基于ZIGBEE的空氣質(zhì)量檢測(cè)儀設(shè)計(jì)研究

陳創(chuàng) 王勤湧 蔣凱特 金通華 陳珂?zhèn)?/p>

摘要：本文是基于ZIGBEE的空氣質(zhì)量檢測(cè)儀設(shè)計(jì)研究，主要從ZigBee組網(wǎng)的搭建入手，系統(tǒng)的介紹了空氣質(zhì)量主要參數(shù)的采集和處理過(guò)程以及物聯(lián)網(wǎng)模型的控制。本文使用LM3S811作為數(shù)據(jù)采集器的主控芯片，與傳感器模塊使用I2C進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并可以通過(guò)串口與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，同時(shí)也可以通過(guò)ZigBee組網(wǎng)與以LMS9B96為主控芯片的協(xié)調(diào)器模塊進(jìn)行通訊。協(xié)調(diào)器可以通過(guò)串口與上位機(jī)進(jìn)行通訊。

關(guān)鍵詞： ZigBee組網(wǎng)；空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)； CortexM3

中圖分類號(hào)：TP368文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

近年來(lái)，隨著生活質(zhì)量的提高和空氣質(zhì)量的日益嚴(yán)峻，社會(huì)上對(duì)于空氣質(zhì)量檢測(cè)產(chǎn)品的需求也呼聲高漲，家庭空氣質(zhì)量也被更多人所關(guān)注，越來(lái)越多的家庭希望能夠?qū)ψ约核幍沫h(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)。本文討論的空氣質(zhì)量檢測(cè)儀應(yīng)運(yùn)而生。使用LM3S811作為數(shù)據(jù)采集器的主控芯片，與傳感器之前使用I2C協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并可以通過(guò)串口與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，同時(shí)也可以通過(guò)ZigBee組網(wǎng)與以LMS9B96為主控芯片的協(xié)調(diào)器進(jìn)行通訊[1]。

1空氣質(zhì)量檢測(cè)儀結(jié)構(gòu)和原理

系統(tǒng)按硬件分為4大部分組成：傳感器采集節(jié)點(diǎn)、路由中間節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)（用于傳輸數(shù)據(jù)至PC）[2]以及PC機(jī)平臺(tái)控制軟件。系統(tǒng)框圖如圖1所示：

協(xié)調(diào)器與PC機(jī)的數(shù)據(jù)通訊支持以太網(wǎng)以及USB傳輸，其余節(jié)點(diǎn)均采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)。終端和路由使用LM3S811主控芯片，匯聚節(jié)點(diǎn)采用LM3S6952，該主控芯片支持以太網(wǎng)和USB，終端節(jié)點(diǎn)除數(shù)據(jù)傳輸外，還需進(jìn)行傳感器信號(hào)處理。

正常工作時(shí)，LM3S811采集節(jié)點(diǎn)傳感器信號(hào)，讀取O2傳感器和可燃?xì)怏w傳感器的信號(hào)。信號(hào)經(jīng)過(guò)軟件處理后變?yōu)?V5V的模擬電壓值，氧氣濃度傳感器通過(guò)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電流信號(hào)輸出，經(jīng)ADC采樣并轉(zhuǎn)化為電壓值?？扇?xì)怏w傳感器的阻值隨可燃?xì)怏w濃度改變而變化，它將被測(cè)氣體的濃度信號(hào)轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的電信號(hào)。單片機(jī)根據(jù)濃度值計(jì)算公式對(duì)A/D 轉(zhuǎn)換后的電壓量進(jìn)行計(jì)算，得出所需的氣體濃度數(shù)據(jù)，再使用ZigBee通訊發(fā)送至協(xié)調(diào)器進(jìn)行顯示。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)控制器

主控芯片采用LM3S9B96，ARM CortexM3內(nèi)核，最大主頻80 MHz，256 KByte FLASH，96 KByte SRAM。內(nèi)部外設(shè)極為豐富，集成10/100MHz以太網(wǎng)USB OTG、16路ADC，UART等等外設(shè)[3]。

采集節(jié)點(diǎn)主控芯片采用LM3S811，最大支持主頻50 MHz，亦為ARM CortexM3內(nèi)核，內(nèi)置64 KByte FLASH，8 KByte SRAM。內(nèi)部外設(shè)包括4路10位ADC2路UART、SSI、3個(gè)通用定時(shí)器等等外設(shè)[4]。

2.2 氧氣濃度，可燃?xì)怏w濃度檢測(cè)

氧氣傳感器模塊所采用的芯片是英國(guó)Alphasense公司的O2A2，該傳感器屬于電化學(xué)式的，其工作原理是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電流信號(hào)輸出。

氧氣傳感器模塊原理圖如圖2所示：

可燃?xì)怏w傳感器使用MQ2傳感器，MQ2傳感器是一種電阻控制型的氣敏器件，其電阻值隨氣體的濃度變化而變化，是一種“氣—電”傳感器件，可將氣體的濃度信號(hào)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號(hào)。

MQ2傳感器阻值與氣體濃度的關(guān)系一般為非線性HYPERLINK"http：//www.zhenfengdz.com/plus/tags.asp？n=線性"＼t"_blank"關(guān)系，但在一定濃度域的氣體檢測(cè)時(shí)可近似認(rèn)為是線性的，如下圖所示。因此，在一定的濃度范圍內(nèi)（通常情況下氣體爆炸下限濃度的1/4～1/10）的檢測(cè)線性度較好[5]。

MQ2傳感器模塊電路圖如圖3所示：

2.3 ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收發(fā)電路設(shè)計(jì)

ZIGBEE采用CC2420，該器件符合2.4GHz IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)。正常工作只需少量的外部元件，性能穩(wěn)定，功耗較低，短距離通信時(shí)具有較高的有效性和可靠性，可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的快速組網(wǎng)。

2.4 液晶顯示

采用了一個(gè)3.5寸的TFT LCD液晶，320X240像素，26萬(wàn)色，（四線電阻屏）支持觸摸功能。作為L(zhǎng)M3S9B96的顯示設(shè)備，實(shí)時(shí)得顯示信息。

3 軟件程序設(shè)計(jì)

3.1 可燃?xì)怏w測(cè)量程序設(shè)計(jì)

MQ2將被測(cè)氣體的濃度（成分）信號(hào)轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的電信號(hào)。通過(guò)ADC采樣程序，將濃度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓值，而后使用濃度值計(jì)算公式對(duì)A/D 轉(zhuǎn)換后的電壓值進(jìn)行計(jì)算，得到所需的氣體濃度數(shù)據(jù)，發(fā)送至協(xié)調(diào)器，目的地址的短地址為0x0000。

3.2 氧氣測(cè)量程序設(shè)計(jì)

氧氣測(cè)量程序的功能通過(guò)ADC采樣中斷，得到O2A2產(chǎn)生的電流信號(hào)輸出。根據(jù)濃度值計(jì)算的公式對(duì)A/D 轉(zhuǎn)換后的電壓量進(jìn)行運(yùn)算處理，得到所需的氧氣濃度數(shù)據(jù)，發(fā)送至協(xié)調(diào)器。發(fā)送到協(xié)調(diào)器。目的地址的短地址為0x0000。

3.3 顯示程序設(shè)計(jì)

顯示采用TFT LCD液晶屏幕，使用并行數(shù)據(jù)傳輸方式將處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行十進(jìn)制顯示。TFTLCD驅(qū)動(dòng)流程如圖4所示：

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要分析了空氣質(zhì)量檢測(cè)儀設(shè)計(jì)研究中可燃?xì)怏w傳感器和氧氣傳感器在采集傳輸上的應(yīng)用。采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)通訊，實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)上位機(jī)的傳輸?？蓱?yīng)用于礦產(chǎn)，工廠，家庭等不同地方的空氣質(zhì)量檢測(cè)。具有檢測(cè)快速，精確，方便等特點(diǎn)?？扇?xì)怏w、氧氣傳感器模塊等硬件傳感器模塊、可拆卸化的模塊設(shè)計(jì)、使得本空氣質(zhì)量檢測(cè)儀能在適用于各種環(huán)境，對(duì)于空氣質(zhì)量的控制研究和控制平臺(tái)的設(shè)計(jì)有十分重要的意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]袁緒，宋康，查長(zhǎng)海，陳富強(qiáng)，唐先堯.基于STC12C5A60S2的空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì).電子設(shè)計(jì)工程，2015 （6）.

[2]陳晨，曹珍貫，王政，陸偉，張智勇.基于單片機(jī)的便攜式空氣質(zhì)量檢測(cè)器設(shè)計(jì).黑龍江科技信息，2014 （13）.

[3]TI； Stellaris LM3S9B96 微控制器 數(shù)據(jù)表 （Rev. L） .http：//www.ti.com.cn/product/cn/LM3S9B96/technicaldocumentsHYPERLINK"http：//www.ti.com.cn/product/cn/LM3S9B96/technicaldocuments"，2012 2 13.

[4]TI； StellarisLM3S811 Microcontroller Data Sheet 數(shù)據(jù)表； http：//www.ti.com.cn/product/cn/LM3S811/technicaldocuments，HYPERLINK"http：//www.ti.com.cn/product/cn/LM3S811/technicaldocuments"2014715.

[5]吳恩銘，鄭張?chǎng)?移動(dòng)式空氣質(zhì)量檢測(cè)站模型的設(shè)計(jì) Technology Outlook ，2015 （18）.