智能家居环境监测系统设计
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作者: 黄国伟
摘要：智能家居环境监测系统是对室内家居环境进行实时在线监测的重要方法。它对室内环境污染物、可吸入颗粒物、温湿度、紫外线强度、电磁辐射强度监测具有重要作用。本文重点介绍了环境监测系统的工作原理、硬件组成和分布式系统硬件结构，可供相关监测系统设计提供参考和借鉴。
关键词：中央控制系统；环境监测子系统；微型工作站；传感器；
引言
随着我国人民生活条件不断改善，许多民众拥有住房后不惜投入巨额费用进行装修，各种材料大量涌入家居产生了严重的污染。装饰物中的甲醛、苯、氨气等有毒气体；厨房油烟苯并芘、一氧化碳；植物花粉、灰尘、香烟、病菌及各类异味等都使环境污染越来越严重。同时，室内温湿度、紫外线强度、电磁辐射等污染给人们的健康构成巨大威胁。为了监测室内环境状况，及时预报当前的环境质量，家居环境监测系统应运而生。
1 统特点
家居环境监测系统是基于半导体传感器的反应原理，并结合了当前成熟的电子信息技术来检测室内污染气体情况来实现室内环境中各项技术指标的自动监测。本系统主要由中央控制系统和环境监测子系统组成。它们硬件上都采用微型工作站来做数据接收和分析。在微型工作站上主要通过外接气体传感器、可吸入颗粒物传感器、温度传感器、湿度传感器、紫外线传感器、电磁辐射传感器这六种传感器来实现数据的采集。
2 系统工作原理和硬件组成
系统主要通过实时在线监测六种指标，即污染气体浓度、粉尘颗粒物浓度、温度、湿度、紫外线强度、电磁辐射强度。它可以进行自动数据采样、处理和分析，得出当前环境质量中各个监控指标值，并可以根据当前环境污染程度进行预警，各个监控指标和分析数据直接通过LCD液晶显示屏显示。通过这个工作原理，实现了环境质量监控指标的数据采集、处理、预报、显示，为有效监控室内环境状况提供了科学依据。以下将对该环境监测系统中使用的各类传感器进行详细的介绍：
2.1 空气质量传感器
TGS2602空气质量传感器是由集成的加热器以及在氧化铝基板上形成的金属氧化物半导体构成。当空气中的污染气体存在时，该污染气体的浓度越高，传感器的电导率就越高。通过成熟的电子技术即可将该污染气体的电导率的变化线性转换为该污染气体浓度的输出信号，实现了污染气体浓度的实时在线监测。该传感器正是基于这种电导率原理来实现环境中污染气体浓度监测的。该传感器不仅对有毒有机挥发物、氨气、硫化氢等有毒气体有很高的灵敏度。传感器是利用相对值检知来实现更接近人类感觉的控制，它以纯净环境时候的电阻值为基准，通过当前传感器的电阻值比纯净环境时的变化量来监测当前环境的污染程度。
2.2 可吸入颗粒物传感器
DSM501颗粒物传感器内置加热器，加热器可以通过热量使气流上升而使外部环境进入传感器。采用光学原理，可以检测1微米以上粒子，如香烟、灰尘、霉菌、花粉、孢子等颗粒物，采用粒子计数原理，PWM 脉宽调制输出，以粒子计算器工作原理为基础来监测单位体积内可吸入颗粒物的绝对个数。通过该传感器，可以使准确监测出当前环境颗粒物的数量，为环境质量的预报提供科学依据。
2.3 温度传感器
DS18B20温度传感器可以放置在许多不同的地方，它能够直接读出被测物体的温度，根据实际要求通过程序编程实现9到12位数字值的个性化设置。传感器可以分别在93.75毫秒和750毫秒的时间内完成9位和12位的数字量，数据总线可提供温度变换功率，数据总线本身也可以向挂接的其他传感器供电而不需要提供额外电源。通过使用温度传感器可以使整个环境质量监测系统结构更加合理和科学化，可靠性更高。同时，测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等指标理想，达到预期目的，可以用于大气温度实时在线监测。
2.4 湿度传感器
DHT22电容式湿度传感器具有检测速度快、精度高、可靠性高、稳定性强、方便简单和体积小等特点，广泛应用于各个行业中进行湿度监测。电容式湿度传感器是通过电容值不同，环境中湿度值不同的工作原理，电容值和湿度值的对应关系来进行环境湿度值输出。由于单片机不能直接读取传感器的电容值，所以需要外接测量电路。因为单片机内有定时和计数器，可以进行频率测量，所以选用频率输出测量电路。通过以上方法，即可实现环境湿度的实时在线监测。
2.5 紫外线强度传感器
紫外线强度传感器是用于监测电磁波谱中波长从100nm至400nm的辐射。紫外线按照其辐射波长的不同可以划分成三个波段，这三个波段分别为：UV―A(315～400nm)，UV―B(280～315 nm)和UV―C(<280 nm)。大气臭氧层可以吸收对UV―A，但是吸收量很少，所以UV―A可以直接到达地面；UV―B则和臭氧层变化紧密联系，它会根据臭氧层的变化而变化，可以直接到底到达地面，对人体健康产生较大影响；UV―C则几乎完全被臭氧层吸收，基本不到达地面。因此，对人体健康有重要影响的波段主要是UV―A和UV―B这两个波段的紫外线辐射。紫外线强度传感器则是通过光电模式监测UV―A和UV―B这两个波段来实现紫外线强度的监测。
2.6 电磁辐射传感器
电磁辐射传感器的好坏直接影响电磁辐射信号的接收性能，因此，该传感器的电气参数是至关重要的，可以选择适用于100 kHz～3 GHz频率范围的传感器，通过采集电磁信号并进行滤波和放大，同时进行数据处理后分析得出当前的电磁辐射强度。
3 分布式系统硬件结构
系统结构主要分为中央控制系统和环境监测子系统。中央控制系统主要用于接收室内各个监测点的数据（比如房间、厨房、卫生间等），采用外接LCD大屏幕液晶显示，同时加入语音提示和预警功能。环境监测子系统采用无线传输模式实现与中央控制系统的交互，最大程度的避免了房间的布线，增加了系统的灵活性和灵活度。中央控制系统和环境监测子系统硬件上主要采用微型工作站，软件上通过安装操作系统和控制软件来实现。微型工作站集LCD 显示，工控CPU及计算机主板于一体，并具有工控仪表开关电源，同时安装触摸屏，具有较强的抗电磁干扰和低功耗特点。具体的硬件结构如下：
结语
本系统借鉴了目前国内外现有的环境质量监测系统搭建的经验，通过传感器数据实时采集、处理、分析、显示，向人们提供一套专业应对室内环境质量监测的设计方案。本系统可以实时在线监控环境中各个环境质量指标值，对当前环境质量情况进行及时预警。随着民众对绿色、环保、健康观念的逐步增强，环境质量监测系统的应用将越来越受到人们的重视。
参考文献
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[2] 徐仁贵．单片微型计算机应用技术．北京：机械工业出版社．2001.2
[3] 张似玫. 单片微型计算机原理及接口技术.北京:电子科学技术出版社，1993
[4] 康光华.陈大钦. 电子技术基础.高等教育出版社.1999.6
作者简介
黄国伟；性别：男；学历：大学本科；出生年月：1983-9-21；户籍：广东汕头；
工作单位：广东省建筑科学研究院；研究领域：建筑工程信息化建设；
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