摘要：智能家居環境監測系統是對室內家居環境進行實時在線監測的重要方法。它對室內環境污染物、可吸入顆粒物、溫濕度、紫外線強度、電磁輻射強度監測具有重要作用。本文重點介紹了環境監測系統的工作原理、硬件組成和分布式系統硬件結構，可供相關監測系統設計提供參考和借鑒。
關鍵詞：中央控制系統；環境監測子系統；微型工作站；傳感器；
引言
隨著我國人民生活條件不斷改善，許多民眾擁有住房后不惜投入巨額費用進行裝修，各種材料大量涌入家居產生了嚴重的污染。裝飾物中的甲醛、苯、氨氣等有毒氣體；廚房油煙苯并芘、一氧化碳；植物花粉、灰塵、香煙、病菌及各類異味等都使環境污染越來越嚴重。同時，室內溫濕度、紫外線強度、電磁輻射等污染給人們的健康構成巨大威脅。為了監測室內環境狀況，及時預報當前的環境質量，家居環境監測系統應運而生。
1 統特點
家居環境監測系統是基于半導體傳感器的反應原理，并結合了當前成熟的電子信息技術來檢測室內污染氣體情況來實現室內環境中各項技術指標的自動監測。本系統主要由中央控制系統和環境監測子系統組成。它們硬件上都采用微型工作站來做數據接收和分析。在微型工作站上主要通過外接氣體傳感器、可吸入顆粒物傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、紫外線傳感器、電磁輻射傳感器這六種傳感器來實現數據的采集。
2 系統工作原理和硬件組成
系統主要通過實時在線監測六種指標，即污染氣體濃度、粉塵顆粒物濃度、溫度、濕度、紫外線強度、電磁輻射強度。它可以進行自動數據采樣、處理和分析，得出當前環境質量中各個監控指標值，并可以根據當前環境污染程度進行預警，各個監控指標和分析數據直接通過LCD液晶顯示屏顯示。通過這個工作原理，實現了環境質量監控指標的數據采集、處理、預報、顯示，為有效監控室內環境狀況提供了科學依據。以下將對該環境監測系統中使用的各類傳感器進行詳細的介紹：
2.1 空氣質量傳感器
TGS2602空氣質量傳感器是由集成的加熱器以及在氧化鋁基板上形成的金屬氧化物半導體構成。當空氣中的污染氣體存在時，該污染氣體的濃度越高，傳感器的電導率就越高。通過成熟的電子技術即可將該污染氣體的電導率的變化線性轉換為該污染氣體濃度的輸出信號，實現了污染氣體濃度的實時在線監測。該傳感器正是基于這種電導率原理來實現環境中污染氣體濃度監測的。該傳感器不僅對有毒有機揮發物、氨氣、硫化氫等有毒氣體有很高的靈敏度。傳感器是利用相對值檢知來實現更接近人類感覺的控制，它以純凈環境時候的電阻值為基準，通過當前傳感器的電阻值比純凈環境時的變化量來監測當前環境的污染程度。
2.2 可吸入顆粒物傳感器
DSM501顆粒物傳感器內置加熱器，加熱器可以通過熱量使氣流上升而使外部環境進入傳感器。采用光學原理，可以檢測1微米以上粒子，如香煙、灰塵、霉菌、花粉、孢子等顆粒物，采用粒子計數原理，PWM 脈寬調制輸出，以粒子計算器工作原理為基礎來監測單位體積內可吸入顆粒物的絕對個數。通過該傳感器，可以使準確監測出當前環境顆粒物的數量，為環境質量的預報提供科學依據。
2.3 溫度傳感器
DS18B20溫度傳感器可以放置在許多不同的地方，它能夠直接讀出被測物體的溫度，根據實際要求通過程序編程實現9到12位數字值的個性化設置。傳感器可以分別在93.75毫秒和750毫秒的時間內完成9位和12位的數字量，數據總線可提供溫度變換功率，數據總線本身也可以向掛接的其他傳感器供電而不需要提供額外電源。通過使用溫度傳感器可以使整個環境質量監測系統結構更加合理和科學化，可靠性更高。同時，測溫精度、轉換時間、傳輸距離、分辨率等指標理想，達到預期目的，可以用于大氣溫度實時在線監測。
2.4 濕度傳感器
DHT22電容式濕度傳感器具有檢測速度快、精度高、可靠性高、穩定性強、方便簡單和體積小等特點，廣泛應用于各個行業中進行濕度監測。電容式濕度傳感器是通過電容值不同，環境中濕度值不同的工作原理，電容值和濕度值的對應關系來進行環境濕度值輸出。由于單片機不能直接讀取傳感器的電容值，所以需要外接測量電路。因為單片機內有定時和計數器，可以進行頻率測量，所以選用頻率輸出測量電路。通過以上方法，即可實現環境濕度的實時在線監測。
2.5 紫外線強度傳感器
紫外線強度傳感器是用于監測電磁波譜中波長從100nm至400nm的輻射。紫外線按照其輻射波長的不同可以劃分成三個波段，這三個波段分別為：UV—A(315～400nm)，UV—B(280～315 nm)和UV—C(<280 nm)。大氣臭氧層可以吸收對UV—A，但是吸收量很少，所以UV—A可以直接到達地面；UV—B則和臭氧層變化緊密聯系，它會根據臭氧層的變化而變化，可以直接到底到達地面，對人體健康產生較大影響；UV—C則幾乎完全被臭氧層吸收，基本不到達地面。因此，對人體健康有重要影響的波段主要是UV—A和UV—B這兩個波段的紫外線輻射。紫外線強度傳感器則是通過光電模式監測UV—A和UV—B這兩個波段來實現紫外線強度的監測。
2.6 電磁輻射傳感器
電磁輻射傳感器的好壞直接影響電磁輻射信號的接收性能，因此，該傳感器的電氣參數是至關重要的，可以選擇適用于100 kHz～3 GHz頻率范圍的傳感器，通過采集電磁信號并進行濾波和放大，同時進行數據處理后分析得出當前的電磁輻射強度。
3 分布式系統硬件結構
系統結構主要分為中央控制系統和環境監測子系統。中央控制系統主要用于接收室內各個監測點的數據（比如房間、廚房、衛生間等），采用外接LCD大屏幕液晶顯示，同時加入語音提示和預警功能。環境監測子系統采用無線傳輸模式實現與中央控制系統的交互，最大程度的避免了房間的布線，增加了系統的靈活性和靈活度。中央控制系統和環境監測子系統硬件上主要采用微型工作站，軟件上通過安裝操作系統和控制軟件來實現。微型工作站集LCD 顯示，工控CPU及計算機主板于一體，并具有工控儀表開關電源，同時安裝觸摸屏，具有較強的抗電磁干擾和低功耗特點。具體的硬件結構如下：
結語
本系統借鑒了目前國內外現有的環境質量監測系統搭建的經驗，通過傳感器數據實時采集、處理、分析、顯示，向人們提供一套專業應對室內環境質量監測的設計方案。本系統可以實時在線監控環境中各個環境質量指標值，對當前環境質量情況進行及時預警。隨著民眾對綠色、環保、健康觀念的逐步增強，環境質量監測系統的應用將越來越受到人們的重視。
參考文獻
[1] 張毅剛．單片機原理及應用．北京：高等教育出版社．2005
[2] 徐仁貴．單片微型計算機應用技術．北京：機械工業出版社．2001.2
[3] 張似玫. 單片微型計算機原理及接口技術.北京:電子科學技術出版社，1993
[4] 康光華.陳大欽. 電子技術基礎.高等教育出版社.1999.6
作者簡介
黃國偉；性別：男；學歷：大學本科；出生年月：1983-9-21；戶籍：廣東汕頭；
工作單位：廣東省建筑科學研究院；研究領域：建筑工程信息化建設；
關鍵詞：中央控制系統；環境監測子系統；微型工作站；傳感器；
引言
隨著我國人民生活條件不斷改善，許多民眾擁有住房后不惜投入巨額費用進行裝修，各種材料大量涌入家居產生了嚴重的污染。裝飾物中的甲醛、苯、氨氣等有毒氣體；廚房油煙苯并芘、一氧化碳；植物花粉、灰塵、香煙、病菌及各類異味等都使環境污染越來越嚴重。同時，室內溫濕度、紫外線強度、電磁輻射等污染給人們的健康構成巨大威脅。為了監測室內環境狀況，及時預報當前的環境質量，家居環境監測系統應運而生。
1 統特點
家居環境監測系統是基于半導體傳感器的反應原理，并結合了當前成熟的電子信息技術來檢測室內污染氣體情況來實現室內環境中各項技術指標的自動監測。本系統主要由中央控制系統和環境監測子系統組成。它們硬件上都采用微型工作站來做數據接收和分析。在微型工作站上主要通過外接氣體傳感器、可吸入顆粒物傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、紫外線傳感器、電磁輻射傳感器這六種傳感器來實現數據的采集。
2 系統工作原理和硬件組成
系統主要通過實時在線監測六種指標，即污染氣體濃度、粉塵顆粒物濃度、溫度、濕度、紫外線強度、電磁輻射強度。它可以進行自動數據采樣、處理和分析，得出當前環境質量中各個監控指標值，并可以根據當前環境污染程度進行預警，各個監控指標和分析數據直接通過LCD液晶顯示屏顯示。通過這個工作原理，實現了環境質量監控指標的數據采集、處理、預報、顯示，為有效監控室內環境狀況提供了科學依據。以下將對該環境監測系統中使用的各類傳感器進行詳細的介紹：
2.1 空氣質量傳感器
TGS2602空氣質量傳感器是由集成的加熱器以及在氧化鋁基板上形成的金屬氧化物半導體構成。當空氣中的污染氣體存在時，該污染氣體的濃度越高，傳感器的電導率就越高。通過成熟的電子技術即可將該污染氣體的電導率的變化線性轉換為該污染氣體濃度的輸出信號，實現了污染氣體濃度的實時在線監測。該傳感器正是基于這種電導率原理來實現環境中污染氣體濃度監測的。該傳感器不僅對有毒有機揮發物、氨氣、硫化氫等有毒氣體有很高的靈敏度。傳感器是利用相對值檢知來實現更接近人類感覺的控制，它以純凈環境時候的電阻值為基準，通過當前傳感器的電阻值比純凈環境時的變化量來監測當前環境的污染程度。
2.2 可吸入顆粒物傳感器
DSM501顆粒物傳感器內置加熱器，加熱器可以通過熱量使氣流上升而使外部環境進入傳感器。采用光學原理，可以檢測1微米以上粒子，如香煙、灰塵、霉菌、花粉、孢子等顆粒物，采用粒子計數原理，PWM 脈寬調制輸出，以粒子計算器工作原理為基礎來監測單位體積內可吸入顆粒物的絕對個數。通過該傳感器，可以使準確監測出當前環境顆粒物的數量，為環境質量的預報提供科學依據。
2.3 溫度傳感器
DS18B20溫度傳感器可以放置在許多不同的地方，它能夠直接讀出被測物體的溫度，根據實際要求通過程序編程實現9到12位數字值的個性化設置。傳感器可以分別在93.75毫秒和750毫秒的時間內完成9位和12位的數字量，數據總線可提供溫度變換功率，數據總線本身也可以向掛接的其他傳感器供電而不需要提供額外電源。通過使用溫度傳感器可以使整個環境質量監測系統結構更加合理和科學化，可靠性更高。同時，測溫精度、轉換時間、傳輸距離、分辨率等指標理想，達到預期目的，可以用于大氣溫度實時在線監測。
2.4 濕度傳感器
DHT22電容式濕度傳感器具有檢測速度快、精度高、可靠性高、穩定性強、方便簡單和體積小等特點，廣泛應用于各個行業中進行濕度監測。電容式濕度傳感器是通過電容值不同，環境中濕度值不同的工作原理，電容值和濕度值的對應關系來進行環境濕度值輸出。由于單片機不能直接讀取傳感器的電容值，所以需要外接測量電路。因為單片機內有定時和計數器，可以進行頻率測量，所以選用頻率輸出測量電路。通過以上方法，即可實現環境濕度的實時在線監測。
2.5 紫外線強度傳感器
紫外線強度傳感器是用于監測電磁波譜中波長從100nm至400nm的輻射。紫外線按照其輻射波長的不同可以劃分成三個波段，這三個波段分別為：UV—A(315～400nm)，UV—B(280～315 nm)和UV—C(<280 nm)。大氣臭氧層可以吸收對UV—A，但是吸收量很少，所以UV—A可以直接到達地面；UV—B則和臭氧層變化緊密聯系，它會根據臭氧層的變化而變化，可以直接到底到達地面，對人體健康產生較大影響；UV—C則幾乎完全被臭氧層吸收，基本不到達地面。因此，對人體健康有重要影響的波段主要是UV—A和UV—B這兩個波段的紫外線輻射。紫外線強度傳感器則是通過光電模式監測UV—A和UV—B這兩個波段來實現紫外線強度的監測。
2.6 電磁輻射傳感器
電磁輻射傳感器的好壞直接影響電磁輻射信號的接收性能，因此，該傳感器的電氣參數是至關重要的，可以選擇適用于100 kHz～3 GHz頻率范圍的傳感器，通過采集電磁信號并進行濾波和放大，同時進行數據處理后分析得出當前的電磁輻射強度。
3 分布式系統硬件結構
系統結構主要分為中央控制系統和環境監測子系統。中央控制系統主要用于接收室內各個監測點的數據（比如房間、廚房、衛生間等），采用外接LCD大屏幕液晶顯示，同時加入語音提示和預警功能。環境監測子系統采用無線傳輸模式實現與中央控制系統的交互，最大程度的避免了房間的布線，增加了系統的靈活性和靈活度。中央控制系統和環境監測子系統硬件上主要采用微型工作站，軟件上通過安裝操作系統和控制軟件來實現。微型工作站集LCD 顯示，工控CPU及計算機主板于一體，并具有工控儀表開關電源，同時安裝觸摸屏，具有較強的抗電磁干擾和低功耗特點。具體的硬件結構如下：
結語
本系統借鑒了目前國內外現有的環境質量監測系統搭建的經驗，通過傳感器數據實時采集、處理、分析、顯示，向人們提供一套專業應對室內環境質量監測的設計方案。本系統可以實時在線監控環境中各個環境質量指標值，對當前環境質量情況進行及時預警。隨著民眾對綠色、環保、健康觀念的逐步增強，環境質量監測系統的應用將越來越受到人們的重視。
參考文獻
[1] 張毅剛．單片機原理及應用．北京：高等教育出版社．2005
[2] 徐仁貴．單片微型計算機應用技術．北京：機械工業出版社．2001.2
[3] 張似玫. 單片微型計算機原理及接口技術.北京:電子科學技術出版社，1993
[4] 康光華.陳大欽. 電子技術基礎.高等教育出版社.1999.6
作者簡介
黃國偉；性別：男；學歷：大學本科；出生年月：1983-9-21；戶籍：廣東汕頭；
工作單位：廣東省建筑科學研究院；研究領域：建筑工程信息化建設；
