时间：2022-05-18 09:29:11
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摘 要：高校实验室在上课期间，人员集中，室内环境质量恶劣，对师生的健康和学习效率有着很大的影响。文中选择高校实验室作为研究对象，通过对实验室室内环境监测技术的研究，为营造健康舒适的高校室内环境提供了一种技术支持，从而为实现高校室内环境质量的健康可持续发展奠定了基础。
关键词：室内环境质量监测；温湿度；光照；ZigBee
0 引 言
健康舒适的室内环境对任何一种建筑来说都尤为重要，实验室作为人员密集型建筑，良好的室内环境有助于提高学生的学习效率。如果温度过高或过低，湿度过湿（高于70%）或过燥（低于30%），光照的过明或过暗，都会使学生产生不适感，影响正常排汗和情绪、降低注意力。由此可见，实验室环境的不尽人意，在无形中影响了学生的健康和学习效率。因此，开发了室内环境质量无线监测系统，以便24小时监控实验室的环境质量参数。本无线检测系统的主要特点如下：（1）该系统可以延长实验室里面设备的使用寿命，为设备提供一个安全的使用环境；（2）该系统能够提高管理效率，温湿度数据可以远程传输，管理人员在巡查的时候不必到机房去就可以远程了解实验室的环境问题；（3）本系统可以代替管理人员24小时监控非上班时间实验室存在的安全隐患，达到对实验室远程监控的目的。
1 系统总体设计
在日常生活中，由于存在个体差异，在各种条件下要找到一个单一的指标来准确反映人体对环境的舒适性是很困难的。因此，在环境舒适性的检测过程中，我们往往关注三个比较重要的影响环境舒适性的因素：温度、湿度、照度。所以本系统针对实验室的环境分别采集温度、湿度、照度这三个因素来衡量实验室环境的舒适性。系统的总体设计框图如图1所示。
图1 室内环境无线监测系统的总体设计框图
本文所述的室内环境无线监测系统分为硬件设计方案和软件设计方案两部分。
1.1 硬件设计方案
该系统采用模块化的硬件设计，由STC12系列单片机微控制器、温湿度传感器、光照传感器、CC2530芯片的ZigBee收发模块、液晶显示模块、电源模块等组成。该终端具有室内环境参数的自动采集、计算处理等功能，它可以连续自动地测量温度、湿度、光照这些指标，各种要素经过传感器将模拟量转化成相应数字量，供采集器定时处理后给单片机进行处理，实现数据的采集、显示及无线传输。
1.2 软件设计方案
室内环境无线监测系统的软件设计由主程序、温湿度传感器驱动子程序、光照传感器驱动子程序、LCD12864液晶显示子程序、串口通信子程序等组成。对于硬件方案用到的编程软件其中包括对于微控STC12C5A60S2进行C语言程序编译的Keil软件，将Keil软件生成的.hex头文件烧录至MCU中的下载软件STC-ISP中。
2 室内环境质量无线监测系统的硬件设计
实验室室内环境质量无线采集系统在硬件设计过程中，使用了模块化的设计方法，分别为微处理器电路设计、数据采集模块电路设计、显示模块电路设计、串口通信电路设计、无线收发模块。在本系统中，对实验室室内环境质量参数数据的采集主要依靠各种传感器，如温湿度传感器AM2301、照度传感器模块GY30。这些传感器的工作原理是利用物质各种物理性质随环境变化的规律把温度、湿度、照度等转换为模拟量或数字量进行输出，通过单片机采集这些电量数据并对其进行计算即可确定各环境参数的数值。在室内环境质量无线监测系统的设计中，本文使用了STC12C5A60S2单片机进行设计。具体包括：单片机最小系统，温湿度接口电路，光照接口电路，接口电路，电源电路，串口通信接口电路。
2.1 MCU的选型
本系统设计采用的是STC12C5A60S2单片机。STC12C5A60S2 在众多的51系列单片机中，算是国内STC 公司的1T增强系列中更具有竞争力的一种，因为他不但和8051指令、管脚完全兼容，而且其片内具有Flash工艺的大容量程序存储器。如STC12C5A60S2单片机内部就自带高达60 K的 FlashROM，这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除、改写。而且STC系列单片机支持串口程序烧写。显而易见，这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。写入单片机内的程序还可进行加密，很好地保护了用户的劳动成果。
2.2 温湿度传感器AM2301
DHT21数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电容式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个DHT21传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选择。
2.3 光照传感器模块GY30
本系统采用新型单片测光芯片GY30模块，该模块的工作电压为3.3 V，内置了BH1750芯片，可以对广泛的亮度进行1勒克斯的高精度测定，实现了照明度（1～65 536勒克斯）数字值的直接输出。主控器通过I2C（Inter-Integrated Circuit） 通讯接口读取GY30采集到的数据，然后按照用户要求的形式通过界面将数据呈现出来。
2.4 ZigBee数据传输模块选型
本系统中所使用的ZigBee模块为某电子公司的无线模块，该无线模块在产品类型中分为三种：ZigBee（Coordinator-协调器）模块、ZigBee Router（路由器）模块、ZigBee End Device（终端设备）模块。 ZigBee能耗无线监测终端的硬件设计中，无线ZigBee模块（Router-路由器）的功能是以无线方式发送数据资料包，并寻找最适合的路由路径，当有其他终端节点加入时，其也可为其他终端节点分配地址。CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能，其内部包含一个8051 CPU，且系统内可编程，其支持TI官方指定的IAR编译软件，并具备8 KB RAM，因此，CC2530是一个完整的SoC解决方案。通过其可以建立强大的无线传感器网络。
2.5 ST7920型12864液晶显示模块
为了在节约硬件资源的基础上可以得到更丰富的显示内容，并考虑到低功耗的要求，本系统设计中的显示电路采用ST7920型12864带字库的液晶显示模块。
3 室内环境质量无线监测系统软件设计
本节的主要内容是进行室内环境质量无线监测系统的软件设计，软件设计的核心为底层硬件温湿度传感器AM2301模块、光照传感器GY30模块、LCD12864液晶、串口通信等编写驱动程序，使得监测系统在上电后可以分别正常监测温湿度值、光照值的显示，及进行串口通信。室内环境质量无线监测系统主控程序流程图如图2所示。
图2 室内环境质量无线监测系统主控程序流程图
3.1 温湿度传感器AM2301驱动子程序设计
DATA数据线用于MCU与 AM2301之间的通信。四十比特完整的数据=十六比特的湿度数据值+十六比特的温度数据值+八比特校验和。例如，接收四十比特的数值，温湿度传感器AM2301的数据格式如图3所示。
图3 温湿度传感器AM2301的数据格式
空闲时总线为高电平，通讯开始MCU拉低总线1～10ms，然后释放总线，延时20～40 μs后主机开始检测响应信号。从机AM2301的响应信号是一个80 μs左右的低电平，随后从机在拉高总线80 μs左右代表即将进入数据传送。长的高电平代表的是信号1；短的高电平代表的是信号0。温湿度传感器AM2301数据传输的时序图如图4所示。
图4 温湿度传感器AM2301的数据传输时序图
3.2 光照传感器GY30驱动子程序设计
GY30与主控器之间的通讯使用I2C通讯协议。时钟线为高电平时，数据线由高电平向低电平变化表示开始信号；时钟线为高电平期间，数据线由低向高变化表示结束信号。I2C通讯协议的起始信号与终止信号时序图如图5所示。
图5 I2C通讯协议的起始信号与终止信号时序图
3.3 串口通信子程序设计
上位机对单片机所存储的数据的读取是通过USART实现的。由于单片机内部集成有USART模块，因此MCU只需要连接MAX232芯片，就能和PC通信。首先，单片机要设置异步通信的比特率数据位、停止位、校验方式等，最后才打开中断。在本系统中，异步串口通讯模块比特率设置为9 600，通信模式采用模式l，即每次发送的有效数据为8位，另加一位停止位。串口通信的软件设计流程图如图6所示。
4 结 语
本文针对室内环境质量的关键问题，基于物联网技术，采用无线数据采集与传输等先进信息技术手段，准确采集室内环境质量数据，使实验室室内环境质量在计量、采集、统计方面更加完善，同时确保实验室的正常、高效、健康、稳定地运行。管理人员只需要通过网络就可以了解实验室环境的实际情况，从而极大地减轻对实验室的管理工作，实现实验室的科学管理。
摘要：为了提高室内无线传感器网络的定位精度，设计了一个基于UWB的无线传感器网络定位系统，该系统在上位机软件上运用TDOA算法进行定位计算，硬件设计上锚节点采用decaWave公司生产的DW1000为无线收发芯片，在其控制器STM32内部写入嵌入式程序，完成数据记录、收发。该系统理论定位精度可达到10cm，抗多径能力强、稳定性高，为无线网络传感器定位提供了更多的参考。
关键词：无线传感器网络 UWB TDOA DW1000
随着物联网时代的到来，人类已经置身于信息时代，一种全新的UWB技术与21世纪最具影响力的无线传感器网络的完美结合，正在改变着科技，改变着人类工作生活的方式，连通了现实社会、计算机世界、人类社会这三元世界。人类社会对目标进行检测、定位、跟踪和导航要求日益增高，尤其在环境复杂的室内，常常需要确定物品与设施的具体位置，所以急切需要开发通信能力强、成本小、能耗低、可靠性高的定位系统。相比于其他无线传感器网络通信技术，基于UWB[1]的无线传感器网络技术低功耗、低成本、高容量、高安全性的特点，非常适合于多点数据通信搭建室内定位平台。
1 系统构架和定位原理
1.1 系统整体构架
本定位系统主要由硬件和软件两部分构成，硬件部分是基于UWB（IEEE802.15.4）协议的无线传感器网络，其中包括标签节点（Tag）、锚节点（Anchor），软件部分包括硬件嵌入式软件和运行于上位机上的实时定位系统（RTLS）软件。 在系统中锚节点的设计是关键，锚节点对标签节点TOA信息进行的记录[2] [3]，并且，记录锚节点之间的时间同步信息，然后发送给上位机定位软件，由上位机定位软件完成TDOA[4]定位分析计算，定位位置显示，并对Anchor/Tag进行配置管理。如图1所示。
1.2 定位原理
定位系统基于TDOA定位方法，这种方法只要求锚节点之间同步，不要求锚节点与标签之间同步，便与工程实现。通过标签节点向位置已知的锚节点发送无线电波信号，测量出标签节点到达锚节点的时间差，因为在空气中无线电波传播的速度近似于光速，所以，可以得到标签节点到锚节点的距离差，然后根据双曲线原理，利用最小二乘可以求出标签节点的坐标[5]，完成定位。如图2所示。
已知有三个锚节点A 、B 、C 的坐标，未知标签节点T ，T到A与T到B的距离差 ，T到A与T到C的距离差 ，根据几何原理，标签节点T必定位于以锚节点A、B为焦点、与两个焦点的距离差恒为 的双曲线上。同时，标签节点T也位于以锚节点A、C为焦点、与两个焦点距离差恒为 的双曲线上，则有，
因为各个锚节点的位置都已知，可以求出 ， ， ，得到位置标签T ，的位置。
2.硬件设计
2.1 锚节点总体架构
锚节点和标签节点是硬件设计的关键，标签节点的功能很单一只是按固定周期发送广播数据包，设计比较简单，与锚节点设计相似，这里以锚节点作为重点进行介绍，下图是锚节点设计总体架构，锚节点主要有处理器模块、无线收发模块、嵌入式软件组成。锚节点以STM32F107VCT6为MCU，通过SPI[6]连接DW1000无线收发芯片，对其进行控制管理，集成EEPROM芯片，用于存储锚节点MAC地址、IP地址、RTLS定位服务器IP地址等，锚节点还设计有Ethernet接口用于上传数据、提供电源。如图3所示。
2.2 处理器模块
定位系统节点在MCU的选择上，采用意法半导体公司推出的互联型系列微控制器STM32F107VCT6，此芯片集成了各种高性能工业标准接口。它基于ARM Cortex-M3内核，主频72MHz，内部含有256K字节的FLASH和64K字节的SRAM，LQFP100封装。板上除晶振外的所有IO口全部引出，方便扩展及开发。内部集成高性能以太网模块，支持802.3协议定义的独立于介质的接口（MII）和简化的独立于介质的接口（RMII），支持DHCP、Telnet、TFTP、HTTP等协议。提供256字节的I2C端口，提供18Mbps的SPI接口，含有USB 2.0 OTG全速接口，支持从USB接口取电或通过控制对USB设备供电。
2.3 无线通模块
无线通信模块采用decaWave公司提供的DW1000无线收发芯片，它是一个遵循IEEE802.15.4-2011 UWB标准的低能耗、低成本无线收发芯片，支持精度定位和同步数据传输，定位精度可达到10cm，抗多径能力强，在RTLS系统中支持高密度存在，长寿命的电池适用于极小系统的消耗，支持TOF测距和TDOA精确定位，支持6个从3.5GHz到6.5GHz射频波段，数据传输速率为110 kbps，850 kbps，6.8 Mbps，功率消耗低，睡眠模式电流1 ?A，深度睡眠迷失电流50nA，拥有完整的MAC层支撑软件，提供SPI接口，可连接主处理器，6 mm x 6 mm 48引脚小型封装包，引线间距0.4 mm。适用于无线传感器网络。如图4所示。
2.4 SPI接口设计
SPI是一种同步串行外设接口，本系统中STM32作为主设备通过SPI实现对从设备DW1000无线收发芯片内部寄存器和RAM的读写操作，进行通信以交换信息、发送命令。SPI接口设计有4跟线，其中SCLK表示主设备STM32产生时钟信号，完成对通信的控制， MOIS表示STM32输出数据，DW1000接收数据， MIOS表示DW1000输出数据，STM32接收数据， CS1/CS2表示DW1000的使能信号，由STM32控制。如图5所示。
2.5 I2C设计
I2C[7]模块采用24C02的EEPROM芯片，该芯片容量为2Kbit，256个8字节，内有一个16字节写缓存器，支持I2C总线传输协议。I2C总线由数据线SDA和时钟线SCL构成，可以在MCU与DW1000、DW1000与DW1000之间进行双向传输，各种被控制的电路都并联在这条总线上，每个模块都有自己唯一的地址，根据所要完成的工作，在信息传输的时候，每一个模块既是控制器，又是发送器。本系统主要用于存储Anchor MAC地址、IP地址、RTLS定位服务器IP地址、decaWave DW1000收发器芯片的硬件配置信息。如图6所示。
3 嵌入式软件设计
嵌入式软件开发采用Keil公司的Keil uVision4，编程语言使用C语言，该软件的编译与调试能够与ARM器件高效匹配。编写在MUC中的嵌入式软件主要完成标签节点到锚节点TOA的测量、锚节点之间TOA信息的测量、将获得信息传送给RTLS。
嵌入式软件的信息处理流程采用串行处理，单线结构就可完成所需功能，包括 STM32复位和时钟配置模块（STM32-RCC）、I2C读取模块、Ethernet模块、DHCP动态IP获取模块、UDP5555端口初始化模块、UDP4646端口初始化模块、定时器配置模块、decaWave DW1000收发器配置模块、上层应用初始化模块、发送无线广播数据包模块、中断处理程序。当无线收发收发芯片收到或发送一个数据帧的的时候，会向MUC发送中断请求，中断程序主要中断产生的类型、判断中断位置是否正确、读取数据接收帧的源地址、读取数据接收帧的类型、接收数据帧、读取TOA信息、将读取的信息进行封装发送给RTLS。如图7所示。
图7 嵌入式软件流程图
4 上位机软件设计
上位机软件采用微软公司开发的WPE框架，使用C#编程语言。主要完成TDOA定位分析计算，Anchor状态显示、定位显示、配置管理。Anchor状态显示主要显示Anchor是否连接到TDOA-RTLS，Anchor能够接收到那些Anchor的Pacer-blink信号，以及Anchor两个无线模块的工作状态；定位显示主要显示Anchor位置和工作状态（有无信号发送），Tag位置和工作状态（有无信号发送），Tag历史位置（或活动轨迹）指示；配置管理功能主要包括定位软件的功能配置和Anchor的管理配置。
4.1 上位机软件接口
嵌入式软件通过端口号为6666的UDP连接向RTLS发送TOA分析计算和Anchor之间的时钟同步所需的信息，该端口上传输的信息包括长度分别为76字节和70字节的数据包；RTLS通过端口号为3535的UDP发送管理配置信息，该端口的信息完全可以通过IP Tools网络监测工具进行数据包的截获和分析，并且这些信息可以与I2C芯片中读取的信息进行对比分析；RTLS通过编号为2346的UPD将定位计算结果直接发送给各个显示客户端；RTLS通过端口编号为2345的UPD发出TDOA定位计算结果。如图8所示。
4.2 上位机软件工作流程
上位机软件的设计比较复杂，主要有主线程、TDOA计算线程、UDP6666数据包接收线程、UDP6666 socket数据包收发线程、UDP3535处理线程、UDP2346处理线程构成。当定位系统开始运行时，RTLS系统通过端口6666的UDP连接就收上传数据，当数据包接收完成后对数据包进行解析，76字节数据包提供标签到达锚节点的TOA信息，70字节数据包提供锚节点之间的TOA信息，之后通过TDOA计算线程调用定位算法函数进行定为计算，最后通过UDP2346处理线程显示出定位结果，整个过程中UDP3535处理线程一直处于打开状态，进行管理配置。如图9所示。
5 结语
本文设计了一个基于与DW1000的超宽带室内定位系统，该系运用TDOA定位算法，原理简单，易于工程实现，硬件部分采用DW1000无线收发芯片，具有定位精度高、稳定性强、成本低等特点。同时，本系统的设计为无线传感器网络室内定位提供了一个参考样本，具有一定的参考价值。
[摘 要]消火栓系统是最基本、最重要的灭火设施，对消火栓系统的设计理应引起足够的关注和重视。本文分析了消火栓系统的特点，探讨了室内消防竖管设置的最小间距，并研究了高位消防水箱设计的几个问题。
[关键词]消火栓；消防竖管；高位消防水箱
1 消火栓系统的特点
消火栓系统是我国使用最早、应用最为广泛的消防系统。消火栓系统包括室内外消火栓设备、消防管道、消防供水等设施，在灭火时有以下几个特点：
（1）人工操作的消防系统，也意味着发生火灾时，消防人员的到位会有一定的滞后；
（2）系统本身灭火效果也会受到火场条件的影响，比如：较高的火场温度，浓烟降低了火场能见度，建筑构造设计不完全符合消防要求等；
（3）火灾最终需要由消火栓系统来收尾。
作为室外、室内都使用的消防系统，消火栓系统是最基本、最重要的灭火设施，对消火栓系统的设计理应引起足够的关注和重视。本文即对室内消火栓系统设计中所遇见的几个问题进行分析。
2 消防竖管最小间距的确定
《建筑设计防火规范》（以下简称“建规”）规定：室内消火栓的布置应保证每一个防火分区同层有两支水枪的充实水柱同时到达任何部位[1]。
《高层民用建筑设计防火规范》（以下简称“高规”）规定：消防竖管的布置，应保证同层相邻两个消火栓的水枪的充实水柱同时达到被保护范围内的任何部位[2]。
《消防给水及消火栓系统技术规范》规定（以下简称“水规”）：室内消火栓的布置应满足同一平面有2支水枪的2股充实水柱同时达到任何部位的要求[3]。
依以上规范条文可知，消火栓布置时可根据水枪的充实水柱长度、建筑层高和水带长度得到消火栓的保护半径，使得建筑内各处均处于两个以上消火栓的保护范围内即可达到要求。由此结合建筑内部形式可基本确定消防竖管的最大设计间距。
但上述三部规范并未详细规定消防竖管的最小间距，当两个消火栓布置间距过近或紧连着布置一处时，一旦火势威胁到某处消火栓，两个消火栓极易同时受大火影响，无法起到互相保护的作用，这种情况应该避免的。所以消防竖管布置应保证最小间距，根据对安全出口应分散布置并保证至少5米最小间距的要求，保证5米是一个比较合理的最小间距。
3 高位消防水箱设置的必要性
消防水箱是设置在高处直接向水灭火设施重力供应初期火灾消防用水量的蓄水设施。对于高位消防水箱，部分人认为消防水箱可少设或不设，因为建筑高处设置的水箱可能会影响建筑立面处理，增加结构荷载和抗震防护要求，而且水箱作用有限，自身并不一定完全满足最不利点水压要求，且在消防主泵投入较早较及时的情况下，可以基本保证消防供水。
但笔者认为，考虑到我国的电力供应和消防设施管理情况，结合已发生的火灾案例，若不设高位消防水箱很有可能影响到火灾的初期灭火，而能否及时、快速的在火灾大范围蔓延之前控制火势是至为关键的。况且如下文所述，消防系统在设计时可以降低水箱设置高度，或设置在下层，通过设置稳压泵来达到水箱的设计压力要求。所以，在临时高压消火栓系统中设置高位消防水箱是非常有必要的。
4 高位消防水箱的设置高度
《水规》规定：高位消防水箱的设置位置应高于其所服务的水灭火设施，且最低有效水位应满足水灭火设施最不利点处的静水压力，并应按下列规定确定：1一类高层公共建筑，不应低于0.10MPa，当建筑高度超过100m时不应低于0.15MPa；2高层住宅、二类高层公共建筑、多层公共建筑，不应低于0.07 MPa；多层住宅不宜低于0.07 MPa；3工业建筑，不应低于0.10 MPa，当建筑体积小于20000m？时，不宜低于0.07 MPa；4自动喷水灭火系统等自动水灭火系统应根据喷头灭火需求压力确定，但最小不应小于0.10 MPa[3]。
由上述条文可见，《水规》要求需满足最不利消火栓处7m 、10m和 15m水柱的净水压力，但符合《水规》要求的消防水箱设计仍有可能出现以下两个问题：
（1）满足《水规》要求消防水箱的设置高度，并不能完全保证最不利消火栓处的正常使用压力。根据工程实践计算，最不利消火栓口所需压力与水带长度、水带材质、水枪喷口直径、所需充实水柱长度和水枪射流量有关。19mm水枪配65mm衬胶水带，水带长度25m，则当消火栓出流量取5L/s时，最不利栓口所需水压为0.189MPa。由此可见，当保证最不利消火栓处7m 、10m和15m水柱的净水压力，并不能保证最不利消火栓的灭火需要。
（2）消防水箱的设置高度不应仅为满足最不利消火栓处的压力需求，在实际工程中，自动喷水灭火系统（以下简称自喷系统）亦需设计高位消防水箱，而且自喷系统与消火栓系统常共用一座消防水箱。此时，消防水箱还应满足自喷系统最不利喷头处的压力需要。根据实际工程计算可知，此处一般需0.2MPa以上的静水压力。
综上所述，从尽可能满足最不利点处灭火要求来看，高位消防水箱的设置位置应高于其所服务的水灭火设施，且最低有效水位应满足水灭火设施最不利点处的静水压力（自喷、消火栓均应满足最低压力）。当高位消防水箱不能满足此静压要求时，可增设稳压泵和稳压水罐，成为设有稳压泵的临时高压消防给水系统。
5 高位消防水箱有效容积
《水规》按照建筑物性质和标准确定高位消防水箱的有效容积有明确规定：1一类高层公共建筑，不应小于36m3，但当建筑高度大于100m时，不应小于50m3，当建筑高度大于150m，不应小于100 m3；2多层公共建筑、二类高层公共建筑和一类高层住宅，不应小于18m3，当一类高层住宅建筑高度超过100m时，不应小于36 m3；3二类高层住宅，不应小于12 m3；4建筑高度大于21m的多层住宅，不应小于6 m3；5工业建筑室内消防给水手机浏览当小于等25L/s时，不应小于12 m3，大于25L/s时，不应小于18 m3；6总建筑面积大于10000O且小于30000O的商店建筑，不应小于36m？；总建筑面积大于30000O的商店，不应小于50m？，当与本条第1款规定不一致时应取其较大值[3]。上述规范条文要求基本清楚，但有以下两个问题：
（1）高位消防水箱的有效容积能否满足初期火灾水灭火系统所需消防用水量的要求。高位消防水箱火灾初期灭火的重要供水来源，常见的初期水灭火设施包括室内消火栓系统和自动喷水灭火系统，以建筑高度超过50m的一类高层公共建筑为例。《水规》规定此类建筑室内消火栓用水量为40L/s，火灾初期以10min计，则需水量：
40L/s×10min×60s=24m3
另外此类建筑又须设自动喷水灭火系统，又需水量：
30L/s×10min×60s=18m3
10min初期灭火用水共需水量：
24+18=42m3
由此可见，规范所要求的水箱有效容积实际上是不够10min满负荷灭火需要的，但考虑到火灾初期消火栓和喷头使用数量有限，消防主泵正常情况下可以及时启动，所以对水箱有效容积的要求有所减小。
（2）完全依照建筑物性质和标准确定消防水箱容积也有一定的局限性。如建筑高度低于24m但面积较大的商场建筑，其火灾危险性是非常高的，在设计消防水箱容积时就可能套用规范规定而采取偏小的消防水箱容积。
6 结束语
消火栓系统是最基本的灭火设施，在设计室内消火栓系统时，应注意控制消防竖管最小间距以使临近消火栓能互相保护；临时高压消火栓给水系统中应设置高位消防水箱，其有效容积应尽量超过现行设计规范要求，以满足初期火灾消防用水量和水压需求。
摘 要：本文基于ZigBee技术设计了室内环境监测系统，对室内温度、湿度、烟雾、可燃气体等参数进行测量和采集，并对异常情况发出报警。给出了系统的整体设计方案，介绍了系统的传感器选型及控制方案，并对系统进行了数据测试分析，验证了系统的稳定可行性。
关键词：ZigBee技术；环境监测；传感器
0 引言
ZigBee技术是近几年发展起来的自组网无线通信技术，节点之间可很方便的进行组网通信，有效的解决了单点无线传输的距离问题。诸多事故的发生都源于未知，室内环境的监测对于生产和生活都具有重大意义。本文为室内环境参数的监测提供了一套完整的解决方案，并给出了相应的阐述。
1 系统整体设计方案
室内环境监测系统主要包括监测节点和数据接收处理主机。节点主要负责室内各项环境参数的数据采集和监测，包括温湿度检测模块、烟雾检测模块、可燃气体检测模块以及PM2.5检测模块；采用单片机负责检测的控制，并将采回的数据通过ZigBee模块送出。ZigBee每个节点都自动分配唯一的ID，每一个节点可管理254个子节点，一共可扩展管理多达65000个节点。数据处理主机主要负责接收每个监测节点的数据，对数据进行处理，包含显示模块、人机交互设置模块、报警输出模块和联动控制模块。系统整体设计方案如图1所示，给出了单个节点的组成框图和主机的组成框图，节点的个数可根据用户需求进行扩展。
2 系统硬件设计
基于ZigBee技术的数据采集节点 主要采用了DHT11温湿度传感器、烟雾传感器、可燃气体传感器、夏普PM2.5灰尘传感器。
2.1 温湿度传感器
设计采用数字温湿度传感器DHT11进行温度和湿度的检测。DHT11是一款复合型温湿度传感器，采用单总线方式直接送出温度和湿度值，使用时只需要电源和任意一个I/O口配合上拉电阻便可对其操作和访问。DHT11供电范围为3.3-5.5V，可以很方便的应用于各种单片机和嵌入式系统。DHT温度测量范围为0-50度，湿度为20%-90%RH，完全满足室内环境的监测。
DHT11接口电路如图2所示。
2.2 气体传感器
设计采用电阻型MQ-2气体传感器对空气中的烟雾和可燃气体进行检测。MQ-2气体传感器采用二氧化锡气敏材料进行气体的检测。二氧化锡在纯净的空气中电导率很低，一旦空气中有其他气体的存在，其电导率随空气中气体的浓度增加而增加，通过简单的电路便可将气体浓度信号转换成对应的电信号。MQ-2传感器不但对如液化气、甲烷、氢气等可燃气体灵敏度很高，而且对烟雾也有着理想的响应曲线。
MQ-2气体传感器测试电路如图3所示。传感器需要提供加热电压进行预热，加热过程大概30秒，然后便可以正常输出。加热电压和电源可采用统一电源供电，选择合适的负载电阻即可。
2.3 PM2.5灰尘传感器
PM2.5检测采用了日本夏普公司的GP2Y1010AU0F灰尘传感器，该传感器电压输出与灰尘浓度具有良好的线性关系。传感器采用光学方式进行灰尘的检测，通过控制内部LED发光时间然后检测对应光学腔内接受到的光强，经过内部相应的放大处理从而得到对应的电压。传感器采用5V供电，输出电压范围为0.75-3.5V，对应的灰尘浓度为0-0.5mg/m3，输出电压和浓度成一次线性关系。GP2Y1010AU0F传感器输出为模拟电压，所以需要配合AD转换器进行数据的采集，传感器接口电路如图4所示。
3 系统软件设计
基于ZigBee自组网的特性，无线部分程序设计变得相对容易，只需要记录和校验每个节点的ID即可进行数据的交互。节点的主要负责数据的采集和等待主机的数据发送请求，当收到请求时进行ID验证，若为本机ID则发送数据，否则继续等待，节点程序流程如图5所示。主机的程序设计主要负责数据的请求和接收处理，进行显示、报警、人机交互和联动控制，主机程序流程如图6所示。
4 结论
本文给出了基于ZigBee技术的室内环境监测方案，详细的分析了系统的整体设计方案，对系统的传感器电路设计做出了相应的介绍，分析了系统的可行性。最终对系统进行了整体数据采集和通信测试，良好的验证了系统的稳定性和可靠性，对室内环境的监测具有一定的指导意义和参考价值。
摘要：我国北方，冬季取暖一般采用暖气技术集中供暖，用户不能自主地调节温度，室内温度过高，资源浪费的现象严重。本设计应用PID控制技术，以步进电动机作为执行元件，根据实时测量的室内温度，来控制阀门的开度，调节暖气管道内热水或热气的流量，从而达到了控制室内温度的目的，增强了居民室内生活的舒适度，减少了能源的浪费。
关键词：PID控制；流量；PM2.5；编码；解码
引言
我国北方属于典型的温带大陆性气候，冬季寒冷干燥。目前为了改善室内温度环境，我国北方城市普遍采用集中供暖[1]。各市均建有大规模的地下暖气管道网，由政府指定的供暖公司负责运营。集中供暖有着较为明显的好处：资源利用率高，平均成本较低，供暖效果好。但是，也存在不少缺点：一是无论白天还是黑夜，不管用户是否需要，暖气始终全天供热；二是用户没有办法自主调节室内温度的高低，造成室内温度过高，空气流通不好。居民非常容易出现皮肤发紧，口唇干燥、咽部发痒、咳嗽、流鼻血等“暖气病”。用户为了降低温度，只能打开窗户散热，使宝贵的能源白白浪费了。近年来，我国北方地区冬季雾霾频发，pm2.5频频爆表，燃烧煤炭作为集中供暖的主要手段，成为罪魁祸首，成为众矢之的。如何才能在不降低冬季室内生活的舒适度的前提下，实现节能降耗的目的呢？
本设计采用步进电动机来控制阀门的开度，进而调节暖气管道内水或气的流量，实现了控制室内温度的目的，从而增强了居民室内生活的舒适度，为节能降耗做出了巨大贡献。
一、系统设计方案
本系统由两个模块组成，一个是温度设置及测量模块，一个是驱动模块，两个模块在物理上相互分立，使用时可以将温度和测量模块放到远离暖气片的地方，保证温度测量的准确性。驱动模块直接到暖气管道上控制暖气的流量。两个模块之间通过红外遥控发射/接收芯片PT2262/2272传递控制信息。温度设置及测量模块又分为键盘输入、温度测量、温度显示三个单元。人们可以通过键盘设定自己需要的温度，温度的测量采用数字温度传感器18B20，18B20将采集到的温度信号以串行数据的形式传递给单片机AT89C51，经过处理后，在数码管上显示当前测量的温度。同时，AT89C51把实时测量的温度和用户预先设定的温度比较和分析，得出调整指令。通过红外遥控发射/接收芯片PT2262/2272将调整指令传递给驱动模块的单片机，由驱动模块单片机控制步进电动机完成阀门开度的调整，实现改变暖气管道内热水流量的目的。系统框图如图1所示。
图1 系统框图
二、温度传感器18B20
18B20是美国Dallas 半导体公司创造的数字化温度传感器。该温度传感器外形如一只三极管，温度感应元件及转换电路集成在一个芯片上。现场温度直接转换成二进制数字表示的温度，存储在18B20内的存储器里，18B20和单片机之间仅需要一条数据线连接，单片机可以通过数据线向18B20写入或读取数据，而且可以通过数据线提供18B20正常工作所需要的电源。每个18B20都有不同的序列号，所以多个18B20可以使用同一根总线和单片机相连接，单片机通过序列号识别不同的18B20并发起读写动作。这一特点使用户组建温度传感器网络变得十分容易。通过程序设定，DS18B20 可以达到9～12 个二进制位的分辨率。测量温度的范围为-55°C～+125°C，在-10～+85°C范围内，测量精度可以达到±0.5°C[2]。由于DS18B20 具有体积小、测温精度高、适用电压范围宽、采用一线式总线、可组网等优点，在实践中的得到了广泛的应用。
三、红外遥控发射/接收芯片PT2262/2272
PT2262/2272采用CMOS工艺制造，分别具有编码和解码的功能，其中PT2262是编码电路，PT2272是解码电路，PT2262/2272必须配对使用，可用于无线数据的发送和接收。PT2262/2272分别拥有18个管脚，最多可以设置12位地址端管脚和6位数据管脚。地址管脚可以设置成“0”、“1”、“悬空”三种状态，但是必须保证PT2262和PT2272的地址管脚设置相同，否则PT2272不能解码。在实际应用中，我们一般采用4位数据码和8位地址码的方式。
编码芯片PT2262发出的编码信号称为码字，一个完整的码字包含地址码、数据码和同步码三部分。解码芯片PT2272在接收到PT2262发来的信号后，首先分离出地址码，并对地址码进行比较，只有当接收到的码字的地址码和2272的地址码相同时，2272的VT管脚才能输出高电平，表示解码成功。单片机在检测到VT脚高电平的信号后，开始读取PT2272接收到的数据。
四、步进电动机
步进电动机也称为脉冲电动机，它可以将电脉冲信号转换成相应的角位移，每输入一个电脉冲信号，步进电动机就转动一定的角度，由于该电动机的转动方式是步进的，所以把它叫做步进电动机。步进电动机具有以下优点：一是步进电动机转动的角度和输入电脉冲的个数成正比，转动的速度由输入电脉冲的频率决定，频率越高，速度越快。而且在不超出步进电动机负载能力的情况下，以上关系不受负载大小、电压高低等因素的影响；二是步进电动机在不失步的情况下，每转动一圈的步数是固定的，所以电动机的步距误差不会积累；三是步进电动机具有良好的控制性能，在开环控制系统中，转速具有很宽的调节范围，而且能够快速启动、制动和反转。正是由于步进电动机具有以上优点，所以在数字控制系统中经常被用作执行元件。
五、软件设计
该系统的软件设计分为两大部分，分别对应系统硬件的两个模块。其中驱动模块的程序设计包括控制量的读取和步进电动机的控制。温度测量模块包括温度采集子程序（读取18B20测得的温度数据）、显示子程序、键盘输入子程序（用户设置室内温度）、PID温度控制子程序（计算控制量）。前面几个程序都比较简单，这里不再赘述，下面我们详细介绍一下PID温度控制子程序的设计原理。单片机首先读取18B20测量的实时温度数据，然后把测量温度和设定温度进行比较得到温度误差，把温度误差作为PID控制系统的输入信号，由PID算法计算得出控制量。PID控制系统的结构框图如图2所示。
图2 PID控制系统的结构框图
系统的控制规律可以用u（k）= u（k）+u（k-1）和u（k）=Kp[e（k）- e（k-1）]+Ki e（k） +Kd[e（k）- 2e（k-1）+ e（k-2）]两个算式表示[3]。其中u（k）表示每个测量周期阀门的变化量，Kp表示PID控制系统的比例系数， Ki表示PID控制系统的积分系数、 Kd表示PID控制系统的微分系数，e（k）表示k时刻的温度误差。由于室内温度是一个相对缓慢的变化过程，所以我们在该温度控制系统中采用了周期性的控制方式，即在一个温度采样周期内保持控制量u（k）恒定不变[1]。
结语
为了验证系统对室内温度控制的准确性和稳定性，我们做了多次试验，下表为实验记录的测量数据，分析记录数据可知，本设计控制温度准确性高，达到了预期目标。
本系统采用PID控制理论，以AT89C51单片机为系统的控制单元，以红外遥控发射/接收芯片PT2262/2272为数据传输的纽带，选用步进电动机作为系统最终的执行机构，根据室内温度和设定温度的误差来改变阀门的开度，较好的实现了室内温度的调节。实验表明，该系统具有稳定性好、控制精度高、节能环保等优点，具有一定的实用价值。
摘 要：该文通过对比几种常用室内定位（In-location）方法，设计并实现了基于射频和超声波技术相结合的室内二维定位系统。系统采用C51系列单片机为主控芯片，nRF24L01芯片作为射频通讯芯片，结合超声波发射与接收电路，融合射频和超声技术对二维平面上一点的位置信息进行获取，并通过LCD12864进行测量结果的显示。文章详细的分析了系统的工作原理并进行了测量电路的设计，由实际测量的数据对结果进行误差分析可知，测量数据误差在2%以内。
关键词：射频 超声波 参考节点 室内定位
众所周知，对于室外定位系统，全球定位系统（GPS）[1]已经应用的成熟可靠，目前常用的车用导航、物流定位等大多数都利用的是此原理。但是对于室内定位，例如机场大厅、矿井内部、大型展厅内部、大型室内停车场以及大型购物商场，由于室内环境复杂多变，建筑物的结构，内部布局，以及人为因素等影响，所以实现精确定位的难度较大。目前诺基亚、谷歌、博通甚至一些知名大学比如美国杜克大学（Duke University）和芬兰奥卢大学（University of Oulu）都有专门研究室内定位的小组。美国研究机构ABI称：“室内定位技术（In-location）是下一波热门定位技术，该技术将在2015年-2017年间得到大量部署和实施，是今后移动互联网领域的一个关键环节。” 目前室内定位常用的方法有红外线室内定位技术、超声波定位技术、蓝牙定位技术、射频识别定位技术和超宽带定位技术等。表1[2]分析了几种常见无线定位系统的性能表，参照表1，该文设计了基于51单片机使用超声波和无线射频相结合进行室内定位的测量系统，可以有效结合两种方法的优点，设计思路清晰，成本较低。根据实际测量结果分析，系统采样稳定，数据误差较小，具有一定的现实意义。
1 系统的设计思想及原理
由于射频信号传输速率接近光速，远高于超声波传播速率，因此可以利用射频信号先激活待测节点，之后使其接收超声波信号，利用时间差的方法进行测距。这种技术成本低，功耗小，精度高[3]。该文便是采用此种方法实现在二维平面内对一待测节点位置信息的获取。
1.1 系统设计原理
如图1所示。在一个二维平面中，要确定某未知点的位置信息，其实质便是求得其在平面坐标中的坐标值。由数学知识可以知道，确定平面上某一未知点（x，y）的坐标值只需要知道该点到平面坐标中已知的两个参考点（x1，y1），（x2，y2）的距离d1及d2，再利用两点间的距离公式（1）式，求解方程组即可求得未知点的坐标信息。
（1）
系统的关键就是通过超声波测出图1中的距离d1及d2，现在假设系统某一节点A具备射频发射模块和超声波发射电路，系统另一节点B具备射频接收模块及超声波接收电路。A节点同时发射超声波与射频信号，即发射电磁波。由于电磁波的速度接近光速远远大于超声波在介质中的传播速度，射频信号传播到节点B的时间忽略不计，当节点B接收到射频信号时，启动计时，当接收到超声波信号时停止计时。时间间隔t即是超声波由A传播到B所用时间。设声速为V，则A，B间距离为：。
1.2 系统整体设计
该文系统采用C51系列单片机作为控制芯片，nRF24L01作为射频通信芯片，利用LCD12864液晶屏进行坐标显示。如图2所示。系统主要包括三个节点，分别为1号总控制主节点，2号参考节点，以及3号待测节点。硬件设计上，各个节点都包括51单片机最小系统及上电指示电路，射频收发模块（nRF24L01）电路；另外总控制节点和参考节点具备超声波接收电路，待测节点处安装超声波发射电路。
系统整体通信流程简述如下：1号总控制主节发出射频触发信号，3号待测节点接收到射频信号之后报警指示灯亮。同时发射出射频同步信号及发射超声波。射频同步信号很快到达1号总控制节点及2号参考节点，两个节点启动计时器，待3号节点发射的超声波分别到达1号节点和2号节点后，接收到超声波信号，停止计时。分别获得超声波由3号节点到1号节点及2号节点的传播时间。1号节点总控制节点计算出节点1，3距离。2号节点参考节点计算出节点2，3距离，再利用射频模块将数据无线传送给1号总控制节点。总控制节点再依据两个距离数据，已知的节点1，2的坐标计算出3号待测节点的位置坐标。至此，完成系统一个单程通信，如此反复通信10次，求得位置坐标平均值通过1号节点处的液晶显示模块LCD12864显示待测节点位置信息。所有的通信流程由1号总控制节点控制。
2 系统电路设计
2.1 硬件设计
硬件设计上，文中系统主要涉及单片机小系统，射频收发电路，超声波发射与接收电路，LCD显示电路，射频收发模块供电电路。这里主要介绍系统的射频收发电路，超声波发射与接收电路。
系统无线通信模块的发射与接收主要采用nRF24L01芯片作为主控核心。nRF 24L01是一款新型单片射频收发器件，工作于2.4～2.5 GHz ISM频段。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，并融合了增强型ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置[4]。由于采用SOC方法设计因此只需要少量外围元件便可组成射频收发电路，再配合简单的通信协议，就可以实现无线数据传输[5]。将nRF24L01相应的控制引脚连接到单片机的P1口上，利用串行通信方式与单片机进行通讯，可以设置为增强型模式（ShockBurst）下的接收或是发射状态，启动自动应答及自动重发功能。采用nRF24L01增强型模式时内部芯片堆栈区先入先出，数据可从低速微控制器送入，高速发射出去，地址和校验码由硬件自动添加和去除[6]，可以提高系统整体的性能和效率[7]。
系统超声波发射电路框图如图3所示。系统利用定时器由单片机的I/O端口输出40 kHz左右的方波脉冲信号，信号送给推挽式功放电路进行功率放大，用以驱动型号为TCT40-16T的超声波换能器，发射出超声波信号。
系统超声波接收电路框图如图4所示。接收电路的核心是红外线检波接收专用芯片CX20106。由于红外遥控常用的载波频率38 kHz与测距的超声波频率40 kHz比较接近，可通过外接电阻微调芯片内部滤波器的中心频率。当超声波探头未接收到40 kHz信号时，芯片信号输出引脚为高电平；当接收到与CX20106中心频率（40 kHz）相符的超声波信号时，信号输出引脚输出下降沿脉冲，将此信号连接到单片机外部中断引脚上，可触发中断，从而停止超声波传播计时。
2.2 软件设计
系统软件设计流程图可以参考图2。系统软件按功能划分可以分为LCD显示，超声波发射，射频通讯，坐标计算几大部分。其中，LCD显示部分主要是通过时序对液晶屏进行相应的读写操作，超声波发射部分采用定时器中断产生40 K方波信号，坐标位置计算算法依据的公式（1）进行计算。下文主要针对射频通讯部分所进行的软件配置进行简述说明。
在图2的“3射频同步信号&超声波信号”过程中，系统各节点射频收发配置如图5所示。由于nRF24L01在每个通讯频道上具有6个不同的数据通道，因此在设计上，3号节点与1号节点通过数据通道0传输信号，与2号节点通过数据通道1传输信号。3号节点发出具有发送地址编码的射频信号被1，2号节点接收后，1，2号节点分别启动定时器计时并通过各自的数据通道返回应答信号给3号节点，表示通讯成功3号节点可以发出超声波信号。值得注意的是，3号节点若是启动自动重发功能，则每次重发等待时间为250 us，这将导致系统测量误差过大，因此该系统禁止自动重发，而是由软件编程重发3次，判断是否次数溢出或是接收到应答信号，这样可以将每次重发产生的误差控制在15 us左右。同时，图2在“1发出射频触发信号”及“4传输距离数据”两个过程中，射频通信均采用数据通道0进行数据通信，并且开启相应的自动重发功能2次，经测试系统射频通讯流程性能稳定。
3 实测数据分析
系统测试实验环境为室内地面，其中主控制节点（1号节点）坐标安装在原点（0，0）上，参考节点（2号节点）坐标安装在y轴点（0，100）上，单位为cm。测量工具为卷尺，精度精确达0.1 cm。对于测试平面上10个不同位置点分别测量10次，得到100个数据，结果见表2。
通过分析图中数据，可以得出以下实验结论。
（1）定位范围。
经过测试表明，该系统基本可以实现对于在地面上200 cm×200 cm的二维直角坐标系中移动节点的定位。
（2）系统的平均定位误差。
X轴的平均定位误差为3.01（cm）
Y轴的平均定位误差为3.14（cm）
（3）系统的平均定位精度。
X轴平均定位精度：（200.0-3.01）/200.0×100%=98.50%
Y轴平均定位精度：（200.0-3.14）/200.0×100%=98.43%
（4）误差分析。
通过实验测得数据并分析，系统测量误差主要来自以下几个方面：
①超声波信号的衰减问题。从表1及表2可以看到，虽然系统测量平均误差不算太高，但是针对不同的测量区域其测量误差明显不同，随着各节点之间距离的不同，超声波信号的衰减程度会不同导致接收到超声波信号的时间点不同，引入测量误差。
②超声波发射角问题。从表中数据可以看出，在区域边缘地带数据的测量误差偏高，由于超声波存在发射角度局限问题，导致超声波信号接收时间点不同引入测量误差。
③系统软件设计时，在3号节点发射同步射频信号和超声波过程中，禁止自动重发次数而采用软件编程发送次数溢出的方法在每次重发数据过程中需要等待15 us，总共软件设计为重发3次溢出，所以此处可能会引入50us左右的测量误差。
④数据算法计算。系统数值计算的精度也会引入测量误差。综合考虑系统测量要求，51系列单片机的运算能力及速度，以及软件整体的效率和整洁度。该次系统软件计算精度都采用16位无符号位整数数据类型，而未引入浮点数据类型计算，所以对最终显示结果会造成测量误差。
⑤温度引起误差。声速随温度变化关系可以表示为：V=（331.45+0.61t/℃）m・s-1。但是该系统中没有考虑温度补偿，而是以声速标准值340 m/s进行数据计算，因此会引入一定测量误差。
4 结语
该文设计了基于射频和超声波技术的室内二维定位系统，并通过设计得系统进行实际数据的测量，分析实验数据可以得出系统的误差较小。对于存在的误差提出了可能产生的原因以及后续的解决方法，期望通过后续的改进可以使实验误差进一步减少，测量范围也相应的增大。
【摘 要】无线市话室内信号是室内常用的信号系统，能够对于手机通信进行有效的补充。本文对于室内信号分布系统的原理以及设计方式进行探讨，对于设计中的信号源选定、分布系统选择以及布置等多种方法进行选择，从而设计适合室内的信号分布系统。
【关键词】室内信号分布；建筑内部；设计
0 前言
近年来，随着个人便携电话系统的迅速发展，人们对于通信服务的要求越来越高。当前的建筑大多为钢筋混凝土骨架结构，对于无线电信号的屏蔽衰减特别厉害，比如在地下商场、地下停车场等患者的通信信号微弱，通信质量严重下降。为了保障无线电通信信号，解决室内信号固定的问题，采用无线市话室内信号分布系统是保证通信质量的有效方式。采用无线市话室内信号分布系统是通过有线的方式，将无线信号引入室内，从而为室内的用户提供稳定、可靠的室内信号。参考我国“信息产业部电（2000）604号”的文件，无线市话室内信号是固定电话网的补充与延伸，而且使用的频带为1900MHz～1910MHz，载频间隔为300KHz，主要采用TDMA的多址方式、TDD双工方式。
1 无线市话室内覆盖系统的建设意义
1.1 无线市话室内系统覆盖现状
随着无线市话的信号发展，室内覆盖的问题也日益突出：（1）因为建筑物的屏蔽以及吸收作用，导致无线电波的传输衰耗，从而造成无线信号的弱场强区甚至盲区，而且受到基站天线的限制，会造成无法正常覆盖；（2）建筑物高层空间容易受到无线频率干扰，从而影响语音质量；（3）因为一些公共场所，比如会议中心以及大型购物商场，无线市话的使用密度过高，导致网络容量不能够满足用户需求。
1.2 室内分布系统特点
采用无线市话室内信号分布系统，能够有效的覆盖建筑物的盲区，适用于建筑结构复杂和人流密集、话务量高的建筑物内部的信号覆盖，室内分布系统特点表现如下：（1）建筑物的信号分布相对均匀，而且采用分布系统，能够抑制信号弱区内的乒乓效应，能够适应于系统扩容与多网合一；（2）室内分布系统的设计与施工相对复杂。总体而言，采用室内分布系统，能够适用于大面积和内部结构复杂的建筑物室内信号覆盖，是当前覆盖优化最主要的手段。
1.3 建设室内分布系统的必要性
与传统的SDMA和GSM网络相比，无线市话具有基站成本低和手机性价比高的方式，对于室内区域，解决信号覆盖问题相对复杂。而且当前无线市话室内覆盖系统的质量与容量受到影响，所以为了解决当前的信号覆盖的问题，应该将3G网络与PHS网络融合，从而降低室外网络的整体干扰，保证室内通信质量。
2 室内分布系统设计的基本流程
无线市话室内信号分布系统设计的关键在于合理选择分布系统与天线安装为主，一般而言，室内分布系统的基本流程为：现场勘测原信号覆盖情况、确定设计要求、选取合适信号源、选择室内分布系统、设计分布系统方案、硬件安装与开通测试，具体的设计工作如下。
2.1 勘测工作
勘测工作是为设计工作提供参考资料，为了保证设计的合理性，首先需要详细的建筑结构图并且进行实际勘测，根据建筑物的实际情况做好标注，对于可能会引发信号影响的因素进行分析，从而得到该建筑的传播损耗模型。在建筑物的勘测工作中，需要对建筑物的电梯、隔墙材料等信息进行收集，根据建筑物的结构图进行无线环境路测，从而为设计提供参考。
2.2 设计工作
设计是无线市话室内信号分析系统的关键工作，对于室内信号起到决定性的作用。为了完成设计工作，需要对设计中的问题进行综合考虑。
2.2.1 信号源选取
无线市话室内分布系统可以采用PHS系统或3G系统，PHS系统可以再用500mW的lC7T基站，而对于3G系统，可以采用基站信源和直放站信源两种类型，为了保障室内系统的通信质量，需要合理选择信号源，在选择的过程中，需要从建筑物的容量与覆盖两方面进行考虑，为了满足室内的通信质量，需要合理选择适当的信号源，适当提前考虑信号源机房的预留。
2.2.2 室内分布系统的选择
为了保障室内信号的有效性，需要根据覆盖面积以及不同环境选择覆盖系统：（1）对于覆盖面积小而且结构简单的建筑，优先选择无源分布系统；对于覆盖面积大而且结构复杂的建筑，可以采用分区覆盖的方式；（2）裙楼一般位于建筑物的低楼层，需要考虑容量的问题，标准楼的空间间隔较为规则，主要注意纵深处的信号控制，地下层通常为信号盲区，需要解决覆盖问题，电梯需要满足语音业务的覆盖需求，应注意保持信号连续性，因此通畅采用在电梯井内安装高增益定向天线或敷设泄漏电缆的方式进行覆盖。
3 方案设计的关键点
3.1 上下行平衡问题
无线市话室内信号分布系统中，需要对干线的增益效益进行合理设置，避免输入信号幅度过大或是过小形成的设置不合理。在设计的过程中，同时需要对链路预算进行计算，根据天线口的功率计算系统设计的衰减，保证合理传输。
3.2 干放使用原则
对于无线市话室内信号分布系统而言，同一组的基站不能接入太多干放，建议不超过5套，而且所有的干放尽量不要串联。设计中低噪声放大器一般处于接收机的前段，性能对于整机性能与接收灵敏度具有重要的影响。合理控制信号源干放，能够将上行信噪比控制在较为理想的水平。
3.3 天线布放原则
室内分布系统应该遵循“小功率、多天线”的原则，降低小天线输出能够减少外协信号强度，因此采用多天线小功率方案覆盖效果更好。在天线布放过程中，需要合理确定天线出入口功率，根据模拟测试效果选择天线布放位置，保证系统的稳定性。
4 结语
无线市话室内信号分布系统对于建筑屋内的信号传输具有重要的意义，随着建筑楼层的增多，当前的信号传输不能够满足室内信号的需求，合理设计室内信号分布系统，能够保证室内信号强度，使室内信号满足建筑内部通信需求。
Zigbee无线模块作为节点，具有协议简单、成本低、功耗小、组网容易等优点， 利用Zigbee组建的无线传感网络，对下端设备进行数据采集和无线控制。本文针对室内温度监控设计出了一个切实可行的室内温度监控系统，此系统可控性好，可靠性高，同时适合在智能家居方向扩展与应用。
【关键词】Zigbee 无线控制 室内温度监控 无线传感网络 节点
传统室内监控系统大多数都是用有线连接方式。当监控节点数大时，就会导致布线繁琐、安装困难、维护不便等诸多问题。利用Zigbee技术来构建无线传感器网络的室内监控系统，就可以解决上述的各种问题。本文介绍了一种无线室内温度监控系统，文中详细介绍了Zigbee技术的工作原理以及实时温度监控系统的设计与实现。
IEEE802.15.4-2003标准定义了物理层和媒介层，Zigbee联盟在此基础上建立了网络层以及应用层。Zigbee网络由三种设备类型组成，分别是协调器、路由器以及终端节点，这三种设备类型的组网拓扑又可分星形拓扑、树形拓扑和网形拓扑。为了提高通讯效率，Zigbee组网不论采用哪种拓扑结构，网络都将按照Zigbee协议算法选择最好的路由路径作为数据传输通道，此系统采用网络形拓扑设计。
1 监控系统设计
终端节点通过采集温度传感器数据，经路由器节点发送给协调器节点，并接收协调器的控制命令从而作相应处理；路由器节点在系统中的主要任务是数据中转，确保协调器节点与终端节点间的数据交换正确，加大了Zigbee网络的覆盖面积；协调器节点接收终端节点采集到的传感器温度数据，把该数据由串口发给上位机，同时接收上位机发过来的指令信息，并发给对应的终端节点；上位机主要实现对监控设备状态信息的管理，包括系统调控配置、实时状态显示、节点控制、数据管理及数据查询等，系统结构模型如图1所示。
2 Zigbee温度监控系统硬件设计
该监控系统主要由路由器节点和终端节点组成。终端节点模块包括数据采集和外设控制两部分，终端节点模块结构如图2所示。温度采集采用传感器DS18B20，温度采集范围-55℃―+125，-10℃―+85℃测量精度为±0.5℃。传感器将测得的温度数据传送给Zigbee模块CC2530，CC2530对数据进行处理后，发出控制信息控制下端设备（空调）调节室内温度。
3 Zigbee温度监控系统的软件设计
3.1 Z-Stack协议栈的软件设计
本系统的Zigbee无线模块采用操作系统的思想来构建软件系统协议栈，通过自适应轮询算法处理，系统初始化后，即进入休眠状态，当检测到事件发生时，系统立即被唤醒，并作出相应响应，事件完成后，系统继续进入休眠模式，如果几个事情同时发生，系统将按照中断事件优先级按序处理，Z-Stack工作流程为：启动系统、操作系统OSAl初始化、硬件驱动初始化、自适应轮询。
3.2 协调器节点的软件设计
协调器在系统中主要是完成建立和管理Zigbee网络的任务，它能够自动允许其他节点加入网络，收集终端节点传来的温度数据，通过串口将数据发送给上位机，同时接收上位机的控制命令，然后将命令发送给终端节点以控制其采取相应的处理措施。协调器建立网络并处理节点请求的程序流程如图3-1所示。
3.3 Zigbee节点与路由节点软件设计
路由器节点的作用是选择路由、转发数据。Zigbee设备有64位的MAC地址和16位的网络地址。网络地址是设备入网后，由协调器或者路由器分配，在网络中是独一无二的。为了保证每个节点所分配的网络地址的唯一性，Zigbee的分配网络地址的方案采用分布式寻址。Zigbee节点与路由节点网络流程图如图3-2。
3.4 终端节点软件设计
终端节点是用来采集室内温度数据的，它一方面与协调器建立一定关系将温度数据发送给协调器，另一方面接收协调器发来的控制命令，控制下端设备空调器做出相应的操作。
在终端节点以终端的身份启动并加入网络后，即开始与协调器建立关系。一旦关系建立就
可以在不需要知道明确的目的地址的情况下发送数据。终端节点数据传递流程如图3-3。
4 上位机的软件设计
本系统上位机利用JAVA、Apache、Mysql和PHP实现，它的主要功能是可以通过串口或者有线网络接口接收Zigbee无线网络传送的被监控室内温度数据，将该数据处理后，结果可在上位机窗口实时显示，实现室内温度的无线监控和自动或手动的温度调节控制；借助后台MYSQL，将室内温度信息储存，可以方便的在上位机界面上对历史信息记录查询和对监控数据信息管理。上位机登陆界面和上位机监控界面如图6、图7所示
5 结语
本文给出了一种室内温度监控系统的Zigbee无线传感器网络的设计方案，解决了有线网络存在的布线、维护和扩展性等问题。系统以CC2530为核心，搭建了一个物联网络平台，经试验证明，该系统可以很好的完成温度数据的采集、传输、处理和记录等任务，能够通过控制外设完成对室内温度的调节工作，对智能家居的发展也有一定的指导意义。
【摘 要】通过对CDMA的信号发送和接收境况进行全面的分析和讨论，就室内布线系统的设计思路进行了详细的分析，介绍了室内天线和信号源的选取方式，并对CDMA室内分布系统设计中需要考虑的问题进行了全面的分析。
【关键词】CDMA；室内系统设计；噪音
在移动通信的CDMA网络建设的过程中，CDMA的网络信号由于基站的分布，而产生主导频污染的现象，导致信号受到干扰，在一般的大型商场和商业楼宇之间的基站不能布置的太密，在大规模的CDMA网络铺设完成之后，需要对网络的信号场强进行测试，以及对用户的使用报告进行检测分析，可以明显的看出，在室内还存在信号分布不足，信号不稳定，网络通话质量存在问题，连通率比较底下，影响CDMA的通信质量。
1 室内分布系统设计思路
CDMA信号在室内系统设计主要包括CDMA信号源与室内CDMA信号的具体分布方式等相关内容的设计。
1.1 CDMA信号源的选取
CDMA信号源的接入是室内布线系统必须考虑的问题，这个信号源的接入必须通过一个特定的接口才能与室内分布系统接入，这样室内的布线系统才能收到信号源的信号，信号源的接入手段一般有蜂窝接入或者光纤耦合或者空间耦合等接入手段。
（1）基站直接与信号源相连接的手段，接入到室内布线系统。
（2）通过基站与信号收发的端口进行耦合的方式，通过耦合器能够很好的对信号进行控制，排除其他信号的干扰和污染主导频信号，它主要适合于主基站离室内分布式布线比较近的接入方式。
（3）光纤直放站耦合的接入方式。在原理与基站直接耦合的方式相似，主要是采用光纤将基站的信号接入，并将信号接入到室内分布式系统。它适合室内布线系统与基站距离比较远的分布式系统，但是在施工时难度比较大。
1.2 室内分布系统中天线的选取
室内天线的选择是保证信号能够正常接收的重要保证，一般采用全向吸顶天线，它安装方便，能够有效的覆盖整体楼宇，而鞭状天线和定向天线的覆盖范围比较大，能够有效的覆盖电梯和人群比较密集的地下室、车库等相关的场所。室内天线的选择需要根据具体的布线情况而定，也要根据室内的信号结合方式而定，要符合环境保护和美观的需要。在实际室内布线工程设计中，要结合CDMA信号变化情况，根据室内分布系统规模的不同和具体的情况，从天线设计的效益、成本、投资等方面对天线进行具体的设计，要保证信号能够覆盖整个建筑物。
针对10000平方米大中型室内CDMA信号覆盖系统，要求的话务量和CDMA信号覆盖的强度比较大，需要根据具体的情况进行设计，信号的接入可以采用光纤与基站直接接入的方式进行连接，在一般无源器件发送的信号不能满足覆盖要求时，可以采用干线放大器等设备对信号进行放大。当室内面积小于5000平方米时，可以采用微小型室内信号覆盖系统，采用全向型的天线，来实现CDMA信号的全面覆盖，也可以采用小功率的无线天线直放站作为室内分布系统的信号源。在对室内分布系统进行设计时，要根据信号场强的大小和建筑物的特征，选择适当的、信号增益能够满足要求的定向、或者全向的天线施工方式。
2 室内分布系统设计中CDMA信号场强分析
2.1 覆盖边缘场强分析
边缘场强的取值对CDMA信号的分析具有直接影响的作用，整个CDMA信号覆盖的场强的计算，需要依据边缘场强的确定，如果将CDMA信号的边缘场强取值过高，就要求室内的场强相应的提高，室内信号覆盖的强度也会提高，增加室内信号覆盖的成本，如果降低边缘场强，就会减少室内信号覆盖的程度，降低覆盖的成本，但是这也会影响室内CDMA信号的通话质量。在一帮的情况下，基站和手机的接收效率也会与边缘场强的取值有很大的关系，根据CDMA信号覆盖的要求，对于楼宇进行CDMA室内布线设计时，一般将边缘场强取值为-80dB，对于楼梯和一般的地下室等相关的场所的边缘取值为-85dB，以满足信号覆盖的要求。
3 CDMA室内直放站作为信号源时应注意的问题
3.1 室内CDMA无线直放站安装环境要求
针对CDMA信号无线直放站的要求，设计时，信号的主天线安放位置应根据实际的情况确定，但是至少要能够接收到强导频信号的软切换分支少于3个信号源，这样才能够避免室内分布系统的主导频信号受到污染，在施主天线的安装位置，要求主基站的导频的频率信号不能受到污染，确保室内信号的强调能够满足要求，保证通话质量。这样，基站接收的基站的信号强度要满足-70dB，为保证信号的通话质量，在主天线安装位置周围，要保证信号的外界的强干扰源的信息噪声小于-113dB。
3.2 室内信号无线直放站施主天线与转发天线隔离度的分析计算
根据CDMA信号的覆盖要求，和实际的天线经验，为有效避免和建设无线直放站之间信号的干扰和自激现象，要求无线直放站的施主天线与转发天线二者之间的信号隔离度应大于8dB，满足信号不能互相干扰的要求。具体的计算要求：，式中，为CDMA信号主天线的前后比，为CDMA信号转发天线的前后比，Li为CDMA信号的自由空间损耗，位置为CDMA信号的建筑物或者障碍隔离损耗，在实际的工作设计中，需要考虑障碍物、施主单位和转发天线的实际情况进行设计。
3.3 直放站对CDMA信号的施主基站噪声分析
4 结语
CDMA信号的室内分布系统的设计需要对具体的情况进行综合的分析，需要根据移动通信的建设方案和优化程略进行具体的分析，要以最低成本投入，达到最大的收益，促进CDMA市场的发展。
【摘要】本文介绍了移动通信中的室内分布系统的概念及应用，同时介绍了室内分布系统的设计原则、设计方法以及设计时要关注的要点。
【关键词】室内分布系统；工程设计
一、概述
近年来，随着移动通信的快速发展，移动电话已逐渐成为人民群众日常生活中广泛使用的一种现代化通信工具，同时广大移动用户对移动通信服务质量的要求也越来越高，他们已不再单单满足于良好的室外移动通信服务，而且也要求在室内（特别是星级酒店、大型商场、高级写字楼等）能享受优质的移动通信服务。而现代建筑由于多以钢筋混凝土为骨架，再加上全封闭式的外装修，对无线电信号的屏蔽衰减特别厉害，使通话质量严重下降。在此情况下，室内分布系统应运而生。室内分布系统是针对室内用户群、用于改善建筑物内移动通信环境的一种成功的方案；是利用室内天线分布系统将移动基站的信号均匀分布在室内每个角落，从而保证室内区域拥有理想的信号覆盖。
二、室内分布系统的组成、应用及类型
室内分布系统通过功分器、耦合器等无源功率分配器件和干线放大器等有源器件及馈线、室内天线等设备将无线信号均匀分配到室内各个区域，实现无线信号对室内的延伸覆盖。
1.室内分布系统由两部分组成：
（1）信号源（微蜂窝、宏蜂窝、直放站、BBU+RRU等）；
（2）分布系统（同轴电缆、光缆、泄漏电缆、光端机、干线放大器、功分器、耦合器、天线等）。
2.需要建设室内分布系统的区域有：
室内盲区：新建大型建筑、停车场、办公楼、宾馆。
话务量高的大型室内场所：车站、机场、商场、体育馆、购物中心，增加微蜂窝建立分层结构。
发生频繁切换的室内场所：高层建筑的顶部，收到多个基站的功率近似的信号。
3.室内分布系统有以下几种类型：
（1）同轴电缆分布方式无源分布系统
信号源通过组合使用的耦合器、功分器等无源器件进行分路，经馈线将信号均匀分布到室内各个角落。通过仔细的链路计算，达到信号的均匀分布。天线使用适合室内使用的吸顶式或壁挂式天线。覆盖面积小，适用于中小型楼宇室内覆盖场所。
（2）同轴电缆分布方式有源分布系统
在建筑物覆盖面积较大时，前述的无源天馈线很难满足需要；可增加中继设备，如放大器，以补偿信号在传输过程中的损耗。
（3）光纤分布系统
当覆盖的区域比较分散、相距较远或地形比较复杂时，可以采用光纤分布系统，通过拉远的方式对各个分离的室内区域进行覆盖。光纤站近端在信号源所在之处，通过近端实现光电转换，将射频信号转换为光信号，并经光分路器分配进入光纤传输至各远端；光纤远端为光电转换取出射频信号，并经过功率放到输入室分天馈系统。
（4）泄漏电缆分布系统
信号源通过耦合器、功分器等无源器件进行分路后，送入泄漏电缆中，并通过电缆外导体的一系列开口，在外导体上产生表面电流，从而在电缆开口处横截面上形成电磁场，这些开口就相当于一系列的天线起到信号的发射和接收作用。在信号传输过程中，将信号均匀的分布在所经过的区域，这种方式称为泄漏电缆分布系统。
三、室内分布系统设计
进行室内分布系统设计时，应把握的总体原则是：
“小功率、多天线”的覆盖原则
“先局部、后整体”、“先平层、后主干”的设计顺序
主干线上主要用耦合器，平层主要用功分器
主干线尽量采用7/8馈线，平层小于30米采用1/2馈线
进行室内分布系统设计时，有以下几点需要注意：
1.室内分布系统天线布放方式
（1）走廊交叉位置布放天线
在走廊交叉位置布放天线，可以使该天线能够照顾多个方向的覆盖，在满足覆盖要求的情况下做到天线数量最少。
（2）切换区域布放天线
在电梯厅附近布放天线，在覆盖房间的同时，兼顾电梯厅的覆盖。
停车场出入口布放天线，布放位置一般选择在拐角处。
（3）房间内布放天线
为了减少穿透墙体带来的损耗，对于大型会议室、办公区域等，如果物业允许的话，可以将天线布放到房间内。
（4）定向天线防止信号泄漏
对于一些容易发生信号泄漏的区域，如走廊尽头靠窗位置，可以布放定向天线进行覆盖，定向天线的主瓣方向朝里，利用定向天线后瓣的抑制特性，防止信号泄漏到室外造成干扰。
（5）干扰区域布放天线
如果在室内存在室外干扰信号的区域，而且客户要求在室内区域必须占用室内信号，那么从室内覆盖优化的角度（相对室外基站优化调整），则需要根据干扰信号强度和区域来决定室内天线的布放位置。确保天线布放后，在室内干扰区域，室内信号的导频功率比室外干扰信号导频功率高5dB以上。
2.电梯覆盖需单独考虑
天线主瓣方向朝向电梯井道一般可覆盖4层；天线主瓣方向朝向电梯厅一般可覆盖3层。
3.室内分布系统的功率分配原则
（1）“先平层设计”，主要用功分器（保证天线口功率平衡）；根据天线数量确定采用何种功分器，平层馈线小于30米一般用1/2馈线。
（2）“后主干设计”，主要用耦合器（可以节省功率）；根据主干信号功率和平层需要功率确定耦合器的耦合度；馈线一般用7/8馈线。
（3）如果主干线全采用耦合器，可能引起天线口功率不平衡，因此，主干线可采用耦合器+功分器分配功率方式。
4.系统切换设计
（1）一般建筑物大堂出入口切换区域建议在室外距离门口5～7米范围内。切换区域不宜离马路太近或进入室内过深。
大堂切换设计策略：
“小功率、多天线”方式；
定向天线从门口往里覆盖；
天线口功率可调。
（2）电梯切换设计策略：
通常建议电梯内为同一小区；
当楼层太高，不能同一小区时，需要引入相邻小区信号；
非全楼覆盖时，电梯井道天线主瓣方向朝向电梯厅；
电梯内外不同小区时，切换区域选择在电梯厅。
（3）车库出入口切换设计：在车库出入口位置安装天线保证切换。
5.干扰和泄露
为建立较完美的无线覆盖网络，在设计时应兼顾边缘场强的计算，保证不会产生明显的信号泄漏。
小功率、多天线”覆盖技术解决室外干扰和控制室内信号外泄；
在易外泄区域安装定向天线控制室内信号外泄；
室外网络优化。
四、结束语
室内分布系统的建设，可以较为全面地改善建筑物内的通话质量，提高移动电话接通率，开辟出高质量的室内移动通信区域。同时，使用微蜂窝系统可以分担室外宏蜂窝话务，扩大网络容量，从整体上提高移动网络的服务水平。室内分布系统的设计是一项复杂的工作，需要考虑诸多方面的问题。本文只是从天线布放、电梯覆盖、功率分配、系统切换、干扰和泄露几个方面进行探讨，在实际工程设计时还有许多问题需要考虑。
摘 要：本系统以MSP430F5529单片机为核心，采用MQ138甲醛检测传感器、MS2200-P1一氧化碳检测传感器等多种传感器检测室内空气中甲醛、一氧化碳等有害气体并检测甲醛浓度；利用AM2301温湿度传感器对现场温湿度进行实时监测，并通过段式液晶显示屏实时显示甲醛浓度读数，温度、湿度读数。整个系统体积小，重量轻，采用电池供电，携带方便。系统功耗低，价格低，适合家庭使用的空气质量检测系统，能快捷服务健康生活。
关键词：MSP430F5529；有害气体检测；温湿度检测；超低功耗
居室、办公室、宾馆、饭店、商场等场所使用的装潢材料中含有大量的有害化学成分如：甲醛等有害气体常引发眼睛和喉咙疼痛、皮炎等一系列健康问题，习惯称之为“装潢病”，在导致“装潢病”的诸多物质中甲醛可算是罪魁祸首。且甲醛是一种潜在的致癌物质，对人体健康有较大的危害。专业机构测量甲醛等有害气体价格昂贵，而且在时间方面受到限制。现代家庭使用的天然气、液化气可能发生泄漏引起爆炸。因此，设计一种低功耗、便携式室内空气质量检测系统具有广泛的应用价值。
1 系统组成及工作原理
该检测系统由MSP430F5529单片机为核心，由传感器、A/D转化模块和液晶显示模块组合而成。通过MQ138甲醛检测传感器检测室内空气中甲醛浓度，通过ms2200CO检测传感器检测一氧化碳气体，通过空气质量传感器 MQ135传感器检测室内空气中其他有害气体和可燃气体，AM2301温湿度传感器对现场温湿度进行实时监测，采用MSP430单片机自带的AD转换器对传感器采集的信号进行模数转换，利用段式液晶显示屏显示检测结果。系统结构如图1所示：
2 硬件电路设计
2.1 主控芯片MSP430F5529功能介绍。MSP430F5529是一种16位超低功耗、具有精简指令集的混合信号处理器。寻址方式丰富，运行速度快，高达25MHz。当系统处于省电的低功耗状态时，中断唤醒只需5μs；并且体积小，电压低，功耗低，适用于需要电池供电的便携式仪器中。此外，内置的A/D转换器的分辨率达到了12位，提高了转换精度，使测量更加准确，内置A/D转换器进一步降低了功耗。
2.2 MQ138甲醛检测传感器。MQ138传感器的敏感材料是活性很高的金属氧化物半导体，当在空气中加热到一定温度时，发生氧化反应，氧原子吸附电子变成氧负离子，浓度升高。遇到还原气体时氧负离子因发生还原反应导致其表面浓度降低。MQ138传感器模拟信号和电平信号同时输出，模拟量输出随浓度增加而增加，浓度越高电压越高。用于家庭、环境的挥发物探测装置，适宜于醛、醇、酮、芳族化合物的探测，气敏感元件测试浓度范围：苯 1 to 100ppm、甲苯10 to 100ppm、甲醛 1 to 10ppm。MQ138甲醛检测传感器测量原理图如图2所示。
2.3 MQ135空气质量检测传感器。MQ135空气质量检测传感器用于家庭、环境的有害气体探测装置，适宜于氨气、芳族化合物、硫化物、苯系蒸汽、烟雾等气体有害气体的探测；气体敏感元件测试浓度范围：10 to1000ppm；对硫化物、苯系蒸汽、烟雾等有害气体具有很高的灵敏度；具有长期的使用寿命和可靠的稳定性。MQ135空气质量检测传感器测量原理图如图3所示。
2.4 ms2200CO检测传感器。ms2200CO检测传感器用于检测一氧化碳气体，工作在-10至60摄氏度，检测浓度范围：0-1000ppm（CO气体）；对一氧化碳、烟、HC挥发气体有高灵敏度，可用于该类气体定性检测；具有使用寿命长和稳定性可靠等特点。ms2200CO检测传感器测量原理图如图4所示。
2.5 AM2301温湿度传感器。AM2301传感器又叫DHT21传感器，是一款含有已校准数字信号输出的复合式温湿度传感器。该传感器包括一个电容式感湿元件和一个NTC感温元件，并与高性能单片机相连。
2.6 报警系统。为了使本系统对室内空气品质的监测更为直观，采用了由显示屏和一个蜂鸣器构成的声光报警电路。其中对应每一种有毒气体都有一红一绿两个发光二极管与其对应，正常情况下对应绿色的发光二极管亮，蜂鸣器不响；当气体的浓度超标时，对应红色的发光二极管亮，并启动蜂鸣器。
2.7 AD转换电路。气体传感器出来的信号是模拟信号，而微处理器MSP430F5529只能处理数字信号，故需要对模拟信号信号进行转换，将其转换为处理器能识别的数字信号，由于经过放大电路出来的模拟电压变化范围在0～3V，故采用MSP430F5529单片机自带AD进行模数转换。
MSP430F5529对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是0-3V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。ADC0809的时序接口为51系列单片机的标准总线接口，操作方便，如同对存储器或I/O操作一样，A/D转换精度为8比特，满足本课题要求。输入的模拟电压为0～3V，一次A/D转换时间为100μS。
2.8 超低功耗。MSP430F5529继承了MSP430单片机超低功耗的特点，可以软件配置6种超低功耗模式，其处理功耗（1.8～3.6V，0.1?A/Power-down，0.8?A/Standby，250?A/MIPS）和口线输入漏电流（最大50mA）在业界都是最低的。可以满足本系统对超低功耗的要求，实现电池供电。
2.9 液晶显示模块。本系统所要显示的数据一共有5个，分别是两种有毒气体的浓度和室内的温度、湿度，显示模块采用单片机自带的段式显示屏。这种LCD是102x64矩阵LCD，带背光，驱动简单，适用于耗电量小为便携式应用的场合。
3 软件电路分析
系统软件流程图如图5所示。
4 系统实验方案
4.1 温湿度检测模块设计实验方案。选择AM2301模块进行温湿度传感器对现场温湿度进行实时监测，将测得数据与标准温湿度表进行比较，修正室内空气质量检测系统测量准确度。
4.2 有毒气体检测模块设计实验方案。有害气体检测模块与MSP430单片机连接，利用单片机内置的A/D转换器将气体检测传感器模块输出的气体浓度信息转换为数字信号，并在显示屏上显示出来，将显示出来的值与标准有害气体浓度相比较，修正室内空气质量检测系统测量准确度。
5 结束语
检测室内甲醛气体浓度和可燃气体（甲烷、丙烷等）；还可检测室内温度、湿度；可实时显示甲醛浓度读数、温度、湿度读数。体积小，重量轻，携带方便；采用电池供电，系统功耗低，价格低；适合家庭使用的空气质量检测系统。
摘要：如何利用现有资源减少投资，实现多种网络合一的室内覆盖规划设计，是3G和后3G建设的热点问题。
关键词：室内覆盖系统 多网合一 覆盖规划
0、引言
不同运营商的室内覆盖系统之间不仅频率不同，制式也不同，无法充分利用，既浪费投资又影响建筑物内的美观，同时也给网络维护带来隐患。本文就多网合一的3G室内覆盖系统的系统间干扰、容量、功率匹配等方面进行探讨，本文的设计方法可以保证多系统的正常工作，互不干扰，可有效应用于实际的网络建设中。
1、多网合一系统的关键问题
在多网合一室内覆盖设计时，由于不同系统的设备输出功率不同，不同频段信号在馈线中的传输损耗不同，不同频段无线信号在空间中的传播损耗也不同；各系统设备及性能指标不同，导致各系统的接入节点位置不一致。在建设多制式通信系统合一时，运营商需要考虑多方面问题。
1.1系统合路：系统合路是在原有系统增加新的信号源，如原有室内覆盖系统是无源方式，且器件工作频段涵盖了800MHz～2500MHz，则无需再改动。增加新系统时需在信号源部分使用双频或多频合路器对信号合路/分路后（对上行是合路，对下行是分路）送到室内分布系统。
1.2覆盖与容量：共用室内分布系统需满足各种系统的覆盖和容量要求。3G室内覆盖系统设计建议优先采用“多天线、小功率”的方式，减少室内天线的输出电平，以控制信号泄漏电平。
对于大型建筑物，信号在传输和分配过程中，信号强度低到一定程度就需增加干线放大器对其放大，此时需用合路器把信号合路/分路，通过各系统的干线放大器放大后，再通过双频或多频合路器进行合路。
1.3功率匹配：多系统共用分布系统的一个突出问题是功率匹配。均需要在设计中进行综合考虑。
1.4系统间干扰：多网合一的室内分布系统设计的重点，需要分析各系统间的干扰并提出抑制方法，保证各系统的正常工作。
在工程上运营商可以采用合路器隔离度、增加滤波器、空间隔离等几种方法满足杂散隔离度需求。
2 、系统的多网合一改造实例
某办公楼的原有GSM室内覆盖系统需要进行优化改造，使系统能兼容WLAN和TD-SCDMA系统。该建筑物有13层，地下有1层，有两部电梯。楼内多为办公区、会议室等。大楼中间为走廊，两侧为办公区，结构具有代表性。
2.1 GSM、TD-SCDMA、WLAN系统的合路：信号源方面，TD-SCDMA目前多采用BBU+RRU的方式，能够将远点射频模块就近于天线安装，降低了信号在馈线上的损耗。这种方式施工方便，对原有系统变动小，工程成本较低，无需依赖干放，是一种经济的室内覆盖系统组网方式。
TD-SCDMA设备RRU的输出功率（27dBm左右）比GSM设备（40dBm左右）低，而在馈线中的损耗却比GSM大，设计中不考虑在机房内进行合路，在无源器件中间级择机合路，采取功率倒推的方式，根据模拟测试结果，计算出天线口需要的功率，返回推算出TD-SCDMA设备接入的合适具体位置。根据大量测试经验，TD-SDMA系统天线口功率一般建议控制在7～10dBm左右，那么，从天线口至合路器位之间的馈线和器件及合路器损耗，应该控制在17dB左右。
WLAN系统的工作频段比TD-SCDMA系统的工作频段更高，如采用与TD-SCDMA系统相同位置合路的情况下，由于室内型AP设备输出功率有限（一般在100mW以内），为扩大单个AP的覆盖区域增大，工程上需要采用WLAN功率放大器，将AP信号放大，通过AP+干放的方式来解决覆盖问题。通过链路计算，WLAN干放的输出功率大致需要在30dBm左右。
2.2 功率匹配：根据工程经验，TD-SCDMA和WLAN系统天线口功率建议控制在10dB左右，这就需要通过对RRU和AP干放的输出功率的适当调整，使天线口的功率符合设计要求，在开通测试后优化调整，尽量保证信号的边缘覆盖场强的同时控制信号的外泄情况。
2.3 信号覆盖：对大楼原有系统进行摸查核实，对所有器件及天线等进行认真核查，检查是否与原有存档的文件相符合。对于部分格局发生变化的区域，根据现场覆盖情况，进行天线的增补。原有电梯内的覆盖，是采用八木天线安装在电梯井顶部和底部方式，天线间距很远，另外电梯覆盖原有采用八木天线，由于八木天线的频带无法覆盖到2GHz频段，因此考虑本次TD-SCDMA系统的电梯覆盖，采取重新布放馈线和宽频定向天线的方式。
信号覆盖方面：TD-SCDMA系统，需对大楼实现全覆盖；WLAN系统，主要覆盖办公区和会议室等重点区域，而电梯及地下室等区域，无需考虑WLAN的信号覆盖。
2.4 系统容量WLAN系统：工程设计上一般每AP接入用户数在20～30个左右应该比较合适。由于本大楼平层面积不大，对覆盖区域内的用户数进行估算，同时为净化信道环境，减低信道干扰，并结合实际工程经验，对于在办公区域，每两层楼采用一个AP来进行覆盖，基本能满足用户需求。对于特殊热点区域，如大型会议室等场所，可采用多个AP合路的方式来解决。如果要进一步扩大用户容量，可采用支持802.11g标准的设备，该标准下单个AP最佳最大并发用户接入数是75。
TD-SCDMA系统：采用BBU+RRU的方式，分布式基站使容量和覆盖能彼此独立来规划，使室内覆盖系统的规划变得简单，并且带来很大的灵活性。由于目前项目处于试点阶段，初期用户数目少，网络提供的业务相对简单，对容量要求不明显，主要完成室内的信号覆盖，本方案暂时对每小区配置3个载波。
2.5 系统共存时的干扰：在多网合一的室内分布系统的设计中，对系统间干扰的分析和抑制显得至关重要。根据前面的理论分析和计算，只要合路器的隔离度满足大于90dB，就可以采用合路器隔离的方式来抑制3个系统间的干扰。
3、结束语
多系统室内覆盖应重点考虑不同系统间的杂散和互调的影响，当系统较少时，可只考虑杂散指标的要求。考虑到工程成本、建筑物美观及特殊场景需求，多系统共用室内分布系统是未来的发展方向。
【摘 要】为了精确、稳定地获得粮仓内大范围的温度分布，设计了光纤布拉格光栅测温系统。系统通过光纤网络对粮仓内进行大范围温度检测，利用光纤布拉格光栅所测温度与中心波长之间存在线性的关系，根据光谱线性频移函数获得仓内各位置的精确温度。其中每个光栅的工作波长相互分开，经3dB的耦合器反射后，再用波长探测解调系统对多个光栅的线性频移进行测量，即可检测出仓内各处的温度。实验采用FBG封装的光纤、LPT-101型光源、放大处理电路等设备获得采集得到的温度信息。通过Origin软件画出了被测温度与波长频移的关系图，同时与传统的测量方法K型热电偶的测量数据进行比较。实验结果显示，光纤布拉格光栅测得温度与标准温度更接近，且抗干扰能力更强，满足粮仓内大范围温度监测的要求。
【关键词】光纤布拉格光栅；温度检测；光谱线性频移；粮仓
0 引言
温度检测在很多领域都有应用，生产厂房的温度检测、住宅区的室温控制、农业生产中温室大棚的恒温监控等。目前，国内外对于温度检测的主要方法有：热电偶型测温系统，具有结构简单，探测区域大的特性，而其属于接触式测量，易污染、精度较低。数字集成温度探测芯片，该温度探测器功耗低、体积小，常应用于单点探测，在多点位大范围测试中误差较大。除此之外，光纤测温器也是一个常见类型，其灵敏度高、适合远距离检测，但多路检测测量难度大、工艺复杂、价格高；半导体吸收式光纤温度传感器温度监测系统，其优点是将光纤仅用于传输，测量采用其它光学或机械的元件完成，监测被测温度的变化；智能（数字）温度传感器温度监测系统，其内部包含处理芯片，适用于测温位置在线处理的场合。我国传统的内部温度测量方法是直接将温度计插入粮食中检测，工作量大、效率低、精度差；除此之外，国内还有采用基于PN结或热敏电阻的温度检测系统[11]，但其传统电路设计上存在干扰、滤波不稳定，线路复杂等问题。而测温电缆技术在实际应用中不但工艺复杂，且部分结构需要专用设备，十分不便。
相比之下，采用波长调制的光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）传感器[12-14]避免了温度测试信号受光源变动、光纤损耗等的影响；采用波分复用技术在一根光纤中串入多个布拉格光栅实现分布式测量，大大降低了系统复杂度；采用光谱线性频移的监测手段，测量精度高、范围广、分布密度大。本文在采用分布式光纤布拉格光栅结构的基础上，利用光纤布拉格光栅所测温度与中心波长之间的线性函数关系，提出了一种通过光谱线性频移反演分布式粮温的新方法，提高了检测精度、温控范围和温度数据密度。
1 温度探测系统设计
系统采用了一种新的分布式光纤布拉格光栅测温方法，即通过光纤布拉格光栅温度探测器对粮仓各处的局部温度进行监测。由于光谱线性频移程度与被测温度存在函数关系，即中心波长与被测温度之间呈线性关系。分布式光纤探测系统是可从整体上大范围地对被测物理量的变化进行监测的探测网络。本文采用的是分布式光纤布拉格光栅探测结构，根据系统性能，建立了粮仓的数学模型。处理器控制宽带光源发射探测光，通过耦合器进入多组光纤通道，每组光纤通道中设置光纤光栅探测器，在粮仓内网络式分布，从而获得粮仓内各处的粮温数据。回波信号经解调仪解调，将带有温度信息的数据传给处理器，经过处理器将粮仓各位置粮温数据显示在控制台上。
2 光纤光栅基本原理
在光纤光栅之前，将在平面光波导中沿入射光传播方向制作的多层介质结构，即布拉格光栅。光纤中的光栅反射实际上是一种层状介质的反射，由光纤中沿轴向分布的多层介质结构构成光纤布拉格光栅。
常用的电类温度传感器有热敏电阻温度传感器、热电偶温度传感器，其极易受外界的电磁干扰，会由于测量距离、辐射系数等因素导致测量精度降低。而光纤光栅温度传感器不仅具有普通光纤温度传感器的优点，还有光谱特性好、损耗率低及稳定性高等特点，且波长编码信息不受光源功率波动或耦合损耗等的影响。同时，在一根光纤中可设置多个光栅，使光栅阵列信息量大，结合波分复用等技术非常适合大范围的分布式网络化的粮温监测。
光纤布拉格光栅探测器中的宽谱光源可采用面发光二极管SLED或放大自发辐射光源ASE等，光传输及转换部分由光耦合器或光环形器构成。当光源系统发出一定带宽的光入射到光纤光栅后，由于光纤光栅对中心波长具有选择作用，只有符合波长关系的光被才会被反射，并再次通过光传输结构送入解调装置解调，最后解调光会体现出光纤光栅反射波长的变化特性。当利用光纤布拉格光栅原理检测粮仓内局部粮温时，由于粮温变化引发的光栅自身的折射率或栅距的改变会使反射波长产生相应的变化，最终对由解调器检测得到的波长变化推导计算即可求得相应位置实时的粮温数据。探测器获得的尖峰波长随着粮温的变化持续变化，探测器带宽是指光纤布拉格光栅反射峰对应的带宽，其检测精度越高，则带宽就越小，由于工艺水平的限制，一般在0.2-0.3nm之间。
3 解调仪
光纤布拉格光栅采用波长调制，对布拉格波长移动的检测获取粮温变化信息的重要步骤。目前国内外实用化的解调技术主要有：采用可调谐F-P滤波器和宽带光源扫描传感光纤光栅的反射谱；采用大功率可调谐窄带激光源对传感光纤光栅进行波长扫描；采用建立在色散元件和阵列相结合基础上的光谱成像技术进行波长分析。ASE光源发出的宽带光经过F-P（Fabry-Perot）滤波器，因为不同的扫描电压所对应的中心波长各有不同。在扫描电压的控制下，窄带光穿过F-P滤波器，其中透射光经耦合器的分光后，产生多个可与测量通道相接的光路，3个测量通道的反射光回波信号被光电探测器采集从而获得反射谱。这些反射谱都是电压信号，被放大滤波后传输给信号采集模块，最终导入计算机，从而解调出粮温信息。
4 结论
本文针对粮仓内大范围的粮温实时监测困难大，设计了基于光纤布拉格光栅测温原理的分布式粮温网络监测系统。系统根据光纤布拉格光栅所测温度与中心波长之间存在线性的关系，利用光谱线性频移函数获得仓内各位置的精确温度。实验采用LPT-101型光源、FBG封装的光纤及处理电路等获得模拟粮仓中的分布温度数据。通过计算光谱线性频移量及温度标定的方法获得对应处温度信息，再由Origin软件画出了被测温度与波长变化的关系图，与传统的K型热电偶单点测温方法进行比较。实验结果显示，光纤布拉格光栅测温法的精度满足设计要求，且具备抗干扰能力强，可获得大范围多点的实时粮温数据。
【摘要】高楼林立是大都市的特色，而混凝土和金属材料的大量使用却使建筑物对无线信号产生屏蔽。因此室分系统在TD室内业务覆盖和性能指标中起着举足轻重的作用。本文主要针对高层建筑条件下TD信号的特点提出适合的室内分布系统的设计方案，并结合测试结果提出优化方案。
【关键词】TD-SCDMA室内分布系统高层建筑优化方案
一、引言
移动通信业务中，只占覆盖总面积的20%左右的室内，但却产生了70%的业务量。而建筑材料会对包括TD信号在内的无线信号造成屏蔽。高层建筑物的较低层，TD基站的信号较弱；而较高层，信号虽较强但杂乱，会出现干扰严重甚至没有信号的现象。
为解决上述问题，TD网络有必要引入室内分布系统以清除盲区，吸收室内话务量，改善室内通话质量。另外，TD室内覆盖方案还要考虑融合并充分利用楼宇内已有的2G或其它制式的3G室分系统。
二、室内覆盖技术特性
2.1空间损耗分析
TD的频段为高频段，衰落比GSM900大，本文选取2010 MHz-2025 MHz频段来计算TD与当前2G系统在室内环境的传播损耗差值。由于室内电磁波的辐射模式相对简单，采用自由空间模型。计算结果表明在自由空间里，TD的传播路径损耗约比GSM900高6.6 dB，比GSM1800高0.8 dB。
2.2天馈系统的损耗
在天馈系统中，如果原系统使用的馈线为7/8与1/2的组合，TD系统的综合损耗约高于GSM900系统2～5 dB，高于GSM1800系统约1 dB；如果原系统中含有8 D、10 D等馈线，则分别高出为5～8 dB和2 dB。
2.3遮挡物典型损耗值
TD信号传播能力差，深层覆盖不理想，TD网络将出现更多盲区和弱信号区。遮挡物损耗值如表1所示，从表1中可见，钢筋混凝土的遮挡损耗值最大。
三、室内分布系统设计
3.1设计技术指标
（1）无线覆盖区内可接通率达区内约90%，且MS在99%的时间里可以接入网络。（2）话音、CS64k、PS数据的块差错率分别在1%左右、0.1～1%及5～10%。（3）无线信道呼损不超过2%。
3.2边缘场强要求[1]
（1）主公共控制物理信道载干比PCCPCH C/I≥-3 dB。（2）外泄电平在室外10米处的接收信号码功率PCCPCH RSCP≤-95 dBm。（3）无线覆盖边缘场强PCCPCH RSCP≥-85 dBm。
3.3功率配置方案
（1）信源采用PCCPCH信道功率进行功率预算，按32 dBm（12 W、6载波）进行功率预算。（2）PCCPCH信道功率在楼层天线口为5～10 dBm，在电梯天线口为10～15dBm。（3）单站RRU数量小于等于6个的，不采用光缆级联方式。（4）覆盖半径取6～10米。
3.4小区配置方案
（1）切换区域适中。如过大容易引起小区间的干扰，而过小不容易保证切换时间的要求。（2）室分系统小区切换到室外的宏基站规划在进入建筑物处；别的区域，则需要控制信号室内外相互泄漏。（3）楼层是室分小区边界，因而楼梯处即为切换带。（4）电梯内信号覆盖可与较低楼层共在一个小区或单独划分，与电梯外信号的切换尽量设置在电梯的门厅处。
3.5信源规划及设计
TD室内覆盖可选择的信源有BBU+RRU、光纤直放站、无线直放站三种类型。考虑到目前TD-SCDMA网络重点覆盖数据业务需求区域的建设策略，采用BBU+RRU作为信号源。另外，对于2G室内分布改造站点，BBU的安装位置应尽量接近原有2G信源设备（微蜂窝或光纤直放站），以利于方便引接原有的传输设备或传输光缆[3]。
3.6功率核算
（1）信源输出功率：PCCPCH信道功率（双码道）为32 dBm[3]。（2）边缘场强：普通建筑物PCCPCH RSCP≥-80 dBm C/I≥0 dB；地下室、电梯等封闭场景PCCPCH RSCP≥-85 dBm C/I≥-3 dB。（3）天线口功率≤10 dBm。（4）TD基站和终端间的最小耦合损耗应大于57.5 dB。
3.7切换区规划
（1）进出建筑物的切换：切换带在建筑物门口外5米以内非马路的平坦地面。（2）建筑物窗口处的切换：室分系统的天线可放置在近窗边位置，使室内小区尽量覆盖全部室内用户；或者通过改变小区选择/重选的参数，使用户优先选接室内小区；而建筑物高层的室内和室外小区则用单向邻区策略，也可以不配置邻区关系。（3）电梯间的切换：上下电梯的切换设在电梯口；用户在乘坐一台电梯的过程中无需切换。
3.8泄控制
要精确控制电信号的泄漏，可采取辐射功率小的多根天线。主要通过利用减小天线辐射功率、利用建筑物的屏蔽作用、合理选择天线布放位置来完成。使PCCPCH RSCP达到室外10米处满足≤95 dBm或室内小区外泄比室外主小区低10 dB[4]。
四、室内分布系统优化分析
室内分布系统有施工难度大，走线复杂，容易造成覆盖盲区等特点。因此很容易出现问题，从而严重影响网络质量。如果不预先防范，将对后期优化工作带来很大的障碍。
4.1室分系统问题定位
经过测试取样，室分系统出现最多的问题是信号在部分楼层与电梯间内无法覆盖。另外部分天线失效、电平泄露、乒乓效应等问题也偶有出现。经过进一步勘测和分析，造成以上问题的主要是RRU和馈线的原因。主要表现有： RRU配置不当；馈线、光缆或器件故障；RNC功率低。
4.2常见问题优化分析
（1）RRU故障类问题。RRU故障是导致室内无信号覆盖问题最主要的原因，造成RRU故障的主要原因则是RRU的配置不当，在确定正确配置RRU后问题如果仍存在，则可能是硬件问题或馈线故障。（2）馈线故障类问题。导致部分楼层无覆盖或者弱覆盖的第二个主要原因是馈线故障。在排除馈线故障时可以首先从馈线线头松动和规格不匹配这两个方面入手。（3）室内的小区切换问题。高层建筑的信号由于建筑物内的空间基本都是相对隔离的，信号分布状况相对复杂。在进行室内覆盖设计时，要选择人员活动较少的空闲的角落作为切换带。
五、总结
室分系统设计对TD网络建设具有意义重大。本文针对高层建筑内无线信号特点和业务需求，提出高层建筑室分系统在设计阶段应统筹考虑覆盖，切换等关键问题。然后根据测试结果发现室内覆盖出现问题的主要原因是信源、馈线故障以及小区切换规划设计。因此在施工阶段，要特别注意上述内容。另外网优人员也应及早介入室内分布系统的优化测试中，及时解决覆盖中遇到的问题。
