家庭环境监测传感器研究

王梦秋

摘 要：本文分析了家庭环境监测传感器的分类与构成、多种传感器的集成、通信与电源的设计等内容，重点分析了多种传感器的集成和节能设计。通过以上分析，探索家庭环境监测传感器研发的要点，力求研发出具有集成程度高、实用性强、可靠性高、成本较低的家庭环境监测传感器，为家庭环境监测的信息采集奠定良好的基础。

关键词：环境监测；传感器；研究

中图分类号：TN929 文献标识码：A

一、研究背景

随着现代社会的高速发展，人们对室内环境要求越来越高，通风、采光、温度、湿度、氧气、二氧化碳、一氧化碳、煤气、PM2.5、装修污染、放射性物质等环境因素，希望能有比较良好的、更适合人居住的数值。但是目前，这些因素还只停留在人的感觉层面，没有形成能够探测的、能够采集的具体的信息数据。即使如温度、湿度等环境因素能够进行探测和采集，由于探测环境因素单一和不成体系，难有大范围应用。因此，研发探测环境因素多、集成度高、实用性强、可靠性高的家庭环境探测传感器，尤其必要，且能大范围使用。

二、环境因素分类

1.气体类：气体类的环境因素有氧气、煤气、二氧化碳、一氧化碳、甲醛等；

2.微粒类：微粒类环境因素有PM2.5、PM10、灰尘等；

3.固体类：固体类环境因素有放射线等；

4.设备类：设备类环境因素有水压、电压、燃气气压等；

5.综合类：综合类环境因素有：温度、湿度、大气气压、通风、采光等。

三、传感器构成

家庭环境探测传感器由环境因素探测模块、数字化转换模块、综合控制模块、显示模块、无线通信模块、电源模块等六大模块组成。如图1所示：传感器构成。

1.环境因素探测模块

该模块主要功能是对环境因素进行探测，根据不同探测对象，采用不同的探测媒介。主要作用是将探测的环境对象转换为电信号，如温度、湿度、气压、氧气等环境因素，通过不同的感知媒介，将这些因素的波动情况转换为电信号的波动。

2.数字化转换模块

该模块的功能是将环境因素波动的电信号，转换为数字信号。

3.综合控制模块

该模块对传感器各大模块进行综合控制，如提供时钟、控制数据采集时间、通信方式、通信协议、数字化显示、节电模式等。

4.显示模块

该模块的功能是将转换为数字的环境因素，在显示屏上进行显示。

5.无线通信模块

该模块的功能是将采集到的环境因素数字信号，通过无线通信方式向其他设备发送。

6.电源模块

该模块的功能是为传感器提供稳定可靠的电源，根据不同的电源类别（如干电池、充电电池、市电），提供不同的电源保护、过滤模式，避免电源电压的波动对传感器探测数据的影响。

四、传感器集成

根据家庭环境因素探测的类别和环境因素探测媒介，按照便于探测、便于集成、便于部署的原则，尽可能将多种探测媒介集成在一个传感器上，以便于部署、降低成本、提高实用价值。如图2所示，传感器集成结构图，如：温度、湿度、采光、通风、大气气压等5个环境因素可以集成在一个传感器，主要部署在客厅和卧室，既便于部署、又降低了成本，与分别采用5个传感器相比，实用性大幅增加。

氧气、二氧化碳、一氧化碳、甲醛、PM2.5、PM10、放射线等因素可以集成在一起，主要部署在客厅和卧室；

煤气、通风等因素集成在一起，主要部署在厨房。

水压、电压、燃气气压等因素，只能用单独的传感器。

五、传感器精度

每种传感器，都有不同的数据采集精度，不同的精度，成本差异较大。对家庭环境探测传感器的精度，根据探测因素的重要性，分别采用不同的精度值。

对有毒类因素，如煤气、一氧化碳、二氧化碳等，采用较高的精度值。

对人们生活影响不大的因素，如采光、通风、氧气、气压，可以采用较低或一般的精度值，以降低成本。

六、可靠性与节能

1.可靠性

对环境因素探测传感器，其自身稳定运行的环境有一定要求，可以根据不同地域的气候特点研制不同型号的传感器，以提高其适应性和可靠性。

如针对南方温度高、湿度大、海拔低的环境，研制与南方环境相适应的传感器；针对北方气温低、气候干燥，研制适应北方环境的传感器；对海拔高、日照长、空气稀薄的高原地区，研制适应于该环境的传感器。

针对不同环境专门研制的传感器，可靠性可以大幅提升。

2.节能性能

家庭环境探测，常采用多个传感器，为便于部署，难以全部采用市电电源，往往采用干电池或充电电池，这类电池，很难保障对传感器长期持续地供电。为提升传感器持续使用时间，必须提升传感器的节能性能。一是硬件设备上，尽可能使用功耗小的设备，如贴片电阻、电容，以降低传感器功耗；二是减少数据采集时间，根据不同环境因素，设置不同的数据采集时间；三是减少无线通信次数，根据设定的数据采集时间，只有在数据采集成功后才短时通信，其余时间，處于低功耗的节能状态。

结语

综上所述，家庭环境探测传感器，是现代社会人们急切需要、技术上可以实现的传感器，通过对各类环境探测因素的有机集成，进一步降低传感器的成本和部署难度，使家庭环境探测成为可以实现的一种方便、实用的环境因素探测设备，能够大范围在普通家庭使用。这种传感器的使用，能够改变家庭环境因素不可见、难以探测的现状，能够为人们建设美好的家庭环境提供有效的探测工具。

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