基于ZigBee無線技術(shù)的智能空氣凈化系統(tǒng)設(shè)計

崔曦元 吳凌智

摘要：設(shè)計了基于ZigBee無線傳輸技術(shù)的智能空氣凈化系統(tǒng)。以德州儀器（TI）公司的CC2530單片機為主控中心，ZigBee無線傳輸技術(shù)為橋梁，實現(xiàn)一個自組織、低成本的空氣凈化系統(tǒng)。該凈化系統(tǒng)利用終端器上的PM2.5及溫濕度傳感器采集空氣數(shù)據(jù)，通過ZStack協(xié)議棧發(fā)送至ZigBee協(xié)調(diào)器，在液晶屏幕上顯示實時數(shù)據(jù)，通過設(shè)定閾值控制空氣凈化開關(guān)。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)測量準確，能較好地傳輸數(shù)據(jù)并凈化空氣。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：ZigBee無線傳輸；ZStack協(xié)議棧；PM2.5；空氣凈化

DOIDOI：10.11907/rjdk.161917

中圖分類號：TP319文獻標識碼：A文章編號文章編號：16727800（2016）007010703

0引言

近年來，智能家居的概念不斷被提及，智能家居將多種技術(shù)相結(jié)合，組成一個控制系統(tǒng)，在家居住宅等平臺上利用通信技術(shù)、計算機技術(shù)及自動控制技術(shù)，實現(xiàn)家庭生活中各類子系統(tǒng)的結(jié)合應(yīng)用，進而通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對家庭內(nèi)部的全智能控制。

空氣凈化作為智能家居的重要組成部分，對人體健康起到重要保護作用。PM2.5是指大氣中直徑小于等于2.5μm的顆粒物。與較粗的大氣顆粒物相比，其直徑較小，富含有毒有害物質(zhì)，如果在大氣中停留時間過長，人體會吸入大量PM2.5，對身體傷害巨大。目前，對于大氣顆粒物的研究及檢測方法尚處于檢測方法及儀器制作階段，對于PM2.5這類污染物的網(wǎng)絡(luò)化檢測還很少。ZigBee作為一種注重低耗能、低速率的無線通信技術(shù)標準，近年來被無線通信領(lǐng)域廣泛研究并應(yīng)用于智能儀器表、醫(yī)療環(huán)境等方面。本文設(shè)計了一款應(yīng)用ZigBee無線傳輸技術(shù)的智能空氣凈化系統(tǒng)，將空氣監(jiān)測與凈化系統(tǒng)相連接，達到實時凈化空氣的目的。

1ZigBee協(xié)議

低功耗、低成本及短距離傳輸?shù)臒o線通信技術(shù)一直存在，例如藍牙、WiFi，但由于價格影響了這類協(xié)議的應(yīng)用范圍。隨著科技的進步，無線傳感網(wǎng)絡(luò)不斷發(fā)展，許多新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議也隨之誕生，ZigBee就是其中之一。2001年，ZigBee聯(lián)盟成立，2004年ZigBee V1.0誕生，它是ZigBee規(guī)范的第一個版本，但由于時間倉促，其不免存在一些不足。之后的幾年內(nèi)ZigBee不斷推出新版本，功能也相繼完善。ZigBee的主要技術(shù)特點有：①低功耗；②時延段；③低成本；④網(wǎng)絡(luò)容量大。

1.1ZigBee協(xié)議棧

ZigBee協(xié)議棧有4層結(jié)構(gòu)，如圖1所示，其中的IEEE802.15.4-2003標準定義了最底下的兩層：物理層（PHY）及媒體訪問層（MAC）。ZigBee聯(lián)盟在這兩層的基礎(chǔ)上，又定義了網(wǎng)絡(luò)層（NWK）及應(yīng)用層，應(yīng)用層由應(yīng)用支持子層（APS）、ZigBee設(shè)備對象（ZDO）組成。ZigBee協(xié)議棧的每一層都會先將屬于各自的任務(wù)完成，待結(jié)束后向上一層提供相應(yīng)的信息與服務(wù)，每層通過接口之間的邏輯鏈路為相應(yīng)的信息與服務(wù)提供支持。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)層（NWK）支持3種拓撲結(jié)構(gòu)：樹型、星型和網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)狀型。星型拓撲結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)屬于集中控制型網(wǎng)絡(luò)，整個網(wǎng)絡(luò)由中心節(jié)點執(zhí)行集中式通信控制管理，各節(jié)點間的通信都要通過中心節(jié)點。每一個要發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點都將數(shù)據(jù)發(fā)送到中心節(jié)點，再由中心節(jié)點負責將數(shù)據(jù)送到目地節(jié)點。因此，中心節(jié)點相當復(fù)雜，而各節(jié)點的通信處理負擔都很小，只需要滿足鏈路的簡單通信要求即可。本設(shè)計選擇了星型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，如圖2所示。結(jié)構(gòu)由協(xié)調(diào)器和終端器組成，其中協(xié)調(diào)器負責組建與維護，終端器與協(xié)調(diào)器一對一通信。

本設(shè)計以電腦為主控中心，將ZigBee的協(xié)調(diào)器利用USB與電腦連接，利用ZigBee的無線通訊作為傳輸?shù)臉蛄?，終端器（Terminal Device）將各自測量的數(shù)據(jù)傳送至協(xié)調(diào)器（Coordinator）。使用者可以在電腦上、協(xié)調(diào)器的液晶屏或者安裝有應(yīng)用程序的安卓手機上實時查看空氣質(zhì)量等數(shù)據(jù)。協(xié)調(diào)器通過ZigBee無線控制每一個子節(jié)點，以此實現(xiàn)對監(jiān)測裝置和空氣凈化裝置的自動控制。系統(tǒng)設(shè)計總體框架如圖3所示。

ZigBee模塊組成如圖4所示，主要由協(xié)調(diào)器、終端器（終端節(jié)點）、PC機、各類傳感繼電器及控制器組成。系統(tǒng)中的主要硬件電路采用了ZigBee的設(shè)計模塊，本文使用的是TI公司的CC2530芯片。此款芯片基于2.4GHz IEEE802.15.4，能以非常低的材料成本建立強大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，其內(nèi)部集成了8051的內(nèi)核，供ZigBee專用，芯片采用3.3V電壓。系統(tǒng)整體框架如圖4所示。

系統(tǒng)在終端器上配備了PM2.5傳感器接口。PM2.5傳感器選用了夏普GP2Y1014粉塵傳感器。在傳感器中心有檢測孔，空氣可以自由流過，該裝置中一個紅外發(fā)光二極管和光電晶體管，對角布置并定向發(fā)射光束，光束經(jīng)過灰塵會產(chǎn)生折射光，傳感器通過檢測折射光束來測定空氣中PM2.5的含量。

3.2溫濕度傳感器

終端器上還外接溫濕度傳感器，設(shè)計中選用了DHT11數(shù)字溫濕度傳感器。DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性和卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接，具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強、性價比極高等優(yōu)點。

3.3空氣凈化系統(tǒng)

空氣凈化系統(tǒng)使用了高效的HEPA濾網(wǎng)及活性炭濾網(wǎng)，并配備了12V、0.25A的風機，對PM2.5及以下顆粒具有較好的吸附效果。終端器的傳感器將數(shù)據(jù)采集后通過ZStack協(xié)議棧和2.4GHz無線發(fā)送到ZigBee的協(xié)調(diào)器模塊中，協(xié)調(diào)器處理這些數(shù)據(jù)并控制空氣凈化系統(tǒng)的運行。

4軟件及實現(xiàn)

利用TI公司的ZStack2.3.01.4.0版本的協(xié)議棧作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)節(jié)點的工作協(xié)議。協(xié)議棧里的配置可以更改成協(xié)調(diào)器或終端器。系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括硬件、網(wǎng)絡(luò)、任務(wù)等方面的初始化，選擇操作系統(tǒng)抽象層（OSAL）任務(wù)進入系統(tǒng)。ZigBee協(xié)議棧流程如圖5所示。

在ZStack協(xié)議棧中規(guī)定了組網(wǎng)作為優(yōu)先級最高的任務(wù)，首先進行組網(wǎng)，接著調(diào)用協(xié)議棧中的組網(wǎng)函數(shù)，同時注入網(wǎng)絡(luò)函數(shù)以實現(xiàn)組網(wǎng)和節(jié)點的加入。要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，就要使用節(jié)點調(diào)用協(xié)議棧里的無線數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)，這樣就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸功能，發(fā)送之后的接收功能由接受節(jié)點調(diào)用協(xié)議棧的無線數(shù)據(jù)接收函數(shù)來實現(xiàn)。整個調(diào)用過程是：main（）->osal_init_system（）->osalInitTasks（）->SampleApp（）。

搭建的硬件電路如圖6所示，對PM2.5及溫濕度傳感器的終端器及帶有顯示屏的協(xié)調(diào)器進行調(diào)試，在IAR Embedded Workbench中對程序進行編譯和調(diào)試，通過下載器將編譯后的HEX文件下載至CC2530中，使系統(tǒng)自動運行，并在顯示屏上顯示實時數(shù)據(jù)。

圖6硬件電路試驗在一個密閉的房間內(nèi)進行，實驗前測得室內(nèi)PM2.5為70，未觸發(fā)空氣質(zhì)量閾值報警線。實驗中，點燃一張A4紙，此時房間內(nèi)的PM2.5急劇上升，經(jīng)過ZigBee終端器測量可知PM2.5濃度達到800，觸發(fā)預(yù)設(shè)值的100 報警閾值，空氣凈化系統(tǒng)被自動開啟，開始凈化。實驗人員穿著智能空氣凈化系統(tǒng)配置的呼吸口罩呼吸新鮮空氣，表示空氣質(zhì)量良好。

5結(jié)語

本文提出了一款基于ZigBee無線傳輸技術(shù)的智能空氣凈化系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅成本低，而且測量準確，能夠達到較好的空氣凈化效果。試驗測試中，在ZigBee終端器安裝PM2.5及溫濕度傳感器，以檢測空氣質(zhì)量并傳輸數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)了ZigBee終端器與ZigBee協(xié)調(diào)器之間的無線通訊，同時保證了繼電器對空氣凈化系統(tǒng)的智能控制。隨著無線通訊技術(shù)的不斷發(fā)展，空氣凈化系統(tǒng)將更加智能化、個性化，以更好地滿足用戶體驗需求。

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