基于無線傳感網的室內安全環(huán)保監(jiān)控系統(tǒng)

　　1 概述

　　近年來，一種被稱為無線傳感器網絡新型網絡出現(xiàn)了，這種網絡由多個具有計算處理、無線通信、傳感或控制能力的單節(jié)點構成。無線傳感網的提出為許多應用提供了支持，如溫室無線測控網絡信息采集分系統(tǒng)通過在溫室大棚部署具有自組網傳輸能力的無線傳感器網絡，實現(xiàn)了溫室信息采集的自動控制。智能樓宇借助無線傳感器網絡對一棟大廈的溫度、空氣、濕度等信息進行監(jiān)控，可以顯著的提高居住者的舒適程度，并減小能耗。

　　本文中在傳統(tǒng)的基于無線傳感網的智能樓宇的基礎上，提出了一種基于無線傳感網的室內安全環(huán)保監(jiān)控系統(tǒng)， 該系統(tǒng)能夠檢測居室內的空氣質量、溫濕度、漏水、漏氣和火警信息，與以往的智能樓宇相比，增加了對這些信息的處理，可以避免災難的惡化， 同時系統(tǒng)采用了室內無線傳感網和廣域無線網結合的方式用于信息傳遞和控制， 基于FPGA 的控制器有利于未來更好的降低功耗和成本。

　　文中的第二部分為系統(tǒng)框架介紹， 第三部分為系統(tǒng)中采用的微處理器和無線收發(fā)機介紹， 第四部分為系統(tǒng)中采用的傳感器，第五部分為執(zhí)行器介紹，第六部分為系統(tǒng)操作流程，第七部分為小結。

　　2 系統(tǒng)框架

　　如下圖1（a）圖所示，傳感器節(jié)點采集信號通過空中無線接口傳輸?shù)娇偪?，總控將信息傳輸?shù)竭h端節(jié)點，并分析處理。圖1（d）中各傳感器節(jié)點采集傳感器信息，為了減少功耗，節(jié)省體積，采用的傳感器均為集成式傳感器， 一個傳感器可以采集多個同類信號， 傳感器采集信息后， 低功耗微控制器將采集信號通過NRF2401 向總控部分傳輸。圖1（b）中總控部分激活傳感器節(jié)點采集信號，并集中分析處理，將融合信息通過無線或有線方式傳到遠端節(jié)點，將遠端節(jié)點或總控部分分析的處理意見，控制圖1（c）中執(zhí)行機構進行相關的處理。執(zhí)行機構根據收到相關控制指令，控制相關設備進行處理。

　　3 微處理器和無線收發(fā)機

　?。?）微處理器

　　在無線傳感網中微控制器的選擇有ASIC、FPGA 和MCU三種方式。本系統(tǒng)中采用了低成本、體積小且與51 兼容的微處理器AT89C2051，該處理器帶2k 程序存儲器和128 字節(jié)數(shù)據存儲器，供電電壓可低至2.7V，具有激活和空閑兩個模式，激活模式下工作電流可低至約2mA（工作頻率和電壓升高時，工作電流增大）。

　　總控部分采用Cyclone 系列的EP1C3T144C8，Cyclone 系列FPGA 是Altera 公司于2003 年推出的基于0.13um 工藝的中規(guī)模FPGA，采用3.3 伏IO、1.5 伏內核供電，靜態(tài)功耗可低至mW。

　　通過嵌入NIOSII 軟核以實現(xiàn)處理器控制功能和嵌入UART 軟核以實現(xiàn)對外網通信模塊的功能。由于FPGA 具有在線配置功能，因此方便系統(tǒng)適用于其他環(huán)境。

　?。?）無線收發(fā)機

　　系統(tǒng)與外網的通信采用華為GTM900 通信模塊， 嵌入式系統(tǒng)通過UART 串口發(fā)送AT 指令實現(xiàn)短信收發(fā)， 以向遠端節(jié)點傳輸信息，當遠端需要測控居室各測試點完整信息時，通過PPP建立通信鏈路后將所有節(jié)點信息通過Internet 傳輸?shù)竭h端節(jié)點。系統(tǒng)內部無線傳感網采用nRF2401 作為收發(fā)機，其工作頻率為2.4-2.5GHZ ISM 頻段， 供電可低至1.9V，-5dBm 輸出功率時的典型峰值電流為10.5mA， 在空閑模式下工作電流可低至12uA，傳輸速率可達到1Mbps，因此完全可以滿足無線傳感網的數(shù)據傳輸和低功耗、低體積的要求。nRF2401 的無障礙傳輸距離可以達到100 米，有障礙傳輸距離為40 米，且有125 個頻道，因此也能滿足室內監(jiān)控距離和節(jié)點數(shù)的要求。若傳輸距離不足，可以采用多跳方式。由于室內信息采集的采集點固定，因此采用固定編址的方式。

　　4 傳感器

　　沒有傳感器和執(zhí)行器，無線傳感網就成為空中樓閣。在圖1的框圖中， 本系統(tǒng)主要采用的傳感器包含測量空氣質量、溫濕度、漏水、漏氣和火警的五部分。

　　（1）漏氣測量傳感節(jié)點。

　　MQ-2 型氣敏元件對不同種類、不同濃度的氣體有不同的電阻值，可以測量空氣中的液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氫氣等氣體。以下節(jié)點采用圖2 類似結構。

　　圖2 漏氣測量傳感節(jié)點

　?。?）漏水測量傳感節(jié)點。

　　漏水傳感器采用JS-DX 線纜式浸水傳感器，該傳感器交流激勵一條緊貼地面安裝的兩芯導電橡膠密封包裹的電線， 線纜某處遇水，兩芯電纜之間阻抗發(fā)生變化，參考靈敏度設置程度，給出警告。傳感器設置四檔靈敏度，用來檢測不同的漏水程度。

　　（3）火警測量傳感節(jié)點。

　　通過離子式煙霧傳感器NIS-05A 以探測火災事故中的煙霧，香煙煙霧或者房子中的灰塵等。因為極小的電流功耗，所以此傳感器普遍應用于帶電池驅動的煙霧傳感器。當煙霧進入傳感器內室的時候，對煙塵密度的輸出電壓比例降低，調節(jié)輸出電壓就可以探測到煙霧。

　?。?）空氣質量測量傳感器節(jié)點。

　　國家標準GB/T18883-2002 中對室內空氣質量提出要求。

　　本傳感器節(jié)點采用的傳感器是QS-01，它對各種空氣污染源（甲醛、苯、甲苯、香煙（HC）、酒精、一氧化碳）都有很高的靈敏度。阻值越小表明空氣的質量越差。

　　（5）溫濕度測量傳感器節(jié)點。

　　系統(tǒng)采用SHT11 溫濕度一體式傳感器，它可以測量相對濕度、溫度和露點。測量相對濕度的范圍是0~100%，分辨力高達0.03%RH， 最高精度為±2%RH.測量溫度的范圍是-40℃~+123.8℃， 分辨力為0.1℃。測量電流為550uA， 休眠狀態(tài)下為0.3uA.