任何固定网络的支持，具有快速展开、抗毁性强等特点。在家具商场的整体环境下使用无线通信技术对传感器终端进行组网，以实现整套系统对于气体监测，节能降耗，安保监测具有十分重要的应用价值。“基于 ZigBee 无线传感网络的家具商场空气质量监测系统”提供了一种可以不间断的检测家具商场有害气体浓度的系统，并且可以及时的将这些有害气体浓度的数据上报给环境保护部门，在不影响商场正常工作的情况下达到监测空气质量的目的，为顾客与卖家营造一个安全无害的环境。同时，ZigBee 技术的低功耗，高效率，高可靠性，低成本的优良特性也适合于在整套系统的节能控制上的应用，ZigBee 技术的本身的功耗就比较小，再通过我们选用低功耗的单片机即可满足系统本身一定的节能减排，绿色环保的初衷。考虑到家具商场对于空间的需求，我们采用模块设计，将系统的采集终端分为空气质量类检测系统模块，节能降耗电气/设施类检测控制系统模块，安保监测类控制系统模块。通过 ZigBee 无线传感网络实现不同传感器终端节点的信息发送至系统主机端的信息传输通道。同时系统计算机可以连接至互联网以便于工商管理部门，公安消防部门，环境保护部门的实时监测，并且实现相关监管部门对于家具商场实时信息的掌控与警报。由于系统采用模块化设计，体积小，对于环境空间的影响基本可以忽略，整套系统的传感器终端可以按照设计方案布置在相应指定的位置，不会影响到整个家居商场的购物环境以及美观的购物门面。而且从 ZigBee 传感网络适用范围来看（应用设备成本低、传输数据量小，设备体积小，不便放置较大的充电电池或者电源模块，没有充足的电源支持，只能使用一次性电池，需要较大范围的通信覆盖，网络中的设备非常多，但仅仅用于监测或控制。）也非常适合于家具商场这类对于空间，能耗，效率较高的应用场合。因此，在整套系统中采用 ZigBee 无线传感网络进行组网，起到系统整体的信息的传输通道的作用。2. 系统方案 “基于 ZigBee 无线传感网络的家具商场空气质量监测与节能控制系统”采用 ZigBee无线传感网络技术，将气体检测，节能降耗，安防等多个模块进行组合，可以实现家具商场监控部门对于家具商场内部各个主要参数和区域的实时，可靠，高效的监控。空气质量类检测系统模块可以实时采集家具商场内部关键区域内的甲醛，苯，氨，二氧化氮等有气体的浓度，可及时传回给主控制端进行实时的数据采集与监控，当气体浓度值超过上限值时，主控制机会进行报警，及时通知商场内的相关管理部门及时的采取措施，并且可通过排风扇模块实现对于特定区域内的空气进行更换，提高区域的空气质量。节能降耗系统子模块通过采用合理有效高效的耗能监测与管理模块，有效的降低整个家具商场内的能耗，提高了家具商场内的资源利用率，通过人员流动检测模块，排风扇自主式启停模块，高效率开关电源模块，电量检测控制模块可以实现对整个家具商场内部的灯光，空调等耗能较高的用电器进行智能化管理。安防模块可以实现对于家具商场内部财产的有效监控，可以对非法入侵商场，进行财物的盗窃行为进行及时的预警与监控，做到实时，高效，准确，稳定。并且商场内的监控部门可以通过云台的实时监控相关区域，及时对相关警情进行处理。火灾检测模块可以实时检测家具商场内部的火情，及时通知相关部门采取措施，降低火灾造成的经济损失。整个系统通过无线网络同系统主控制机进行通信，可以将采集到的数据及时存储在主控制机内的数据库中，同时主控制机可以进行实时的预警，并通过网络将相关的情况通知到工商，消防，公安等主要管理部门，提高了整个商场的管理效率，降低了人员成本，使得家具商场的管理更加的智能化，高效化。同时降低了家具商场内的能耗，改善了家具商场内部的环境，使家具商场更加的绿色，环保，也符合当今时代的主题。系统采用模块化设计，采用模块化设计，可以增强模块的可维护性，提高系统的可靠性。模块化设计也为整套系统的扩充，以及系统的升级提供了一个很好的应用平台。3. 系统硬件设计从整套系统的实际应用需求来看，无线传感器网络的协调器，路由器以及所有的传感控制节点采用模块化设计，各个设备的主控制芯片采用 MSP430F2618 单片机，而射频芯片选用 TI 公司的 CC2520 芯片，由此两大部分构成整套无线传感网络的基本结构，在此基础之上增加相应的功能电路实现不同的功能。MSP430 单片机从成本和简易性考虑，终端模块使用单锂电供电，正常工作电压3.74.2V，同时锂电池配置相应的充电电路以及欠压和保护指示电路，提高电池的使用寿命和使用效率。同时，选用稳定，可靠，低纹波的稳压芯片和升压芯片提供系统正常工作所需的 3.3V 和 5V 电压。外部的直流电源可以选用 5v 电源适配器，电流 1A 即可，为锂电池进行充电。考虑到协议栈的要求所需的 Flash 大小在 70KB 左右，RAM 大小在 6KB 左右，MSP430 单片机型号选择 MSP430F2618 ，并选用 TI 公司的 CC2520 作为射频单元芯片。图：系统采用 MSP430F2618 单片机以及 CC2520 射频芯片作为其节点结构基本组成。整套系统的终端传感控制模块节点可以分成三块，分述如下：3.1 家具商场空气质量检测系统模块空气质量检测模块主要由能实现对甲醛、苯、CO 等气体检测的监测节点和能接收各监测点数据、发送监控命令的监测点路由模块组成。监测节点是系统的重要组成部分，它包括气体传感器模块、传感器工作电路、信号处理电路和无线模块。图：气体采集传感器节点的解决方案气体传感器单元主要通过传感器对空间内所测气体浓度进行采集; 信号调理单元控制整个节点采集数据的处理操作;数据传输单元完成与协调器节点的交互工作; 电源供电单元负责对终端节点供电。无线传感器终端节点是以无线模块为核心,配以相应的外围电路作为单节点终端。气体传感器对被测气体进行数据采集,将气体浓度的物理量转化为电信号,通过数据调理单元电路将采集来的信号进行调理,送至 A/D 输入引脚进行模 /数转换。单片机接收数据后送无线通信模块对数据打包发送至主控制机。通过带 ZigBee 无线路由的模块提供的路由信息，相应的气体采集终端检测模块将相应的信息传送到系统计算机，系统计算机可对传送过来的数据进行相应的处理与分析，并显示在主机界面上，系统计算机通过互联网可以将相应的信息传送到相应的主管部门。3.2 节能降耗电气/设施系统模块中小功率电源开关控制终端模块图：可调开关稳压电源框本模块以家具商场内的单相电的供电开/关为控制对象，.选用 MSP430 单片机作为核心处理器，用直流驱动的中功率继电器为触点器件，采用仪表自取电供电模式和可充电电池（备份电源）供电等技术实现对电源进行开关控制。开关电源主要的控制方式是采用脉宽调制集成电路输出 PWM 脉冲，采用模拟 PID调节器进行脉宽调制，这种控制方式，存在一定的误差，而且电路比较复杂。采用超低功耗 MSP430 单片机作为为控制核心的输出电压大范围连续可调的功率开关电源，由单片机直接产生 PWM 波，对开关电源的主电路执行数字控制，电路简单，功能强大。本功率直流电源系统由开关电源的主电路和控制电路两部分组成，主电路主要处理电能，控制电路主要处理电信号，采用负反馈构成一个自动控制系统。开关电源采用 PWM 控制方式，通过给定量和反馈量的比较得到偏差，并通过数字 PID 调节器控制 PWM 输出，从而控制开关电源的输出。其中，PID 调节和 PWM 输出都由单片机系统采用软件控制。系统通过 PWM 输出控制功率转换开关的导通与关断时间，完成对输出电压的稳定控制，通过 A/ D 转换完成对开关电源输出电压的采样，同时采用电压闭环控制，开关电源工作时，根据期望值与电压反馈值的偏差，由单片机实现对 PWM 占空比进行 PID 调节。电量检测电源插座终端模块图：电量检测框图电器通断模块电源模块存储模块电能传感模块处理器及无线通信模块系统中各个电器分别将各自的电源连接到智能插座上以获得供电智能插座上电后即可自主形成小区域内基于ZigBee的无线网络；同样地，任何智能插座断电后，它也会自动退出该网络同时智能插座通过电能传感器实时感知对应电器消耗的电能，并将该信息发送至网关，再由网关通过Internet上传到网络服务器用户无论在何时何地都能使用电脑或手机等远程终端，通过Internet，在身份验证后，获取其所关心区域各种电器的实时以排 气 扇 控 制 接 口 单 片 机 无 线 网 络室内新鲜空气污浊空气室外及历史耗电情况此外，用户也可以通过这些远程终端，命令智能插座进行通断操作，或设定智能插座的开关阈值理论上，只要服务器的功能足够强大，该系统可以同时对数万甚至更多的区域进行电器的电能监控和实时反馈其中电源模块主要负责将交流市电转化为稳定的直流电压为其余 4 个模块供电；电能传感模块感知实时耗电量，并将其转化为相应的电信号传送给处理器识别；电器通断模块在处理器的控制下，完成对目标电器供电的通断功能；处理器可以通过存储模块读写总耗电量、电器标识、开关阈值等信息；处理器及无线通信模块作为整个系统的核心，负责协调各模块间正常运作，并完成无线通信和无线组网功能排风扇电机启停控制终端模块当空气质量检测模块检测到的有害气体达到上限浓度时，系统计算机会按照获取的相应的信息，依据设定好的相应的算法向排风扇终端模块发送控制信息，控制排风扇的启停，并通过一定的方式控制排风扇的转速，在保证环境安全，气体质量达标的基础与前提下实现排风扇的智能控制，从而实现节能降耗的目的。该模块的实现方法是由低功耗单片机依据系统计算机发送的控制信息控制排风扇启停，同时可以采用 PWM 脉宽调制的方法控制电机的转速，实现排风扇的智能化运转，有效的降低系统的功耗。人员流动检测模块通过光线采集、红外传感器采集来确定人员分布及流动情况继而通过ZigBee 无线网络传输给控制器，从而自动控制相应的用电设备，达到降低能耗的目的。利用红外采集单元、光电信号采 集单元对灯光控制和现场人员分布的 监视。然后根据不同情况得到不 图：人员流动检测模块框图 同的数据通过无线网络模块传输给控制 单元，控制单元发送命令给开关控制电路从而达到对不同情况下不同的开关控制组合。3.3 安保监测终端模块： 非法闯入监测终端模块图：非法闯入检测框图传感器Z i g B e e射频模块C C 2 5 2 0电 源 模 块M S P 4 3 0A / D转换模块报警处理本终端节点为监测对象，选用MSP430F2618处理器作为核心处理器，选用红外、热释电等种类传感器，采用外部稳压电源供电和可充电电池（备份电源）供电。该系统由传感器，ZigBee射频模块，MSP430单片机，PC和报警系统组成，传感器检测到非法入侵信号通过采集模块送入单片机，单片机输出控制信号驱动声音发出报警，并传输给pc显示报警位置。 商场大门、店面门窗开/关检测终端模块商场大门、店面门窗开/关检测模块主要用于对商场大门和店面门窗的开关状态进行检测，从而有效准确的确定商场大门和店面门的开关状态，同时时刻监控人为破坏的特殊情况。从而保障家具商场内财产的安全。采用门磁开关作为门窗状态的检测传感器，通过MSP430F2618 单片机的处理相应的信号并发送到主控制机，实现主控机端对于相应重点位置的信息获取。烟雾火灾检测终端模块图：烟雾火灾检测终端框图传感器单元温度烟雾C O 2接收发送无线传输单元供 电 单 元报警器M S P 4 3 0M C U 单元“烟雾火灾检测终端模块”利用烟雾以及温度传感器实时监测周围环境的参数数据，当超过相应的阈值时，终端节点能够及时向主控机发送相应的报警信息，以便于家居商场内的监控人员及时掌握可靠的信息， 做好相应的火灾预警与火灾情况的掌控。并且主控制机可以将相应的火灾信息通过 Internet 传送至消防部门，以便于及时了解火情，降低家具商场的经济与财产的损失，保障顾客的安全。4. 系统软件设计 终端控制传感节点以及网络路由器，协调器的程序以及通信协议设计ZigBee 技术具有强大的组网能力，可以形成星型、树型和 MESH 网状网，可以根据实际项目需要来选择合适的网络结构，在本项目中我们采用星型网来构造这个无线传感网络。在“基于 ZigBee 无线传感网络的家具商场空气质量监测与节能控制系统”中， ZigBee 协调器是全功能设备，由它主导网络的建立，完成网络的初始化、相关数据的查询、汇聚数据到 PC 监控软件、实现布防和撤防等功能，并作为整个无线网络的 PAN 节点（Personal Area Network）。传感器节点则根据实际需要可以是全功能设备也可以是精简功能设备，完成传感器数据采集，响应协调器的相关查询等功能。因此，选择了较为简单的星型网络拓扑结构，实现终端模块与系统计算机之间的信息传递。网络协调器包括所有的网络消息，是整个系统中最复杂的一个环节，也是整个系统的中心节点，存储容量最大、计算机能力强。发送网络信标、建立一个网络、管理网络节点、存储网络节点信息、寻找一对节点间的路由消息、不断地接收信息。在本系统中 ZigBee 网络协调器通过有限传输网络连接至系统计算机，实现系统计算机对于整个网络的监控，起到纽带的作用。在“基于 ZigBee 无线传感网络的家具商场空气质量监测与节能控制系统”系统中 ZigBee 路由器（router）作为路由节点，他的作用是提供路由信息，并且起到路径规划的功能。各个传感器终端节点及相应的控制模块节点（rfd 为终端节点），它没有路由功能，完成的是整个网络的终端任务。终端控制模块发送信息时，由相应模块的网络路由器提供相应的路由信息，最终将相应的终端信息传送到整个网络的中心节点协调器上，后通过网络协调器与系统计算机之间的通信，将相关的信息在整个无线传感网络和系统计算机之间进行相应的传递 。环境参数监测模块（带 ZigBee 路由），节能降耗系统模块（带 ZigBee 路由），摄像头云台控制器功能模块（带 ZigBee 路由）等带路由器的模块为下面的各个传感节点子系 图：网络建立过程