郭聯(lián)金1，虞曉瓊1，王國(guó)勝2 ，林繼隆1

　?。?.東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，廣東 東莞 523808；2.深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 交通與環(huán)境學(xué)院，廣東 深圳 518172）

       摘要：采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和基于ARM＋Linux的嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)，設(shè)計(jì)了一款室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能對(duì)甲醛、PM2.5等空氣品質(zhì)因子進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集，并通過(guò)二級(jí)數(shù)據(jù)融合評(píng)估和輸出室內(nèi)空氣環(huán)境的質(zhì)量等級(jí)?？蛻舳擞?jì)算機(jī)與智能手機(jī)可借助于無(wú)線與有線網(wǎng)絡(luò)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問(wèn)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的環(huán)境監(jiān)測(cè)提供了有效的解決方案。

　　關(guān)鍵詞：多傳感器；數(shù)據(jù)融合；室內(nèi)環(huán)境；遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)

0引言

　　對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)、長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)和控制對(duì)于保障大眾身體健康具有非常現(xiàn)實(shí)的意義。目前，采用嵌入式技術(shù)與無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)對(duì)室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制，并構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)，已成為智能家居的發(fā)展趨勢(shì)和研究熱點(diǎn)［1 3］。溫濕度和有害氣體濃度是評(píng)判室內(nèi)空氣品質(zhì)不可或缺的參數(shù)。采用ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和基于ARM＋Linux的嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)了一款室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可對(duì)甲醛、一氧化碳、TVOC（總揮發(fā)性有機(jī)化合物）、PM2.5的濃度及溫濕度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過(guò)數(shù)據(jù)融合計(jì)算、評(píng)估和輸出室內(nèi)空氣環(huán)境的質(zhì)量等級(jí)?？蛻舳耍ㄓ?jì)算機(jī)或智能手機(jī)）可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問(wèn)。

1系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　ZibBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分布在監(jiān)測(cè)區(qū)域，由多個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)組成，采用無(wú)線并行通信方式，通過(guò)感知和采集溫度、濕度、氣體濃度等環(huán)境參數(shù)，形成一個(gè)相互協(xié)作的網(wǎng)絡(luò)［4］。因本系統(tǒng)通信距離短、數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)少，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與各傳感節(jié)點(diǎn)采用星形網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器與各終端節(jié)點(diǎn)分別采用廣播、單播的數(shù)據(jù)傳送方式進(jìn)行通信?？赏ㄟ^(guò)增加獨(dú)立的子節(jié)點(diǎn)，擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)容量，增大網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)、ZigBee無(wú)線傳輸模塊、主控制器與遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)終端組成。數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)由各類(lèi)傳感器采集環(huán)境信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理并向ZigBee無(wú)線傳輸模塊發(fā)送信息。ZigBee無(wú)線傳輸模塊接收傳感節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，并傳送至主控制器。主控制器對(duì)ZigBee無(wú)線傳輸模塊發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析和計(jì)算，通過(guò)路由器和WiFi網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送至智能手機(jī)、PC等用戶終端。主控制器處理各種軟件和協(xié)議，在網(wǎng)絡(luò)中相當(dāng)于網(wǎng)關(guān)和連接多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的橋梁。ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立、組織和管理，與終端的數(shù)據(jù)采集子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)交換，同時(shí)與主控制器相互通信［5］。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2.1環(huán)境數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

　　環(huán)境數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)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(gòu)成多個(gè)ZigBee傳感器節(jié)點(diǎn)。其中，射頻通信模塊由CC2530與PCB天線構(gòu)成，用于接收主節(jié)點(diǎn)傳來(lái)的控制信號(hào)。CC2530芯片集成了RF收發(fā)器、增強(qiáng)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(yùn)行在不同的模式下以適應(yīng)超低功耗的要求。傳感器模塊由各類(lèi)傳感器檢測(cè)電路組成，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各項(xiàng)室內(nèi)環(huán)境參數(shù)；8051CPU負(fù)責(zé)傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)的儲(chǔ)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(duì)整個(gè)模塊的工作狀態(tài)進(jìn)行指示。JTAG口為程序調(diào)試和燒寫(xiě)所必需的接口。環(huán)境數(shù)據(jù)采集ZigBee終端將信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理與無(wú)線通信三種功能合為一體［6］，將傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，再通過(guò)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。

　　2.2環(huán)境檢測(cè)傳感器的選用

　　室內(nèi)空氣品質(zhì)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(cè)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(biāo)、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(cè)電路模組選用DS HCHO數(shù)字輸出式傳感器，一氧化碳檢測(cè)電路模塊選用ZE07 CO型電化學(xué)一氧化碳模組，TVOC的檢測(cè)采用混合氣體傳感器MAQ400電路模塊，PM2.5檢測(cè)選用顆粒檢測(cè)模塊AS AQM101。

　　2.3控制器模塊設(shè)計(jì)

　　嵌入式平臺(tái)硬件的總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。主控制器模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)、計(jì)算、分析和處理，協(xié)議的轉(zhuǎn)換和任務(wù)的調(diào)度，外圍設(shè)備的運(yùn)行管理以及界面顯示等工作。采用ARM11內(nèi)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信接口、2個(gè)UART接口、串口、JTAG口、GSM/GPRS接口、WiFi接口等［7］，能為通信服務(wù)提供優(yōu)化的H/W性能，具有高性能、低功耗的顯著優(yōu)勢(shì)，能很好滿足系統(tǒng)中無(wú)線通信的需求。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，將嵌入式Linux 操作系統(tǒng)移植到ARM芯片中，通過(guò)計(jì)算機(jī)和JTAG口完成UBoot、Linux內(nèi)核、YAFFS2根文件及監(jiān)測(cè)界面軟件等的編譯和燒寫(xiě)［8］ 。室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用客戶機(jī)/服務(wù)器（C/S）體系結(jié)構(gòu)［9］。系統(tǒng)軟件按照功能模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括數(shù)據(jù)采集終端、監(jiān)測(cè)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(shè)計(jì)

　　圖4所示為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)的程序流程。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)后，數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)首先進(jìn)行初始化設(shè)置（如COM口、通信波特率設(shè)置等），申請(qǐng)入網(wǎng)，成功后按照客戶端設(shè)置的方式工作。節(jié)點(diǎn)一直處于監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)，收到采集信號(hào)命令時(shí)，喚醒節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理并轉(zhuǎn)發(fā)至主協(xié)調(diào)器。監(jiān)測(cè)軟件讀取協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并通過(guò)槽函數(shù)的數(shù)據(jù)包頭及命令號(hào)定位數(shù)據(jù)來(lái)源于何節(jié)點(diǎn)。

　　3.2監(jiān)測(cè)客戶端程序設(shè)計(jì)

　　客戶端主要實(shí)現(xiàn)用戶與系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互，通過(guò)監(jiān)測(cè)界面監(jiān)視環(huán)境狀況?？蛻舳顺绦蛟O(shè)計(jì)如圖5所示。用戶登錄軟件，發(fā)布管理命令，軟件通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將操作請(qǐng)求傳送到主控制器，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)套接字返回?cái)?shù)據(jù)。若結(jié)果正確，則處理下一個(gè)操作請(qǐng)求，否則，再次監(jiān)聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)。監(jiān)測(cè)界面應(yīng)用Qt 開(kāi)發(fā)，利用connect、bind、writedatagram

等主要的功能函數(shù)將Qt移植到ARM和遠(yuǎn)程監(jiān)控終端，實(shí)現(xiàn)ARM從協(xié)調(diào)器中讀取數(shù)據(jù)，顯示界面和將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到遠(yuǎn)程監(jiān)控終端［10］。

4室內(nèi)空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)

　　根據(jù)室內(nèi)空氣污染的危害程度，參照室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 18883-2002），本系統(tǒng)構(gòu)建了表1所示的室內(nèi)空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。為使評(píng)定結(jié)果易于理解，本系統(tǒng)將室內(nèi)空氣質(zhì)量分為Ⅰ 、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ共5個(gè)等級(jí)，同時(shí)采用室內(nèi)空氣質(zhì)量綜合指數(shù)以量化評(píng)價(jià)結(jié)果［11］。室內(nèi)某種環(huán)境質(zhì)量因素的分指數(shù)定義為Ij=xjxmax，式中xj為測(cè)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(nèi)環(huán)境綜合指數(shù)為［12］：

5多傳感器數(shù)據(jù)融合設(shè)計(jì)

　　5.1數(shù)據(jù)融合模型

　　根據(jù)室內(nèi)居室房間的一般布局情況，結(jié)合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中測(cè)試點(diǎn)的布置要求［13］，在小于50 m2的3個(gè)房間各設(shè)置1個(gè)測(cè)試點(diǎn)，即室內(nèi)空間中布置3個(gè)無(wú)線檢測(cè)終端節(jié)點(diǎn)。測(cè)試點(diǎn)高度設(shè)為1.5 m，并遠(yuǎn)離房間外門(mén)、窗戶等通風(fēng)口。由于來(lái)自無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳感器測(cè)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(yù)測(cè)中具有突出的優(yōu)點(diǎn)，其理論研究與應(yīng)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(jí)數(shù)據(jù)融合算法對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估和分級(jí)。如圖6所示，第一級(jí)數(shù)據(jù)融合采用貝葉斯理論對(duì)同類(lèi)傳感器的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步融合，產(chǎn)生一個(gè)后驗(yàn)概率值，以獲得某一種被測(cè)參數(shù)（如甲醛濃度）的一致性值；第二級(jí)數(shù)據(jù)融合采用基于模糊理論的綜合指數(shù)法，計(jì)算各項(xiàng)環(huán)境要素的觀測(cè)值和綜合指數(shù)，得到室內(nèi)空氣質(zhì)量的評(píng)價(jià)等級(jí)。

　　5.2數(shù)據(jù)融合的實(shí)現(xiàn)過(guò)程

　　第一級(jí)數(shù)據(jù)融合以3個(gè)傳感器檢測(cè)各目標(biāo)氣體H1、H2、H3、H4、H5，各傳感器的觀測(cè)值為E1、E2、E3。由專(zhuān)家系統(tǒng)或監(jiān)測(cè)人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)獲得每個(gè)傳感器關(guān)于目標(biāo)說(shuō)明的先驗(yàn)概率P(H|Ei)。根據(jù)貝葉斯理論公式：

　　計(jì)算目標(biāo)氣體的融合概率，例如，設(shè)觀測(cè)值E1、E2、E3相互獨(dú)立，計(jì)算甲醛的后驗(yàn)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(lèi)傳感器進(jìn)行檢測(cè)，其觀測(cè)數(shù)據(jù)為E1、E2、E3三組數(shù)據(jù)。其余目標(biāo)氣體后驗(yàn)概率的計(jì)算以此類(lèi)推。

　　第二級(jí)數(shù)據(jù)融合以第一級(jí)數(shù)據(jù)融合得到的6種環(huán)境因素的后驗(yàn)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(shí)現(xiàn)過(guò)程為：首先對(duì)應(yīng)6種傳感器建立室內(nèi)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(nèi)環(huán)境狀態(tài)集為U=(u1,u2,u3,u4,u5)=（優(yōu)，良，中，差，很差）。對(duì)第i類(lèi)傳感器Vi的決策結(jié)果歸一化后得到輸入向量ri=(vi1,vi2,vi3,vi4,vi5)，對(duì)于vi∈V，ri組成6×5的決策矩陣R。融合系統(tǒng)中每個(gè)傳感器的權(quán)重大小，構(gòu)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(píng)語(yǔ)集上的模糊子集B由傳感器權(quán)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(jì)A［14］。

　　5.3數(shù)據(jù)融合結(jié)果

　　二級(jí)數(shù)據(jù)融合方法的處理結(jié)果如表2所示。對(duì)比來(lái)自各個(gè)節(jié)點(diǎn)單個(gè)傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與二級(jí)數(shù)據(jù)融合后的監(jiān)測(cè)結(jié)果，可知數(shù)據(jù)融合能有效地提高測(cè)量數(shù)據(jù)的精度，改善系統(tǒng)的容錯(cuò)性、可靠性，并能夠?qū)κ覂?nèi)環(huán)境的全局狀況作出正確的評(píng)估?？蛻舳擞?jì)算機(jī)與移動(dòng)通信終端可通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問(wèn)。圖7所示為智能手機(jī)上顯示的室內(nèi)空氣環(huán)境的監(jiān)控界面。

6結(jié)論

　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）與嵌入式技術(shù)是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。基于ZigBee的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，采用ARM+Linux硬件結(jié)構(gòu)組建室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，運(yùn)用貝葉斯的數(shù)據(jù)級(jí)融合結(jié)合模糊理論的決策級(jí)融合的方法提高系統(tǒng)測(cè)量精度并對(duì)環(huán)境作出可信的評(píng)價(jià)。系統(tǒng)成本和功耗低、組網(wǎng)靈活、抗干擾性強(qiáng)，適用于對(duì)室內(nèi)空氣環(huán)境的長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)采集。若將家居環(huán)境監(jiān)測(cè)與家電控制組成智能家居網(wǎng)絡(luò)，可成為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的有效解決方案。

　　參考文獻(xiàn)

　?。?］ 劉夢(mèng)亭,趙麗紅. 基于ARM11S3C6410與GPRS的智能家居遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)［J］. 現(xiàn)代電子技術(shù),2015,38（5）:27 30.

　?。?］ KIM C G， KIN K J. Implementation of a costeffective home lighting control system on embedded Linux with OpenWrt. Personal & Ubiquitous Computing，2014, 18（3）：535 542.

　?。?］ ZAC B. ZigBee mesh connects Internet of Things［J］. Canadian Electronics， 2015, 30（1）：12 13.

　?。?］ 左建,劉浩,呂明,等. 基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的手持終端設(shè)計(jì)［J］. 工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2014,27（5）:29 30.

　?。?］ 余冰. 基于Zigbee技術(shù)的智家居監(jiān)控系統(tǒng)［D］.南昌：南昌航空大學(xué),2010.

　　［6］ 鄧中亮,張紅星,延明,等. 基于S3C6410和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的手持終端設(shè)計(jì)［J］. 電子設(shè)計(jì)工程,2011,19（2）:1 4.

　?。?］ 袁曉平,馬滿福. 基于ARM11的家電遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)［J］. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件,2013,30（10）:288 292.

　?。?］ 付勝,王宜祥. 基于ARM與ZigBee的礦用通風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］. 測(cè)控技術(shù),2015,34（3）:51 54.

　?。?］ 楊晨. 基于ARM11和Linux的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.沈陽(yáng)：沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué),2013.

　?。?0］ 鮑建,凌志浩,范自道. 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］. 自動(dòng)化儀表,2014,35（7）:52 55.

　?。?1］ 王明芳,譚駿珊,朱明娥. 貝葉斯理論在室內(nèi)空氣質(zhì)量等級(jí)識(shí)別中的應(yīng)用［J］. 中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè),2010,26（2）:63 67.

　?。?2］ 李新,石建屏,魏錫文，等. 室內(nèi)空氣質(zhì)量指數(shù)評(píng)價(jià)模式的研究［J］. 環(huán)境保護(hù)科學(xué),2007,33（6）:5 7，11.

　?。?3］ GB 503252010，民用建筑工程室內(nèi)環(huán)境污染控制規(guī)范(GB503252010)［S］.2010 08 18.

　　［14］ 張曉亮,羅文廣. 多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)在室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］. 儀表技術(shù)與傳感器,2012（2）:103 105.