基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的住宅空氣品質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)

程靖淇

（英國德比市雷普頓中學，英國DE65 6FH）

0 引 言

住宅環(huán)境是除了辦公環(huán)境外的一個最重要的場所［1］，據(jù)統(tǒng)計人們大約有超過90%的時間都是在室內(nèi)度過［2］。隨著室外環(huán)境的惡化，以及室內(nèi)裝修質(zhì)量良莠不齊帶來室內(nèi)污染問題越來越嚴重，給居民的身心健康帶來不利的影響。導致室內(nèi)污染的因素有多種，如室外污染的侵入、室內(nèi)建筑材料的散發(fā)、室內(nèi)人員的行為活動等。室外空氣中的污染物會隨著室外通風和圍護結(jié)構(gòu)的縫隙滲透作用侵入室內(nèi)。住宅烹飪、吸煙等活動又同時會成為較大的室內(nèi)污染散發(fā)源。為降低室外污染的影響，利用新風機的過濾作用去除室外的污染物；針對室內(nèi)源，采用空氣凈化器消除室內(nèi)污染物。但對于室內(nèi)空氣品質(zhì)改善效果的檢驗不夠，不能對住宅房間內(nèi)各個房間的空氣品質(zhì)進行實時的掌握。因此如何讓住宅用戶能夠?qū)崟r了解住宅各個房間內(nèi)的空氣質(zhì)量狀況，以便于對采取的策略效果進行評估，成為首要解決的問題。

采用無線傳輸技術(shù)布置監(jiān)控系統(tǒng)成為最佳選擇。目前廣泛使用的無線傳輸技術(shù)有藍牙（Bluetooth）、超寬帶（UWB：Ultra Wide Band）以及ZigBee等無線通信技術(shù)，這些技術(shù)在智能家居等產(chǎn)品中得到廣泛的應用。從使用過程的便利性以及技術(shù)的先進性角度來看，產(chǎn)品在實際應用中還是存在一些缺陷?；诖?，本文提出了一種將互聯(lián)網(wǎng)、移動通信自動控制及傳感器網(wǎng)絡(luò)等多項技術(shù)融為一體的設(shè)計方案，并將該方案用于住宅內(nèi)空氣品質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)中。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

本文提出的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)方案，其結(jié)構(gòu)布局如圖1所示。對于每一個節(jié)點就是一個設(shè)備，并且每一個設(shè)備都具有一個射頻端，具有唯一的IEEE地址（64位）和網(wǎng)絡(luò)地址（16位）。目前設(shè)備主要有兩種類型：FFD（Full Function Device）和 RFD（Reduced Function Device）。方案中的協(xié)調(diào)器采用FFD承 擔 組 建 個 域 網(wǎng) 絡(luò) （Private Area Network，PAN），負責對其他節(jié)點進行協(xié)調(diào)等任務；ZigBee路由器和ZigBee終端，使用FFD或RFD均可，其主要功能是采集與其連接的傳感器傳輸來的數(shù)據(jù)，并匯集到協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器通過串口通信與MCU模塊建立聯(lián)系。MCU模塊與GSM模塊進行連接，可以通過公共移動網(wǎng)絡(luò)及時地將需要的數(shù)據(jù)信息發(fā)送給用戶手機上，MCU模塊同樣與PC連接，將數(shù)據(jù)顯示在PC屏幕上，以便于用戶實時觀察測試數(shù)據(jù)的變化。

2 系統(tǒng)各模塊硬件與軟件設(shè)計

按照監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分布來看，整個系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容可以分為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、ZigBee／MCU和 MCU／GSM接口以及PC監(jiān)控等部分，對于無線傳感網(wǎng)絡(luò)主要是個域網(wǎng)絡(luò)的組建，包括ZigBee終端節(jié)點、ZigBee路由以及協(xié)調(diào)器之間的無線通信；ZigBee／MCU和MCU／GSM接口部分主要是對協(xié)調(diào)器采集數(shù)據(jù)的處理，并實現(xiàn)手機與無線網(wǎng)絡(luò)的通信；PC監(jiān)控主要對監(jiān)測的對象進行監(jiān)視，用戶可以通過PC監(jiān)控發(fā)送指令控制設(shè)備的運行。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無 線 通 信 模 塊 采 用 射 頻 芯 片 CC2530［16］。CC2530結(jié)合目前領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，增強型8051CPU等其他強大的功能，并具有不同的運行模式，使得其適應于超低功耗要求的系統(tǒng)。搭載強大的集成開發(fā)環(huán)境，通過編寫的數(shù)據(jù)傳輸通信程序，實現(xiàn)ZigBee終端、ZigBee路由器和協(xié)調(diào)器之間的無線通信。

2．1．1 節(jié)點的硬件設(shè)計

ZigBee終端及ZigBee路由器采用CC2530射頻芯片，每個節(jié)點由CC2530模塊、一系列傳感器模塊以及電源模塊組成。為更加直觀地理解終端與傳感器之間連接關(guān)系，圖2顯示了終端設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)連接圖，同時展示了傳感器數(shù)據(jù)采集的類型，PM2．5傳感器以及二氧化碳傳感器與終端ZigBee通過串口數(shù)字信號進行通信，而溫濕度傳感器通過模擬電壓信號傳輸。

圖2 設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)

2．1．2 節(jié)點的軟件設(shè)計

利用傳感器網(wǎng)絡(luò)將終端設(shè)備采集到的傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將匯總的傳感器終端數(shù)據(jù)通過串口傳輸?shù)組CU模塊。通信設(shè)計采用ZStack協(xié)議棧，ZStack協(xié)議棧是一個多任務輪詢的簡單操作系統(tǒng)，由于涉及的任務較多，復雜程度較高，在這里將終端節(jié)點、路由節(jié)點和協(xié)調(diào)器流程圖進行了簡化，簡化后的流程如圖3所示。從圖中可以看出，對于協(xié)調(diào)器主要任務是建立一個個域ZigBee網(wǎng)格，并等著終端節(jié)點和路由節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)，搜集終端節(jié)點或路由節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)；對于終端節(jié)點和路由節(jié)點主要是采集傳感器數(shù)據(jù)，通過不斷地嘗試加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)，在成功加入后將數(shù)據(jù)包信息傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器中。由于具體的代碼較長，在此不再列出。

圖3 任務流程圖

2.2 ZigBee／MCU和 MCU／GSM 接口

ZigBee／MCU和 MCU／GSM 接口模 塊 主 要 有ZigBee串口通訊模塊和GSM監(jiān)視模塊，ZigBee串口通訊模塊負責將數(shù)據(jù)傳輸?shù)組CU中進行處理；GSM監(jiān)視模塊負責按照MCU的指令將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)绞謾C中，或者控制GSM模塊發(fā)送信息到手機。

2．2．1 接口的硬件設(shè)計

MCU選擇STM32F103RCT6單片機，在本系統(tǒng)中主要的作用是通過串口接收協(xié)調(diào)器發(fā)送的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行處理后發(fā)送給GSM。對于GSM模塊，目前市場上成熟產(chǎn)品都具有數(shù)據(jù)引出口，并基本上都支持GSM相關(guān)的AT控制指令，在硬件連接方面，只要在數(shù)據(jù)口中找到RXD、TXD和GND三個引腳與單片機上相對于的引腳連接即可。

2．2．2 接口的軟件設(shè)計

在設(shè)計MCU與GSM模塊接口程序時，首先要進行串口配置，GSM模塊數(shù)據(jù)接口配置為8位數(shù)據(jù)位、1位停止位、無校驗位，因此需要首先按此設(shè)置單片機工作模式。單片機通過向GSM模塊發(fā)送AT指令控制GSM模塊，在執(zhí)行每一個指令過程中都需要單片機與GSM模塊進行一次交互應答，對于每一次發(fā)送或者接收的字節(jié)數(shù)都有嚴格規(guī)定，必須按照這些規(guī)定進行數(shù)據(jù)的交互，否則將會導致通信失敗。圖4（a）描述了單片機在通信過程中系統(tǒng)的運行框架。在給系統(tǒng)供電后，首先完成系統(tǒng)的初始化，主要包括對串口的配置以及啟動串口。進而單片機向GSM模塊發(fā)送入網(wǎng)檢測指令，嘗試接入網(wǎng)絡(luò)。在成功接入網(wǎng)絡(luò)后，進入發(fā)送信息子程序。發(fā)送信息子程序是整個單片機程序中最核心的部分，圖4（b）展示的是發(fā)送信息的子程序流程圖，單片機通過執(zhí)行程序指令控制GSM模塊發(fā)送信息到手機，具體的程序在此處省略。

3 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)測試

為了測試本文設(shè)計的系統(tǒng)性能，在一家庭住宅內(nèi)進行了實地測試。在四個主要功能房間內(nèi)分別布置了一個ZigBee終端節(jié)點，ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點放置在書房內(nèi)。在組網(wǎng)過程中，先打開協(xié)調(diào)器節(jié)點，再打開各個終端節(jié)點。終端節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)后，開始對傳感器測試數(shù)據(jù)進行采集，設(shè)置數(shù)據(jù)保存間隔為1 min，并以文本格式保存在本地存儲卡內(nèi)。

圖4 檢測系統(tǒng)圖

圖5 PM2．5濃度變化曲線

利用該系統(tǒng)進行了為期一個月的實地測試，以室內(nèi)PM2．5濃度為例，圖5展示了在測試階段客廳內(nèi)濃度的變化。實驗結(jié)果驗證，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r穩(wěn)定監(jiān)控室內(nèi)空氣品質(zhì)的變化，為住宅用戶了解室內(nèi)環(huán)境提供有效的數(shù)據(jù)支撐。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計了基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的住宅室內(nèi)空氣品質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對住宅室內(nèi)各個功能房間內(nèi)空氣品質(zhì)的實時監(jiān)測目的。通過系統(tǒng)聯(lián)調(diào)證明，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)間數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，能夠通過網(wǎng)絡(luò)和終端實時對各個監(jiān)測點進行監(jiān)視，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)通過GSM模塊傳輸?shù)接脩羰謾C上，在監(jiān)控點出現(xiàn)異常時通過發(fā)送短信通知用戶。系統(tǒng)在住宅房間內(nèi)使用性強，具有較好的應用前景。