1、基于无线网络的家居空气质量多点实时监测及评估系统摘要：随着现代社会人们生活水平的不断提高，并且现如今建筑物的密闭性不断提高及室内装修材料广泛应用，使得家居空气质量越来越被人们广泛关注。人们无法准确感知并判定空气质量的变化和好坏，因而如何改善家居环境，使家居环境更加人性化，是目前工程师所面临的一个大问题。基于这个问题我们把 Zigbee 无线通信技术和传感器检测技术结合成为无线传感器网络，设计了一套基于 Zigbee 的家居空气质量多点实时监测系统。系统主要采用主-从多式结构，从机节点和控制主机组成 Zigbee 无线传感器网络，实现各节点之间的数据通信，以cc2530 微处理器芯片为核心搭建的
2、无线传感器网络。系统从机传感器节点采集温湿度数据、空气环境数据实时发送到主机网关节点并汇总，主控机结合监测数据判定出家居空气总体质量状态并显示，从而采取措施改善空气质量，实现状态监测报警。关键词：Zigbee 无线传感器网络、 cc2530 单片机、空气质量检测、报警、z-stack；目 录第一章 绪论 11.1 基于 Zigbee 智能家居系统的研究背景和意义 11.2 现如今主要的家居空气质量检测方法 1第二章 ZIGBEE 协议栈及网络结构 32.1 ZIGBEE 技术概述 42.2 ZIGBEE 协议栈构架 42.2.1 物理层 42.2.2 MAC 层 52.2.3 网络层 NWK5
3、2.2.4 应用层 52.2.5 ZIGBEE 的分类及功能作用 62.3 ZIGBEE 的网络拓扑结构 62.3.1 星形结构 62.3.2 树形结构 72.3.3 网状结构 82.4 ZIGBEE 的通信方式 82.4.1 广播通讯 122.4.2 组播通讯 142.4.3 点播通讯 15第三章 智能家居系统总体设计 163.1 系统总体硬件设计 163.1.1 ZIGBEE通信模块硬件设计 163.1.2 ZIGBEE检测终端设备设计 163.1.3 ZIGBEE主控机监控系统 163.2 系统总体软件设计 163.2.1 ZIGBEE 网络设备软件 163.2.2 ZIGBEE主控机监
4、控系统程序设计 19第四章 实验测试结果 274.1 串口上位机与 ZIGBEE 的通信协议 274.1.1 DHT11 温湿度数据传输协议 274.1.2 MQ-2 烟雾检测数据传输协议 274.1.3 继电器排风扇的控制 274.2 传感器数据的采集 274.2.1 ZIGBEE 节点网络配置 274.2.2 温湿度数据采集 284.2.3 烟雾气体数据的采集 27第四章 总结 33参考文献 34附 录 36第一章 绪论1.1 基于 Zigbee智能家居系统的研究背景和意义智能家居系统的概念最早开始于上个世纪七十年代在美国传播，然后，流传到了欧洲，日本等比较发达的国家。在我们国家，智能家居
5、的概念相对于发达国家推广的较晚，但是其发展速度非常快。所谓的智能家居系统是指利用先进的计算机技术、网络通讯技术、综合布线技术、医疗电子技术依照人体功能学原理，融合个性需求，将与家居生活有关的各种子系统如安防、灯光控制、窗帘控制、煤气阀控制、信息家电、场景联动、地板采暖、健康保健、卫生防疫、安防保安等有机地结合在一起，通过网络化综合智能控制和管理，实现“以人为本”的全新家居生活体验。人有 80%的时间是在室内工作、学习、休息，室内环境质量的好坏直接影响人们的身体健康。由于世界范围内的节能性要求以及建筑材料的密闭性提高，从而相应的减少了室内外空气的流通。大部分装修材料、室内装饰品、室内设施多由有机
6、物合成，可挥发性有机物气体扩散恶化了室内空气品质，使得室内空气质量对人的生活、健康的影响明显高于室外的空气质量 1。1.2 现如今主要的家居空气质量检测方法目前，国内空气环境检测方法主要有 2 种：一种是人工采样实验室分析法，这种方法设备要求低、操作相对简单，但是整个检测过程耗时较长，不能满足对空气环境进行实时监测的要求；另一种是在线检测法，虽然这种方法具有检测准确、分辨率高以及灵敏度高的优点，但是目前此方法主要依赖于外进口设备，依然无法为全面准确检测大气环境提供一个有力的保障 2。因此我们通过对室内空气质量监测要求和实施方式分析，设计了一种基于 Zigbee 的室内空气质量实时监测系统，操作
7、较简单，有很好的实时性。第二章 Zigbee 协议栈及网络结构1.Zigbee 技术概述Zigbee 是一种新兴的短距离、低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度的无线网络技术。主要用于无线个人区域网是基于 IEEE802.15.4 标准的低功耗局域网协议开发的。IEEE802.15.4 定义了两个底层协议，即物理层和媒体接入控制层。Zigbee 联盟则在 IEEE802.15.4 的基础上定义了网络层和应用层。Zigbee 联盟预测的主要应用领域包括工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、家庭和楼宇自动化、医用设备控制等。在 zigbee 网络中有三种角色的节点：网络协调器：包含所有网络消息，是三
8、种设备中最复杂的一种，存储容量最大、计算能力最强。发送网络信标，建立一个网络、管理网络节点、存储网络节点信息、寻找一对节点间的路由消息，不断地接受信息。全功能设备（FFD):可以担任网络协调者，形成网络，让其他的 FFD 或是精简功能装置（RFD）连 FFD 具备控制器的功能，可提供信息双向传输。精简功能设备（RFD):RFD 只能传送信息给 FFD 接受信息，附带有限的功能来控制成本和复杂性，在网络中通常用作终端设备 4。第三章 智能家居系统总体设计1 系统总体概述系统包含空气质量检测终端从机、Zigbee 无线传感器网络、主控机监测系统三部分。Zigbee 网络有 3 种类型网络拓扑结构，
9、分别是星型网络拓扑结构、树状网络拓扑结构、网状网络拓扑结构。树状网络拓扑结构易于扩展，故障隔离较容易，但是节点对根依赖性太大，若根发生故障，则全网不能正常工作。星型网络拓扑结构的终端节点需要在网关节点的范围内，从而网络覆盖面积受限制；网状网络拓扑结构有覆盖面积广可靠性高的优点，但也有管理复杂，电池使用寿命短的缺点 3；本系统监测范围较小所以选择星型网络拓扑结构来组建 Zigbee 无线通信网络。主要采用主-从多式结构，检测终端从机节点和控制主机组成 Zigbee 无线传感器网络，实现各节点之间的数据通信，以 cc2530 微处理器芯片为核心搭建传感器节点和网关节点，从机传感器节点采集温湿度数据
10、、空气环境数据实时发送到主机网关节点并汇总，主控机结合监测数据判定出家居空气总体质量状态和污染级别并显示，实现状态监测和报警。系统总体结构图：图 1 系统总体结构图2 总体硬件设计2.1 检测终端从机硬件设计室内空气质量检测终端主要功能是检测室内空气中 CO、CO 2含量、空气烟雾含量、温度及湿度值，检测到的实时数据通过 ZigBee 无线通信网络发送给主机检测软件。检测终端从机主要包括 CPU 模块、温度、气体传感器模块、LCD 模块、电源模块、报警设限模块、无线通信模块、LED 指示电路以及开关电路。检测终端从机工作时，各传感器将检测到的数据经信号变换以及 A/D 转换后，由微处理器读入变
11、换，通过 ZigBee 无线方式发送给主机检测软件；LCD 显示模块在线显示当前空气质量等级；LED 指示电路用于指示设备是否正常工作、通信是否正常、气体超值报警的功能。硬件结构如图 2 所示。图 2 检测终端从机硬件图2.1.1 CPU 模块CPU 模块以 cc2530 单片机作为微处理器，采用 TI 公司生产的 CC2530 芯片作为控制器，CC2530 是用于 2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 应用的一个真正的片上系统解决方案。它能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点，是标准的增强型 8051，并结合德州仪器的业界领先的黄金单元 ZigBee 协议栈（Z-S
12、tack），提供了一个强大和完整的 ZigBee 解决方案。CC2530 具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。运行模式之间的转换时间短进一步确保了低能源消耗。温湿度、烟雾传感器模块 CPU 模块CC2530电源模块报警设限模块无线通信模块LCD 模块LCD 指示灯电路及开关电路图 3 CC2530 芯片结构2.1.2 气体传感器模块传感器模块采用 TGS2600 气体传感器，TGS2600 对低浓度香烟污染物，像 H2、CO或炊事臭味有很高的灵敏度，它有寿命长，功耗小的特点。 这种传感器是电阻型器件，传感器敏感元件由一个以金属铝做衬底的金属氧化物敏感芯片和一个完整的加热器组成
13、。在检测气体时, 传感器的传导率依赖于空气中气体浓度的变化。以空气清洁时的传感器电阻值为基准，与实时传感器电阻值进行比 较 ， 利 用 相 对值 变 化 来 检 测 空 气 的 污 染 程 度 。2.1.3 温 度 传 感 器 模 块由个传感器和信号调理电路组成。温度传感器采用 DS18B20 温度传感器，是一个单总线数字温度传感器，它直接采集温度并转换成数字量，仅需一个端口引脚进行双向通讯，1 脚接地，2 脚为数据输入/输出脚。对于单线操作，漏极开路。3 脚为可选的 VDD 引脚，R87 将数据输入/输出脚上拉，由于SPCE061A 为标准 I/O，故须设置为输入和输出。使用单线输入/输出操
14、作需要频繁地修改 I/O 的输入/输出属性，只要软件里做较多工作就可以了。图 4 温度传感器电路图 2.2 ZigBee 无线传感网络ZigBee 无线传感网络包括 ZigBee 无线路由器和 ZigBee 无线网关。根据室内分布和墙体的具体情况，需要安装一台或多台带有 ZigBee 模块的路由器节点。检测终端中的数据通过无线通道将数据发到所属的路由节点，路由器节点通过路由把数据传送给无线网关 5。无线网关实际上担当着 ZigBee 网络中的协调器的角色。协调器是整个 ZigBee 网络的中心，它负责建立、维护和管理网络、分配网络地址等功能。2.3 主控机监测系统硬件设计系统控制主机作为系统的
15、控制中心，需要设计供电模块、ZigBee 无线传感器网络中心通信模块、CPU 模块、信息显示模块、信息输入模块、控制信息输出模块等。MQ-2CC2530电源DHT11A/D报警显示输出LCD 显示温度提示2.3.1 LED 信息显示模块加实物图2.3.2 报警显示输出当环境温度不在设置温度范围内，需要发出报警，报警电路由 PNP 三极管和扬声器组成。选用低功率三极管 9012，当 P1.0 低电平，三极管集电极正偏，发射极反偏，三极管导通，驱动蜂鸣器报警。图 6 蜂鸣器报警电路2.3.3 电 源 模 块 设 计图 7加 电 路 实 物 图3 空气检测标准设计空气质量监测终端从机是用采用 TGS
16、2600 传感器对香烟、炊事的臭味等屋内的空气污染进行检测，并通过单片机进行信号处理，可以进行对空气质量的检测及控制。室内空气质量、温度并通过 LCD 显示并输出空气的污染程度（3 级）及报警的空气质量检测用的模块。（1）系统工作方式正常运转模式：接入电源后系统工作红灯亮，经 67 分钟延时后进入正常运转模式，以此时的空气质量作为清洁空气的基准。之后每 2 秒进行一次取样，每 20分钟（812 分钟内可变）更新一次清洁空气基准。污染等级用下述 3 个阶段表示。表 1 污染等级划分污染等级 0 清洁空气 绿灯亮污染等级 轻度污染 黄灯 1 亮，有输出，语音输出污染等级 中度污染 黄灯 1、黄灯
17、2 亮，同时输出语音输出污染等级 重度污染 黄灯 1、黄灯 2、红灯亮，同时输出，语音输出（2）饱和运转模式：为了使室内的空气清新可以有两种方法，一种是用室外的空气通风，另一种是把屋内污浊的空气通过过滤装置进行过滤。可是，后者虽然能用过滤器进行脱臭，但不能过滤污染空气中的氢气，所以传感器仍然对其进行检测。这就成为饱和状态。污染等级 3（有控制输出、驱动换气扇或过滤循环装置）如果持续 30 分钟，则判定为饱和状态，进入饱和运转模式。在饱和运转模式，每2 秒进行一次取样，每 20 分钟（820 分可变）判定一次饱和度，如果是从污染空气向清洁空气转变，则退出饱和运转，另一方面，如果饱和运转持续 30
18、 分钟，则强制性地使污染等级变为 0。（3）复位：和运转状态无关，如果持续按住复位开关 3 秒，则系统被复位。复位后，把此时的空气质量作为清洁空气的基准。（4）温度采集显示：采集范围：0100采集时间：2 秒显示精度：0.14 检 测 终 端 从 机 系 统 软 件 设 计4.1 检 测 终 端 从 机 系 统 软 件 设 计从机流程图如图 8 所示。主要完成如下任务。4.2 主控机检测系统软件设计主控机流程图如图 2 所示，主要完成以下几项任务：(1)初始化,对内存中的工作参数进行初始化，显示系统初始化状态。(2)读取温度和烟雾传感器参数。(3)判断是否超过设定温度，若超过温度上限则启动降温
19、模块，若没有超过则继续进行判断。(4)判断空气污染浓度。若污染浓度超过上限则自动分级，并启动报警模块。(5)判断是否低于设定温度。若低于温度下限则启动加热模块。(6)若位于设定温度和设定空气浓度内则启动负载模块。4.3 Z-Stack 软 件Zigbee 的 协 议 分 为 两 部 分 ， IEEE802.15.4 定 义 了 物 理 层 和 介 质 访 问层 技 术 规 范 ， Zigbee 联 盟 定 义 了 网 络 层 、 应 用 程 序 支 持 子 层 、 应 用 层 技 术规 范 。 Zigbee 协 议 栈 就 是 将 各 个 层 定 义 的 协 议 都 集 合 在 一 起 ， 以
20、 函 数 的 形式 实 现 ， 并 给 用 户 提 供 API（ 应 用 层 ） ， 我 们 可 以 直 接 调 用 。Z-Stack 采 用 操 作 系 统 的 思 想 来 构 建 ， 采 用 时 间 轮 循 机 制 ， 当 各 层 初 始化 之 后 ， 系 统 进 入 低 功 耗 模 式 ， 当 时 间 发 生 时 ， 唤 醒 系 统 ， 开 始 进 入 中 断 处开始程序初始化把数据存入数据库，并根据数据统计的需要做相应的处理记录超限数据并报警接收并提取有效数字实时数据显示，并记录历史区是否有数据到来数据是否超限否是是否理 事 件 ， 结 束 后 继 续 进 入 低 功 耗 模 式 。
21、如 果 同 时 又 几 个 事 件 发 生 ， 判 断 优 先级 ， 逐 次 处 理 事 件 。 这 种 软 件 构 架 可 以 极 大 的 降 低 系 统 功 耗 ， 整 个 Z-Stack 的 主 要 工 作 流 程 ， 大 致 分 为 系 统 启 动 ， 驱 动 初 始 化 ， OSAL 初 始化 和 启 动 ， 进 入 任 务 轮 循 几 个 阶 段 。5 系统设计总体实物图第四章 实验测试结果6 源程序参考文献1王文博，赵培陆，梅笑冬，王彪，卢革宇.基于 ZigBee 的无线传感器网络大气监测系统设计J2014.33（2）：83-862耿军涛，周小佳，张冰洁.基于无线传感器网络的大气环境检测系统设计J.西华大学学报，2007,26（4）:44-463常超，鲜晓东，胡颖.基于 WSN 的精准农业远程环境监测系统设计J .传感器技术学报，2011,24（6）:879-883.4毛乾杰.用于环境监测的 zigbee 无线传感器节点设计J.计算机工程应用技术，2009,5（1）；：232-234.5王文虎，基于 ZigBee 的室内空气质量检测系统研究J.华东理工大学硕士学位
