CN102095758B

CN102095758B - 室内空气质量检测终端

Info

Publication number: CN102095758B
Application number: CN 201010591961
Authority: CN
Inventors: 凌志浩; 王文虎; 袁宜峰; 沈永春
Original assignee: East China University of Science and Technology
Current assignee: East China University of Science and Technology
Priority date: 2010-12-17
Filing date: 2010-12-17
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2030-12-17
Also published as: CN102095758A

Abstract

本发明室内空气质量检测终端，含有箱体、风扇进出风口、LED指示灯、显示屏，其核心板包括微控制器模块和无线射频通信模块；传感器模块包括温湿度、一氧化碳、二氧化碳和空气质量传感器；LCD显示模块用于实时显示测量参数；电源模块为各模块提供电源；风扇模块用于壳体内外的空气流通；LED指示灯电路用红、绿、红绿双色提示终端的工作状态；扩展接口包括A/D转换接口和未被占用的I/O口。本发明的积极效果是：变单一成分检测为多种成分检测，能满足石化企业HSE管理的要求，检测的数据既可通过显示屏显示，也可经ZigBee无线传感器网络发送到控制室集中监控，能满足低成本、大规模布局的要求，便于推广应用。

Description

室内空气质量检测终端

技术领域

本发明涉及分析仪器（仪表）技术领域，具体的是一种适用于石油化工企业室内空气质量检测的终端。

背景技术

随着石化工业的不断发展，该领域从业人员的队伍在不断壮大。为留住人才并发挥人才的作用，应该为他（她）们提供好的工作环境并给予发展的机会。早在1996年，国际知名的石化企业就率先提出了“HSE”的概念。“HSE”是健康（Health）、安全（Safety）和环境（Environment）三位一体管理体系的简称，其中对劳动者的工作环境提出了较高的要求，而对室内空气质量的检测是保证较好的工作环境的手段之一。

石化工业对设备间的组网有很高的要求：既要求设备组网简单，少用电缆，又对成本和安全有较高的要求；因此，有线网络很难发挥优势作用。以ZigBee技术为代表的无线传感器网络正是针对这种情况提出的。ZigBee无线网络的最大优点就是低成本、低功耗、网络容量大。利用Zigbee无线传感器网络能使数据的自动采集、分析和处理变得更加容易。目前，在石化领域，人们已开始关注将室内空气质量的检测与ZigBee无线传感器网络结合起来：在室内的检测终端上设置多种传感器来检测空气中多种气体的含量，这样，不需要布线就能对室内空气质量进行实时监测，从而提高企业防范风险的能力，更好地保障员工的生命安全，也为企业的安全生产、提高工作效率发挥了巨大的作用。

发明内容

本发明的目的是，鉴于以上原因，提供一种室内空气质量检测终端，可利用ZigBee无线传感器网对室内空气质量进行实时检测，满足石化企业HSE管理的要求。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种室内空气质量检测终端，含有箱体、风扇进风口、LED指示灯、显示屏、风扇出风口以及核心板、传感器模块、LCD显示模块、电源模块、风扇模块、LED指示灯电路以及扩展接口，其特征是，所述的核心板包括微控制器模块和无线射频通信模块；所述的传感器模块包括温湿度传感器、一氧化碳传感器、二氧化碳传感器、空气质量传感器；所述的温湿度传感器的温度量程为0～50℃，湿度量程为20～95%RH，能将测到的空气的温度和湿度转换为数字信号并直接输入至微控制器模块的I/O口；所述的一氧化碳传感器的量程为0～1000PPM，能将测到的空气中的一氧化碳含量转换为电流信号并输入至信号变换电路I，信号变换电路I将其转换为电压信号，然后送至微控制器模块的A/D转换电路；所述的二氧化碳传感器的量程为0～5000PPM，能通过下拉电阻R2将与浓度成线性关系的电压值送入微控制器模块的AIN0口，进行A/D转换处理；所述空气质量传感器将测到的空气中的有毒气体含量转换为相应的阻值并输入至信号变换电路III，信号变换电路3将阻值转换为电压值，然后送至微控制器模块的A/D转换电路；所述的LCD显示模块用于实时显示测量参数，便于现场直接观察；所述的电源模块为其他各模块提供所需电源；所述的风扇模块用于加快壳体内外的空气流通（提高设备的灵敏度，同时起散热的作用）；所述的LED指示灯电路使用红、绿、红绿双色灯提示终端设所处的工作状态；所述的扩展接口包括A/D转换接口和未被占用的I/O口。

所述的核心板是将微控制器模块与无线射频通信模块结合起来的一个模块，设有20个引脚：包括8个P0口、6个P1口、3个P2口、RESET以及电源和接地。

所述的微控制器模块包括8051内核和多路A/D转换电路，所述的8051内核与多路A/D转换电路集成于同一芯片内。

所述的扩展接口包括微控制器模块未被使用的A/D转换接口和普通I/O口。

所述的扩展接口在电路板上以插针接口的形式引出，当在使用中需要扩展其他的外部传感器模块时，只需将外部传感器的输出信号接到电路板的扩展接口上。

所述的风扇模块采用6cm×6cm、工作电压为5V的小风扇。

本发明室内空气质量检测终端的应用软件是基于Z-Stack协议在应用层面进行的设计，各种参数的采集和数据显示、发送的具体步骤为：

（1）当设定的某一时间到来时，检测终端自动依次采集温度值、湿度值、空气质量参数、二氧化碳含量和一氧化碳含量；

（2）温度值和湿度值是数字量，微控制器模块采集这两个数值时，根据传感器传送数据时附带的校验码对温度和湿度的数值进行校验，舍弃错误数据；

（3）空气质量参数、二氧化碳含量和一氧化碳含量是模拟量，微控制器模块采集这三个值时需要进行滤波处理，即将多次采集到的数据进行排序，选取中间部分比较稳定的数据，然后其求平均值作为测量值。

本发明室内空气质量检测终端的积极效果是：

（1）变单一成分的检测为多种主要成分的检测，能满足石化企业HSE管理的要求；

（2）检测终端检测到的数据既可通过显示屏现场显示，也可经ZigBee无线传感器网络发送到控制室集中监控；

（3）与ZigBee无线传感器网络的结合使之能满足低成本、大规模布局的要求，因此，便于推广应用。

附图说明

附图1为本发明室内空气质量检测终端的外观结构示意图；

附图2为本发明室内空气质量检测终端的硬件构造示意图；

附图3为核心板模块的电路图；

附图4为二氧化碳传感器模块的电路图；

附图5为温湿度传感器模块的电路图；

附图6为空气质量传感器模块的电路图；

附图7为一氧化碳传感器模块的电路图；

附图8为LCD显示模块的电路图；

附图9为电源模块的电路图；

附图10为风扇模块及LED指示灯的电路图；

附图11为本发明室内空气质量检测终端检测程序的流程图；

附图12为本发明室内空气质量检测终端数据采集程序的流程图；

图中的标号分别为：

1、箱体； 2、风扇进风口； 3、LED指示灯； 4、显示屏； 5、风扇出风口。

具体实施方式

以下结合附图给出本发明一种室内空气质量检测终端的具体实施方式，但是应该说明，本发明的实施不限于以下的实施方式。

参见附图1。一种室内空气质量检测终端，含有箱体1、风扇进风口2、LED指示灯3、显示屏4和风扇出风口5，在箱体1内设置核心板、传感器模块、LCD显示模块、电源模块、风扇模块、LED指示灯电路以及扩展接口。箱体1可采用现有技术用金属或木材或塑料或木塑材料等材料制作。在箱体1正面的上方设置风扇进风口2，中间设置LED指示灯3，下方设置显示屏4，风扇出风口5设置在箱体1的侧面。

参见附图2。核心板、传感器模块、LCD显示模块、电源模块、风扇模块、LED指示灯电路及相关的连接电路（线）设置在箱体1内：

参见附图3。核心板选用成都无线龙开发的CC2530EM模块，该模块是基于TI公司CC2530芯片开发的。CC2530芯片在无线传感器网络中的应用非常广泛，用QFN40封装，6mm×6mm，体积很小，功耗非常低，其主要特点是兼容Z-stack协议栈，便于后续的软件开发。CC2530芯片内部自带8路可配置的12位ADC，8051内核，256KB在线可编程Falsh，8KB RAM，因此无需外扩A/D转换电路和存储器；硬件支持CSMA/CA，支持精确地数字化的接收信号强度指示器(RSSI)/链路质量指示(LQI)；具有21个通用I/O引脚，可以配置成多种工作方式，便于扩展外部电路。此外，它还包含看门狗定时器，能够在系统出现故障时自动重启。

核心板是将CC2530芯片与射频天线有效地结合起来，设计成一个模块，引出20个引脚：包括8个P0口、6个P1口、3个P2口、RESET以及电源和接地。图3中将P0口的P0.0、P0.2、P0.3配置成AD转换口，P1口的P1.6和P1.7配置成URAT1口，用于液晶显示，P2口用于控制3盏LED灯，电源工作为3.3V。

所述的传感器模块包括二氧化碳传感器、温湿度传感器、空气质量传感器、一氧化碳传感器和信号变换电路组成。

其中，二氧化碳传感器采用韩国生产的S-100型红外二氧化碳传感器，量程为0～5000PPM。采用红外测量法测气体浓度，可以精确测量CO2的浓度值，对室内空气中的CO2进行准确判断。传感器模块通过下拉电阻R2，输出与浓度成线性关系的电压值，送入微控制器中的AIN0口，进行A/D转换处理（参见附图4）。

温湿度传感器采用数字量输出的方式，型号为DHT11，温度量程0～50℃，湿度量程20～95%RH。该款温湿度传感器的优点在于：价格既便宜，又能满足应用需求，其外部电路简单，只需一个上拉电阻与微控制器的P0_1相连，通过软件的编程设置，就能实现温湿度的采集（参见附图5）。

空气质量传感器采用QS-01型空气质量传感器，这是一款半导体气体传感器，能够测试空气中的多种有毒气体，然后将检测到的有毒气体转化为电阻值的变化，再将电阻值的变化转换为电压的变化送入微控制器的AIN2口, 进行A/D转换处理，通过测量负载电阻R4上面的电压，推算空气质量的优劣程度，进行分等级的判断（参见附图6）。

一氧化碳传感器采用日本公司生产的NE-CO-BL型电化学传感器，量程0～1000PPM。用电化学传感器测量有毒气体是目前主流的测试方法，它通过将被测CO气体的浓度转化为与之成正比的电流值，对电流值进行放大处理，转化为与CO气体浓度成正比的电压值，然后送入微控制器的AIN3口，再进行A/D转换处理（参见附图7）。

扩展接口包括A/D转换接口和未被占用的I/O口。

参见附图8。所述的LCD显示模块采用MZTH24V10型显示模块，这是一款2.4英寸（240*320）彩色TFT显示模块，自带四种字号的ASCII码西文字库，并且自带基本绘图GUI功能，包括画点、画直线、矩形、圆形等。MZTH24V10内部有4M Bytes大小的资源存储器，支持GBK2312的二级（包含一级和二级）汉字库、BMP位图、ASCII码西文字库的资源。MZTH24V10模块为串行UART接口，图中的LCD显示模块的电路与微控制器的UART1相连，进行传输数据的显示，P1_2是LCD显示模块软件复位的控制钮。

参见附图9。所述的电源模块主要由两部分组成：AC/DC稳压电源和稳压芯片。稳压电源选用金升阳公司LB05-10B05型产品，输入电源为100～240V交流电压，输出为5V/1000mA。选用LB05-10B05型产品主要是考虑到整个终端的功耗小于 5.0W，传感器模块工作电压为5V，这款稳压电源散热少，对温度传感器基本没影响。因核心板的工作电压为3.3V，因此选用LM1117-3.3V型稳压芯片，其能将稳压电源输出的5V电压转化为3.3V电压供核心板使用。

参见附图10。所述的风扇模块选用一款体积小，尺寸为6cm×6cm的风扇，其工作电压为5V，噪声小，可有效加快终端内部的空气流速，提高传感器的灵敏度，使传感器对周围的空气质量有准确快速的反应。所述的LED指示灯电路采用红灯、绿灯及红绿双色灯的三盏指示灯：红灯为电源指示灯，设备上电，红灯点亮，提示用户设备工作电压正常；红绿双色灯为运行灯，当系统开始工作时，红绿双色灯中的绿灯点亮，当设备出现故障或者气体含量严重超标时，红绿双色灯转换为红灯，警示用户采取措施；绿灯为通讯灯，当终端未加入ZigBee无线网络时，绿灯熄灭，当终端成功加入ZigBee无线网络并开始发送数据时，绿灯闪烁。

本发明室内空气质量检测终端的软件是在ZStack-CC2530-2.3.0-1.4.0的基础上开发的相应的应用软件，其检测程序的流程为（参见图11）：

系统上电，

S 901：系统初始化

需要完成硬件平台和软件架构所需要的各个模块的初始化，为操作系统的运行做好准备；初始化的工作主要包括：各硬件模块芯片的初始化、系统时钟的初始化、堆栈的初始化、Flash存储器的初始化、形成终端的MAC地址、一些非易失变量的初始化、MAC层的初始化、应用框架层的初始化以及操作系统的初始化；

S 902：执行操作系统

操作系统用于执行任务函数，其专门分配有存放所有任务事件的一个数组，其每一个单元对应存放着每一个任务的所有事件；在任务处理函数中，Z-stack协议栈已经提供了大部分的代码，包括MAC层任务处理函数、网络层任务处理函数、板硬件抽象层任务处理函数、应用层任务处理函数以及ZigBee设备应用层任务处理函数，这些代码都可以公用，本发明需要开发的是用户应用层任务处理函数；

S 903：终端自动搜索可用网络

在Z-stack协议栈提供的公用代码中，终端自动搜索可用网络，当发现有可用网络时，会自动加入网络；如果没有发现可用网络，则继续自动搜索；

S 904：终端加入搜索到的网络；

S 905：采集温度、湿度、CO2、CO、空气质量参数，并进行容错、滤波等数据处理

本步骤中，所述容错数据处理是：温度值和湿度值是数字量，微控制器采集这两个值时，根据传感器传送数据时附带的校验码，对温度值和湿度值进行校验，舍弃错误数据；所述滤波数据处理是指：空气质量参数、二氧化碳含量、一氧化碳含量是模拟量，微控制器采集这三个值时需要进行滤波处理，即将多次采集数据到的数据进行排序，选取中间部分比较稳定的数据，对其求平均值作为测量值；

S 906：定时5S，LCD显示，无线发送终端地址和采集到的数据

本步骤中，在定时的时间将采集到的最新数据送至LCD显示，并将该数据连同本终端的地址通过射频模块无线发送至监控中心；

至此，操作系统的一次循环完成，接着执行下一次循环。

附图12为S 905的具体实施流程图，它包括以下步骤：

S 1001：调用Temperature（void）函数，采集空气中的温度值

本步骤中，温度值是温度传感器发送来的数字量，需要对该数据进行容错处理，容错处理方法与步骤905所述的容错数据处理相同；

S 1002：调用Humidity（void）函数，采集空气中的湿度值

本步骤中，湿度值是湿度传感器发送来的数字量，需要对该数据进行容错处理，容错处理方法与步骤905所述的容错数据处理相同；

S 1003：调用AIR_sensor（void）函数，采集空气质量参数

由于空气质量传感器的输出是模拟量，所以函数中调用了A/D转换函数，转换精度为12位，同时函数中使用软件滤波，提高了数据的准确性，所述软件滤波与步骤905所述的滤波数据处理相同；

S 1004：调用CO2_sensor（void）函数，采集CO2浓度

由于CO2传感器的输出是模拟量，所以函数中调用了A/D转换函数，转换精度为12位，同时函数中使用软件滤波，所述软件滤波与步骤905所述的滤波数据处理相同；

S 1005：调用CO_sensor（void）函数，采集CO浓度

由于CO传感器的输出是模拟量，所以函数中调用了A/D转换函数，转换精度为12位，同时函数中使用软件滤波，所述软件滤波与步骤905所述的滤波数据处理相同；

S 1006：保存步骤S 1001～S 1005所述的数据，等待发送。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，如：更换终端显示屏型号、进一步增加传感器模块等等，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1. 一种室内空气质量检测终端，含有箱体（1）、风扇进风口（2）、LED指示灯（3）、显示屏（4）、风扇出风口（5）以及核心板、传感器模块、LCD显示模块、电源模块、风扇模块、LED指示灯电路以及扩展接口，其特征在于，所述的核心板包括微控制器模块和无线射频通信模块，所述核心板是将微控制器模块与无线射频通信模块结合起来的一个模块，设有20个引脚：包括8个P0口、6个P1口、3个P2口、RESET以及电源和接地，所述微控制器模块包括8051内核和多路A/D转换电路，所述的8051内核与多路A/D转换电路集成于同一芯片内；所述的传感器模块包括温湿度传感器、一氧化碳传感器、二氧化碳传感器、空气质量传感器，所述的温湿度传感器的温度量程为0～50℃，湿度量程为20～95%RH，能将测到的空气的温度和湿度转换为数字信号并直接输入至微控制器模块的I/O口；所述的一氧化碳传感器的量程为0～1000PPM，能将测到的空气中的一氧化碳含量转换为电流信号并输入至信号变换电路I，信号变换电路I将其转换为电压信号，然后送至微控制器模块的A/D转换电路；所述的二氧化碳传感器的量程为0～5000PPM，能通过下拉电阻R2将与浓度成线性关系的电压值送入微控制器模块的AIN0口，进行A/D转换处理；所述空气质量传感器将测到的空气中的有毒气体含量转换为相应的阻值并输入至信号变换电路III，信号变换电路III将阻值转换为电压值，然后送至微控制器模块的A/D转换电路；所述的LCD显示模块用于实时显示测量参数，便于现场直接观察；所述的电源模块为其他各模块提供所需电源；所述的风扇模块用于加快壳体内外的空气流通；所述的LED指示灯电路使用红、绿、红绿双色灯提示终端设所处的工作状态；所述的扩展接口包括A/D转换接口和未被占用的I/O口，所述扩展接口包括微控制器模块未被使用的A/D转换接口和普通I/O口，所述扩展接口在电路板上以插针接口的形式引出，当在使用中需要扩展其他的外部传感器模块时，只需将外部传感器的输出信号接到电路板的扩展接口上。