基于IoT的二氧化碳浓度检测及通风控制系统的开

　　0 引 言
　　在北方，地窖多是用于存放蔬菜和水果，而若要取出储在地窖中的物品时，就需要进入地窖。但由于地窖是密封空间，其内部蔬菜和水果通过呼吸作用将释放大量二氧化碳等气体，导致地窖内二氧化碳浓度过高，人们在进入的时候会发生头晕甚至休克窒息死亡现象。为了避免这一现象发生，就需要提前进行通风。通风的传统  方式就是打开地窖的盖子实行自然通风，这一方式在时间和效果上都很不理想。因而需要一种更加有效、更加省时的方法，使得进入到地窖中的安全性能够得到切实充分的保障。
　　在过去最常见、最简单的方法，就是人们在进入地窖之前，拿一个蜡烛放在地窖入口处，如果蜡烛熄灭了，则证明地窖内的二氧化碳气体浓度过高、需要通风，且此时并不适合进入。但是这种方法只能适用于个体家庭或小型地窖，那么如果是大型的储存室或者地窖，这种方法就显得过于粗糙了。目前常用的检测二氧化碳浓度的方法有色谱法，奥式气体分析仪法，但色谱法[1-2]只适合检测低含量的二氧化碳；奥式气体分析仪法[3]却也因含量太高太低而难得准确。目前，市面上推出多种专用的二氧化碳分析仪，其中主要利用非分散红外原理[4-5]，并具有精度高，稳定性好的优点。而且，仪器采样方式分为泵吸式与扩散式，具体地：泵吸式仪器特点是反应速度快，适用于快速测定密闭空间和不容易进入地方的二氧化碳浓度，而扩散式仪器则仅适合需要长时间监测二氧化碳浓度的一个区域，同时还可记录一段时间内的浓度变化。基于此，本系统采用的是便携式泵吸红外数显二氧化碳变送器，可以做到快速测定在地窖中的二氧化碳浓度，从而为安全进入地窖做好必要准备。
　　1系统功能描述
　　本系统设计再现了一个典型的物联网完整架构，包含感知层，网络层与应用层。由于在比较深的地窖中，越深的地方二氧化碳浓度越高，因此深度不同即会导致二氧化碳的浓度也随之不同。本系统通过在地窖内从低到高依次安装多个二氧化碳传感器，将可在同一时间检测多范围内的二氧化碳的浓度，并以低于海平面最低的传感器数值作为基准，协同判断是否启动自动通风系统，从而有效地解决人们进入地窖的安全问题。
　　本系统主要完成二氧化碳浓度检测、数据传输、警报、启动通风控制系统等功能，详细论述分别如下：
　　（1）二氧化碳浓度检测
　　通过继电器和二氧化碳变送器组成的二氧化碳传感器，对地窖内的二氧化碳浓度进行检测，检测后的数据将通过A/D转换为数字信号，实物如图1所示。
　　（2）数据传输
　　采用Zigbee技术对实际采集并数字化后的信息进行传输，即借助网关将数据无线传送至服务器端，服务器端则将数据传到一个数据库中进行存储。
　　（3）警报
　　根据数据异常，启动预先设置的报警方式及装置，即警报信号灯点亮并发出报警信息，此时就可以启动通风控制系统对地窖进行通风。
　　（4）通风控制系统
　　接收到警报信息后，系统将启动执行通风控制的程序，另外还需要一个继电器来控制通风设备，从而达到自动进行通风的目的，当然也可以由用户自己手动控制通风系统。当地窖内的二氧化碳值降为安全值后，系统就会关闭通风系统。
　　2系统设计与实现
　　（1）软件环境
　　操作系统：Windows 7、Windows 8；
　　开发平台：Visual Studio 2012；
　　开发语言：C#；Java；
　　其它软件：SQL server 2008 R2，visio_2010。
　　（2）硬件环境
　　计算机：CPU intel i5处理器；内存4G；硬盘500G；
　　控制设备：二氧化碳浓度变送器；继电器；无线网关；离心式风机。
　　软件系统主要分为初始化模块、信息采集模块、信息传输模块、信息接收模块、数据分析、报警和通风系统等七个模块，如图2所示。
　　将四个二氧化碳传感器从低到高安置于地窖内，位置最好是浓度差比较大的地方，检测出浓度值，然后，通过无线传播（如图3所示），将数据传送到PC机上（如图4所示），再通过二氧化碳浓度监测系统的程序对采集后的数据进行计算和判断，如果测到的四个传感器内的最大值处于危害人体健康的浓度范围，则可通过相应的程序提示报警信息，表示“浓度过高，请开启通风系统”，操作人员即通过相应信息，进行相关操作。整个系统的流程图如图5所示。
　　3测试结果
　　针对各类范围内的二氧化碳浓度含量，现给出与其相关的人体生理反应如下：
　　（1）350～450ppm：同一般室外环境。
　　（2）350～1000ppm：空气清新，呼吸顺畅。
　　（3）1 000～2 000ppm：感觉空气浑浊，并开始觉得昏昏欲睡。
　　（4）2 000～5 000ppm：感觉头痛、嗜睡、呆滞、注意力无法集中、心跳加速、轻度恶心。
　　（5）大于5 000ppm：可能导致严重缺氧，造成永久性脑损伤、昏迷、甚至死亡。
　　由于本设计是以人们生命安全作为研究侧重，所以系统的检测时间至为关键，要求本系统的检测时间必须小于30秒。
　　经过多次实验测试，本系统可以准确测取当前环境的二氧化碳浓度值，而在系统模拟二氧化碳浓度超过阈值1 000ppm时，系统的报警模块与通风系统也可以正常运行。系统的平均检测时间为15秒，且系统每10秒中将会自动刷新一次。系统测试参数如图6所示。其中，propvalues即为测试到的二氧化碳的数值。  
　　4结束语
　　本设计采用典型的物联网体系架构实现了二氧化碳浓度检测及通风控制系统，有效地解决了人们进入地窖时的安全隐患。而且本设计不只局限于大型的地窖，也可应用于煤矿，或野外探测地洞等领域。
　　参考文献：
　　[1]孙文鉴，马军营，田崇彬. 气相色谱法测定空气中非甲烷总烃与一氧化碳、甲烷、二氧化碳的改进[J]. 中国公共卫生，1997（8）：43-44.
　　[2]林培川，张秀梅. 高纯永久性气体中微量一氧化碳、甲烷和二氧化碳的甲烷转化法气相色谱法分析[J]. 低温与特气，2008（3）：27-32.
　　[3]余昆，马述蓉. 影响奥氏气体分析仪测定准确性的因素[J]. 粮食加工，2011（2）：80-82.
　　[4]甘宏，潘丹，张洪春. 便携式非分光红外吸收型二氧化碳传感器[J]. 桂林电子科技大学学报，2007（1）：19-22.