基于IoT的二氧化碳濃度檢測及通風(fēng)控制系統(tǒng)的開發(fā)方法

1、基于IoT的二氧化碳濃度檢測及通風(fēng)控制系統(tǒng)的開發(fā)方法0 引 言在北方，地窖多是用于存放蔬菜和水果，而若要取出儲在地窖中的物品時(shí)，就需要進(jìn)入地窖。但由于地窖是密封空間，其內(nèi)部蔬菜和水果通過呼吸作用將釋放大量二氧化碳等氣體，導(dǎo)致地窖內(nèi)二氧化碳濃度過高，人們在進(jìn)入的時(shí)候會發(fā)生頭暈甚至休克窒息死亡現(xiàn)象。為了避免這一現(xiàn)象發(fā)生，就需要提前進(jìn)行通風(fēng)。通風(fēng)的傳統(tǒng)方式就是打開地窖的蓋子實(shí)行自然通風(fēng)，這一方式在時(shí)間和效果上都很不理想。因而需要一種更加有效、更加省時(shí)的方法，使得進(jìn)入到地窖中的安全性能夠得到切實(shí)充分的保障。在過去最常見、最簡單的方法，就是人們在進(jìn)入地窖之前，拿一個(gè)蠟燭放在地窖入口處，如果蠟燭熄滅了，則

2、證明地窖內(nèi)的二氧化碳?xì)怏w濃度過高、需要通風(fēng)，且此時(shí)并不適合進(jìn)入。但是這種方法只能適用于個(gè)體家庭或小型地窖，那么如果是大型的儲存室或者地窖，這種方法就顯得過于粗糙了。目前常用的檢測二氧化碳濃度的方法有色譜法，奧式氣體分析儀法，但色譜法只適合檢測低含量的二氧化碳；奧式氣體分析儀法【3】卻也因含量太高太低而難得準(zhǔn)確。目前，市面上推出多種專用的二氧化碳分析儀，其中主要利用非分散紅外原理，并具有精度高，穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。而且，儀器采樣方式分為泵吸式與擴(kuò)散式，具體地：泵吸式儀器特點(diǎn)是反應(yīng)速度快，適用于快速測定密閉空間和不容易進(jìn)入地方的二氧化碳濃度，而擴(kuò)散式儀器則僅適合需要長時(shí)間監(jiān)測二氧化碳濃度的一個(gè)區(qū)域，同

3、時(shí)還可記錄一段時(shí)間內(nèi)的濃度變化?；诖?，本系統(tǒng)采用的是便攜式泵吸紅外數(shù)顯二氧化碳變送器，可以做到快速測定在地窖中的二氧化碳濃度，從而為安全進(jìn)入地窖做好必要準(zhǔn)備。1系統(tǒng)功能描述本系統(tǒng)設(shè)計(jì)再現(xiàn)了一個(gè)典型的物聯(lián)網(wǎng)完整架構(gòu)，包含感知層，網(wǎng)絡(luò)層與應(yīng)用層。由于在比較深的地窖中，越深的地方二氧化碳濃度越高，因此深度不同即會導(dǎo)致二氧化碳的濃度也隨之不同。本系統(tǒng)通過在地窖內(nèi)從低到高依次安裝多個(gè)二氧化碳傳感器，將可在同一時(shí)間檢測多范圍內(nèi)的二氧化碳的濃度，并以低于海平面最低的傳感器數(shù)值作為基準(zhǔn)，協(xié)同判斷是否啟動自動通風(fēng)系統(tǒng)，從而有效地解決人們進(jìn)入地窖的安全問題。本系統(tǒng)主要完成二氧化碳濃度檢測、數(shù)據(jù)傳輸、警報(bào)、啟動通

4、風(fēng)控制系統(tǒng)等功能，詳細(xì)論述分別如下：（1）二氧化碳濃度檢測通過繼電器和二氧化碳變送器組成的二氧化碳傳感器，對地窖內(nèi)的二氧化碳濃度進(jìn)行檢測，檢測后的數(shù)據(jù)將通過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，實(shí)物如圖1所示。（2）數(shù)據(jù)傳輸采用Zigbee技術(shù)對實(shí)際采集并數(shù)字化后的信息進(jìn)行傳輸，即借助網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)無線傳送至服務(wù)器端，服務(wù)器端則將數(shù)據(jù)傳到一個(gè)數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行存儲。（3）警報(bào)根據(jù)數(shù)據(jù)異常，啟動預(yù)先設(shè)置的報(bào)警方式及裝置，即警報(bào)信號燈點(diǎn)亮并發(fā)出報(bào)警信息，此時(shí)就可以啟動通風(fēng)控制系統(tǒng)對地窖進(jìn)行通風(fēng)。（4）通風(fēng)控制系統(tǒng)接收到警報(bào)信息后，系統(tǒng)將啟動執(zhí)行通風(fēng)控制的程序，另外還需要一個(gè)繼電器來控制通風(fēng)設(shè)備，從而達(dá)到自動進(jìn)行通風(fēng)的目的，

5、當(dāng)然也可以由用戶自己手動控制通風(fēng)系統(tǒng)。當(dāng)?shù)亟褍?nèi)的二氧化碳值降為安全值后，系統(tǒng)就會關(guān)閉通風(fēng)系統(tǒng)。2系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)（1）軟件環(huán)境操作系統(tǒng)：Windows 7、Windows 8；開發(fā)平臺：Visual Studio 2012；開發(fā)語言：C#；Java；其它軟件：SQL server 2008 R2，visio_2010。（2）硬件環(huán)境計(jì)算機(jī)：CPU intel i5處理器；內(nèi)存4G；硬盤500G；控制設(shè)備：二氧化碳濃度變送器；繼電器；無線網(wǎng)關(guān)；離心式風(fēng)機(jī)。軟件系統(tǒng)主要分為初始化模塊、信息采集模塊、信息傳輸模塊、信息接收模塊、數(shù)據(jù)分析、報(bào)警和通風(fēng)系統(tǒng)等七個(gè)模塊，如圖2所示。將四個(gè)二氧化碳傳感器從低到

6、高安置于地窖內(nèi)，位置最好是濃度差比較大的地方，檢測出濃度值，然后，通過無線傳播（如圖3所示），將數(shù)據(jù)傳送到PC機(jī)上（如圖4所示），再通過二氧化碳濃度監(jiān)測系統(tǒng)的程序?qū)Σ杉蟮臄?shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和判斷，如果測到的四個(gè)傳感器內(nèi)的最大值處于危害人體健康的濃度范圍，則可通過相應(yīng)的程序提示報(bào)警信息，表示濃度過高，請開啟通風(fēng)系統(tǒng);，操作人員即通過相應(yīng)信息，進(jìn)行相關(guān)操作。整個(gè)系統(tǒng)的流程圖如圖5所示。3測試結(jié)果針對各類范圍內(nèi)的二氧化碳濃度含量，現(xiàn)給出與其相關(guān)的人體生理反應(yīng)如下：（1）350450ppm：同一般室外環(huán)境。（2）3501000ppm：空氣清新，呼吸順暢。（3）1 0002 000ppm：感覺空氣渾濁，并開

7、始覺得昏昏欲睡。（4）2 0005 000ppm：感覺頭痛、嗜睡、呆滯、注意力無法集中、心跳加速、輕度惡心。（5）大于5 000ppm：可能導(dǎo)致嚴(yán)重缺氧，造成永久性腦損傷、昏迷、甚至死亡。由于本設(shè)計(jì)是以人們生命安全作為研究側(cè)重，所以系統(tǒng)的檢測時(shí)間至為關(guān)鍵，要求本系統(tǒng)的檢測時(shí)間必須小于30秒。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)測試，本系統(tǒng)可以準(zhǔn)確測取當(dāng)前環(huán)境的二氧化碳濃度值，而在系統(tǒng)模擬二氧化碳濃度超過閾值1 000ppm時(shí)，系統(tǒng)的報(bào)警模塊與通風(fēng)系統(tǒng)也可以正常運(yùn)行。系統(tǒng)的平均檢測時(shí)間為15秒，且系統(tǒng)每10秒中將會自動刷新一次。系統(tǒng)測試參數(shù)如圖6所示。其中，propvalues即為測試到的二氧化碳的數(shù)值。4結(jié)束語本設(shè)計(jì)采用典型的物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了二氧化碳濃度檢測及通風(fēng)控制系統(tǒng)，有效地解決了人們進(jìn)入地窖時(shí)的安全隱患。而且本設(shè)計(jì)不只局限于大型的地窖，也可應(yīng)用于煤礦，或野外探測地洞等領(lǐng)域。參考文獻(xiàn)：【1】孫文鑒，馬軍營，田崇彬. 氣相色譜法測定空氣中非甲烷總烴與一氧化碳、甲烷、二氧化碳的改進(jìn). 中國公共衛(wèi)生，1997（8）：43-44.【2】林培川，張秀梅. 高純永久性氣體中微量一氧化碳、甲烷和二氧化碳的甲烷轉(zhuǎn)化法氣相色譜法分析. 低溫與特氣，2