CN105116848A - 居住建筑室内环境监测与健康等级评价物联网系统 - Google Patents
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Abstract
一种居住建筑室内环境监测与健康等级评价物联网系统，属于居住建筑室内环境检测技术及信息通讯技术领域。其特征是利用数据采集模块实时采集室内各功能房间环境参数，综合分析室内环境各参数对人体健康的影响权重及健康危险等级；并给出改善相应环境状况的专家意见及策略。同时构建物联网实时数据监测系统，不仅能够及时将数据传输到用户显示终端及远程中央服务系统，而且可作为基础科研数据以及政府相关部门的决策依据。本发明的效果和益处是解决了以单一参数实时表征室内环境的不科学性，能够同时实现居住环境室内综合评价参数实时监测及用户移动终端同步查讯对比结果，并获得有效改善环境的建议及措施；应用面广，普及率高。
Description
技术领域
本发明属于居住建筑室内环境检测技术及信息通信技术领域，涉及到一种通过物联网系统的构筑，同时实现居住建筑各功能房间室内外九种环境参数的实时监测、数据实时采集、数据集总运算处理、室内健康环境等级评价以及室内环境改善策略和专家建议。
背景技术
在进一步降低建筑能耗的同时，营造健康的居住环境是保障和改善民生的重要举措。相关研究表明人的一生约2/3的时间是在室内度过的，室内环境质量的优劣对人体的健康影响起到主导作用，经毒理学、临床医学等学科研究发现，室内污染物与居民多发疾病如哮喘等有密切的关联，如何对室内环境的健康状况进行有效的监测评估及预警改善是目前亟待解决的问题。
经检索发现，专利号CN103278192A公开了一种基于ZigBee技术的建筑室内温湿度检测系统及方法，其主要特点是：采用多个传感器测量室内相对湿度，采用支持ZigBee技术的CC2530无线处理器作为主控芯片形成温湿度传感器节点，具有无需通信连线、组网方便、高精度及实时显示功能；由于该技术仅仅对室内的温湿度进行监控，因此，难以表征其它污染物对室内环境健康性能的影响。专利号CN102682576A公开了一种基于无线传感的智能室内环境监测系统，其主要特点是：对室内卧室的致病、致癌、致死风险的有毒气体进行检测，主结点单片机存储数据信息，并对数据信息处理分析，将处理分析结果传输给显示报警终端，在环境条件异常时发出报警信息。该技术仅对卧室内的有毒气体污染物进行检测，但部分气体虽不是有毒气体但浓度累计到一定的程度也会对人体的健康产生影响如二氧化碳，同时也存在以部分参数表征整体室内环境健康性能的弊端。专利号CN103529776A介绍了一种室内环境检测系统监测方法，利用绿色建筑环境管理模块与空气环境检测采集器对接实时监测空气质量数据，自动调节改善室内空气质量，生成空气质量报告；利用空调系统执行温湿度调节指令，对室内环境空气质量的监测与改善提供了较好的控制。该技术未对室内的功能房间进行划分，监测点的布置位置对参数监测的准确性是有很大的影响的，不同功能房间的主污染物及污染程度是不一致的。专利号CN103529776A公开了一种智能家居微环境检测控制系统，根据所检测到的室内温度、湿度、气体，控制电器控制机启动室内电器进行工作，并向预设手机发送报警短信，该技术辅助了控制调节设备，但不是所有住户家内都有相应的电器设备，不利于技术的推广。
发明内容
本发明的目的是提供一种居住建筑室内环境监测与健康等级评价物联网系统，实时监测室内外各环境参数对人体健康的影响，综合分析居住建筑室内环境状况及健康危险等级评价，并给出改善相应环境状况的专家意见及调控措施；同时构建物联网监测系统，及时上传监测参数至数据库，作为基础科研数据及政府相关部门决策依据。解决居住建筑室内健康环境评价方法不完善、室内空气质量调控方法不健全的实际问题。
本发明是通过以下技术方案实现的：
如图1所示，整个物联网系统分为三层结构，底层为Zigbee子网，其采用Zigbee无线通信实现传感器数据传输；中间层为数据采集网关，其实现Zigbee网络与以太网之间的通信转换；上层为云服务器和客户端，中间层的数据采集网关通过路由器接入Internet网络，进而将所采集的数据上传到云服务器，云服务器完成数据的分析、计算及健康等级的评价，而PC客户端和移动客户端则通过Internet访问云服务器，从而浏览建筑室内环境的监测数据。
一个Zigbee子网实现了一个或多个房间的环境监测，综合采集室内的温度、相对湿度、空气流速、PM2.5浓度、CO2浓度、CO浓度、甲醛浓度、光照度、噪声等环境参数，各传感器通过模拟量变送、数字通信、脉冲序列等方式将其信号或数据传输到Zigbee模块。Zigbee模块完成传感器信号的模数转换及量程变换(或直接读取传感器数据)，然后将通过Zigbee无线通信将所获得的传感器数据传送到数据网关。在一个Zigbee子网中，设计支持64个传感器节点，对于离数据采集网关较远的传感器节点，通过Zigbee通信中继器增强数据传输能力。
一个数据采集网关对应一个Zigbee子网，其包括数据采集器和Zigbee模块两部分。由于Zigbee模块同时支持Zigbee无线通信和RS485通信，进而实现两者之间的通信转换；数据采集器通过RS485通信从Zigbee模块中读取现场环境监测数据，并进一步转换为以太网通信方式，进行数据上传。数据采集器是基于M-SCM9022嵌入式工控模块硬件平台开发。多个数据采集网关对一层楼或多层楼的环境数据进行采集，最终通过同一个路由器接入Internet网络，不同建筑则需通过不同的路由器接入到Internet网络。
云服务器通过Internet网络获取不同地域、不同建筑的环境监测数据，进而完成数据的实时显示、存储、分析、计算、健康等级和污染危害度的评估。PC客户端和移动客户端对云服务器的访问亦通过Internet网络完成。
一个Zigbee模块(如图2所示)通过模拟量输入、脉冲量输入、I2C接口、SPI接口、UART接口同时采集多个传感器信号，且传感器采用模拟量或脉冲变送输出，或采用直接数字输出，为外部传感器的选择提供了方便。
本发明的效果和益处是：
1、综合考虑了居住建筑室内环境对人体健康影响的物理参数及各功能房间的特殊性来评价环境对人体的健康风险。本发明室内环境健康性能检测分析仪能够以多参数多空间对室内环境进行检测分析，避免了以单一参数来表征室内环境的不严谨性，全面有效地了解室内污染物浓度及空间分布。
2、利用室内环境综合表征参数评价居住室内健康风险等级，不仅能够实时显示室内环境参数实际值，还能够对环境的健康风险进行评价及给出等级标识，当出现健康风险时，检测系统将给出环境质量改善措施的专家建议。
3、实时检测数据不仅在测试现场实时显示，还能通过数据传输通信系统，将数据传输到中央服务器端，在检测中心实时监控，为建立不同城市或地区的室内环境健康性能检测网和数据库提供了技术手段。
附图说明
图1是居住建筑室内环境监测与健康等级评价物联网系统网络结构框图。
图2是Zigbee模块硬件设计原理框图。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
如图1所示，将测试参数(如温湿度、空气流速、照度、噪声、PM2.5、CO2、甲醛、TVOC浓度)的传感器与ZigBee无线传输模块集合成一个固定的数据监测终端模块，在室内各功能房间布置相应的终端模块，户外的检测终端模块(如温湿度、空气流速、照度、噪声、PM2.5、CO2浓度)传感器及ZigBee无线传输模块，五部分的实时监测数据传输到室内的ZigBee数据集成网关，此后数据分两部分进行传输。一部分为室内可视化终端面板，对数据进行实时显示及评价分析，另一部分通过网络传输到中央服务器端进行分析及存储。数据经中央服务器后也分两方面展开，一方面为监测平台中心，对所有现有的监控住户室内环境参数状况及健康风险评价进行实时监测；另一方面为数据处理分析中心，对数据进行计算处理并存储，设置数据库中心，供用户上网查询室内环境排名情况及下载相关数据。
如图2所示，Zigbee模块同步支持4路模拟量输入(AI0～AI3)、4路脉冲隔离输入(PI0～PI3)、1路I2C总线接口、1路SPI接口、1路UART通信接口、1路RS485通信接口、1路Zigbee无线通信接口；CPU采用32位ARM7内核的STM32F407微处理器；模拟量输入采用单端输入设计，支持0～10V、0～5V、0～50mV、0～20mA、4～20mA等输入信号，并自动完成电流-电压转换，输入信号经差动衰减后，统一变换为0～50mV信号；4路模拟量输入通道经CD4051模拟开关选择后，接入运算放大器，经同相放大40倍后变换为0～2V电压信号，放大器采用LM324，通道选择则由CPU的P3.0和P3.1控制；放大器输出信号经数模转换后，由CPU通过SPI接口读取转换结果，数模转换器采用MCP3201，转换精度为12位，外部参考电压为2.048V，由LM4120提供。CPU获得转换数据后，将依据预先设置的量程上限和量程下限，完成量程变换。模拟开关和运算放大器均采用+5V和-5V供电，数模转换过程中，每轮采集周期，模拟开关均切换一次地，以便读取运放零点飘移量，软件处理时，将实际读取的数模转换值减去零点漂移值，有效消除零点漂移。
4路脉冲输入经高速光耦隔离后，输入到CPU的P3.4～P3.7引脚，以产生中断，软件上采用定时计数的方法获得输入脉冲频率，其测量的频率范围为0～10KHz。
I2C接口、SPI接口和UART接口由CPU直接提供。对于I2C接口，SDA为双向数据传输线，SCL为CPU提供的I2C时钟信号；对于SPI接口，CS1为片选控制线，CLK1为CPU提供的SPI时钟信号，频率为100KHz，MISO1为SPI接口的主入从出信号，MOSI1为SPI接口的主出从入信号；对于UART接口，TXD0为发送信号线，RXD0为接收信号线。
无线通信接口采用CC2530，其与CPU之间通过SPI2接口完成数据交互，看门狗选择IMP807，阈值电压为2.93V。RS485通信接口采用ADM2587，将CPU中UART1口的发送TXD1和RXD1转换为DT+和DT-信号，进行RS485半双工通信。
Zigbee模块采用+12V供电，外部输入的220VAC经开关电源变换后，得到+12V，为模块供电，开关电源选择的是明纬电源，型号为S-12-15，额定输出功率为15W；+12V信号经7805变换后的到+5V信号；+5V信号经SPX1117-3.3V芯片变换后，得到3.3V，为CPU提供电源；+5V信号经34C063变换后，得到-5V；+5V和-5V为模拟开关和运算放大器供电。整个Zigbee模块为外部传感器提供12V、+5V、-5V、+3.3V电源。
Claims (5)
1.一种居住建筑室内环境监测与健康等级评价物联网系统，其特征在于：整个物联网系统分为三层结构，底层为Zigbee子网，其采用Zigbee无线通信实现传感器数据传输；中间层为数据采集网关，其实现Zigbee网络与以太网之间的通信转换；上层为云服务器和客户端，中间层的数据采集网关通过路由器接入Internet网络，进而将所采集的数据上传到云服务器，云服务器完成数据的分析、计算及健康等级的评价，而PC客户端和移动客户端通过Internet访问云服务器，从而浏览建筑室内环境的监测数据。
2.根据权利要求1所述的一种居住建筑室内环境监测与健康等级评价物联网系统，其特征在于：一个Zigbee子网实现了一个或多个房间的环境监测，综合采集室内的温度、相对湿度、空气流速、PM2.5浓度、CO2浓度、CO浓度、甲醛浓度、光照度、噪声等环境参数，各传感器通过模拟量变送、数字通信、脉冲序列等方式将其信号或数据传输到Zigbee模块；Zigbee模块完成传感器信号的模数转换及量程变换，或直接读取传感器数据，然后将通过Zigbee无线通信将所获得的传感器数据传送到数据网关；在一个Zigbee子网中，设计支持64个传感器节点，对于离数据采集网关较远的传感器节点，通过Zigbee通信中继器增强数据传输能力。
3.根据权利要求1所述的一种居住建筑室内环境监测与健康等级评价物联网系统，其特征在于：一个数据采集网关对应一个Zigbee子网，其包括数据采集器和Zigbee模块两部分；由于Zigbee模块同时支持Zigbee无线通信和RS485通信，因此实现了两者之间的通信转换；数据采集器通过RS485通信从Zigbee模块中读取现场环境监测数据，并进一步转换为以太网通信方式，进行数据上传；数据采集器是基于M-SCM9022嵌入式工控模块硬件平台开发；多个数据采集网关并联对一层楼或多层楼的环境数据进行采集，并通过同一个路由器接入Internet网络，不同建筑则需通过不同的路由器接入到Internet网络。
4.根据权利要求1所述的一种居住建筑室内环境监测与健康等级评价物联网系统，其特征在于：云服务器通过Internet网络获取不同地域、不同建筑的环境监测数据，进而完成数据的实时显示、存储、分析、计算、健康等级和污染危害度的评估；PC客户端和移动客户端对云服务器的访问也是通过Internet网络完成。
5.根据权利要求1所述的一种居住建筑室内环境监测与健康等级评价物联网系统，其特征在于：Zigbee模块通过模拟量输入、脉冲量输入、I2C接口、SPI接口、UART接口同时采集多个传感器信号，且传感器均能够实现采用模拟量或脉冲变送输出，或采用直接数字输出，为外部传感器的选择提供了方便。
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