基于ZigBee的智能環(huán)境污染信息采集系統(tǒng)

王鴻儒，朱宗玖，高澤仁

（1.安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.中國電子科技集團公司第八研究所，安徽 淮南 232001）

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）通過萬物互連的理念使我們的生活變得更加智能化。智能家居的基本理論就是通過利用各種信息采集技術(shù)收集所需信息，并通過穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)進行傳輸，將處理后的數(shù)據(jù)結(jié)果反饋至終端進行控制。而室內(nèi)信息采集的完整性和針對性就成為了整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)以及支柱。基于傳統(tǒng)環(huán)境檢測措施在實踐中存在無法進行有針對性監(jiān)測的缺陷，本文提出了智能家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，針對空氣污染比較嚴重的城市進行信息采集，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將具有不同功能（溫度、濕度、光照、二氧化硫濃度檢測、一氧化碳濃度檢測、顆粒物濃度檢測等）的傳感器聯(lián)結(jié)在一起，借助當(dāng)前比較普遍的WiFi/4G網(wǎng)絡(luò)進行傳輸，將數(shù)據(jù)傳送給中央處理器并做出響應(yīng)，為身處大城市的用戶，尤其為身處城市空氣污染比較嚴重的用戶提供一個安全舒適的室內(nèi)環(huán)境。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能模塊簡介

基于物聯(lián)網(wǎng)基本架構(gòu)以及本設(shè)計的特點，將系統(tǒng)分為信息采集和決策控制兩部分。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 信息采集系統(tǒng)

信息采集系統(tǒng)包括信息采集傳感器模塊、ZigBee網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)傳輸三大部分。其中，信息采集模塊包括室內(nèi)室外溫濕度傳感器模塊、光照傳感器模塊、二氧化硫濃度檢測模塊、一氧化碳濃度檢測模塊和PM2.5濃度檢測模塊等，同時針對各地方主要空氣污染物的不同還可加裝不同的檢測模塊。ZigBee網(wǎng)絡(luò)包括傳感器節(jié)點、協(xié)調(diào)器節(jié)點以及網(wǎng)關(guān)等，將各類傳感器在室內(nèi)外收集的數(shù)據(jù)信息打包后，通過協(xié)調(diào)器處理后發(fā)送到數(shù)據(jù)管理平臺。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 決策控制系統(tǒng)

決策控制系統(tǒng)包括智能手機移動平臺、Web終端及各控制模塊。通過數(shù)據(jù)平臺對信息采集系統(tǒng)收集的家居環(huán)境中的各項參數(shù)進行分析，并將判斷結(jié)果發(fā)送到移動終端，由用戶進行手動控制，同時各項搭載在ZigBee網(wǎng)絡(luò)上的控制模塊可以將控制指令及時、準確地作用到具體器件上，實現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境的實時監(jiān)測控制。

2 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)以ZigBee網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，根據(jù)ZigBee網(wǎng)絡(luò)特點，系統(tǒng)硬件設(shè)計以協(xié)調(diào)器節(jié)點設(shè)計及終端節(jié)點設(shè)計為主。協(xié)調(diào)器節(jié)點設(shè)計時要考慮終端節(jié)點的通信技術(shù)和如何給管理平臺傳送信息，終端節(jié)點設(shè)計時需要考慮傳感器對數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送。

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點設(shè)計

本設(shè)計主要采用TI公司設(shè)計生產(chǎn)的CC2530芯片。CC2530芯片是一款集低功耗、可編程、8 kB內(nèi)存RAM、5通道DMA、RF收發(fā)器等功能于一體的性能優(yōu)異的射頻單片機。CC2530用少量的外圍組件即可組成強大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，其采用差分方式傳輸射頻信號，從而減少信號散射，增強信號電平，減少噪聲干擾，隔離電路板電源系統(tǒng)，有效保障信號在傳輸過程中的抗干擾能力和速率。

以基于CC2530的ZigBee協(xié)調(diào)器為核心，本設(shè)計通過串口與智能網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理中心，建立了ZigBee網(wǎng)絡(luò)，負責(zé)所有數(shù)據(jù)的上行與下行，同時還可檢測并維護網(wǎng)絡(luò)的運行。

2.1.2 終端節(jié)點設(shè)計

終端節(jié)點負責(zé)連接不同類型的傳感器、無線發(fā)射與接收模塊、步進電機和繼電器等，是一個控制中心。終端節(jié)點將向單片機發(fā)送按鍵信息或者由無線接收模塊經(jīng)解碼后輸出的數(shù)據(jù)，單片機分析接收的信息決定是否產(chǎn)生動作、步進電機是否轉(zhuǎn)動等，同時，用戶發(fā)送命令給終端控制器做出響應(yīng)。

2.1.3 具體傳感器的選擇

數(shù)據(jù)接收節(jié)點是一個小型終端節(jié)點，負責(zé)將各傳感器采集到的數(shù)據(jù)進行整理并發(fā)送到協(xié)調(diào)器，傳感器包括溫濕度傳感器、光照傳感器、二氧化硫濃度傳感器和一氧化碳濃度傳感器等。

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)，且信號傳輸距離超過20 m，產(chǎn)品具有極高的可靠性和卓越的長期穩(wěn)定性，功耗低、體積小、接口簡單，在智能物聯(lián)網(wǎng)中使用較普遍。

BH1750FVI是一種用于兩線式串行總線接口的數(shù)字型光強度傳感器，集成電路分辨率較大，外圍電路簡單，性能穩(wěn)定，適用于智能家居傳感網(wǎng)絡(luò)。

MQ-2煙霧傳感器可用于氣體泄漏監(jiān)測，可監(jiān)測家中常見的氣體包括天然氣、一氧化碳等，該傳感器具有功耗低、精度高、靈敏度高、線性范圍寬、抗干擾能力強、優(yōu)異的重復(fù)性和穩(wěn)定性等特點，故本設(shè)計采用MQ-2煙霧傳感器作為一氧化碳濃度檢測工具。

其他空氣質(zhì)量檢測模塊還包括二氧化硫濃度檢測模塊、二氧化氮濃度檢測模塊等，同時，針對北方城市在冬季時PM2.5濃度較高的現(xiàn)象，還可以搭載PM2.5濃度檢測模塊，使用戶能夠?qū)崟r、全面地掌握空氣質(zhì)量信息。

2.2 軟件設(shè)計

在智能環(huán)境信息采集過程中，由于各節(jié)點需要實現(xiàn)的功能不同，所以需要加以相應(yīng)軟件。本設(shè)計軟件部分包括傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計、ZigBee通信設(shè)計和UI交互界面設(shè)計。

2.2.1 傳感器網(wǎng)絡(luò)

系統(tǒng)初始化后，各類不同性質(zhì)的傳感器對室內(nèi)外環(huán)境信息進行實時、連續(xù)監(jiān)測，包括室內(nèi)外溫濕度、光照強度、一氧化碳濃度、二氧化硫濃度、PM2.5濃度等。將各項數(shù)據(jù)監(jiān)測傳感器模塊通過ZigBee技術(shù)搭建成一個家庭傳感器網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)家居環(huán)境的互聯(lián)互通。

2.2.2 ZigBee通信軟件設(shè)計

本設(shè)計根據(jù)智能家居在環(huán)境監(jiān)測中的實際需求，ZigBee網(wǎng)絡(luò)特采用星型拓撲結(jié)構(gòu)，只需協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點即可。本系統(tǒng)的終端節(jié)點主要包括數(shù)據(jù)收集節(jié)點以及終端控制節(jié)點，負責(zé)收發(fā)命令、數(shù)據(jù)采集傳輸、控制輸出等，同時采用電源休眠技術(shù)降低系統(tǒng)能耗，滿足終端節(jié)點省電的需求。協(xié)調(diào)器負責(zé)整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的建立、管理，協(xié)調(diào)器在完成初始化、建立網(wǎng)絡(luò)后，等待串口命令，并將已收到的命令處理后再次發(fā)送給不同節(jié)點。

2.2.3 UI交互界面設(shè)計

管理系統(tǒng)基于手機安卓系統(tǒng)進行交互界面的開發(fā)，根據(jù)系統(tǒng)功能，將主要界面設(shè)置為主頁、功能、參數(shù)、設(shè)置四項，其中查看參數(shù)為本設(shè)計的主要內(nèi)容。

2.3 系統(tǒng)運行及實測數(shù)據(jù)

通過網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與模塊連接，將各終端連入互聯(lián)網(wǎng)，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至手機終端。例如PM2.5模塊，待安裝聯(lián)網(wǎng)后預(yù)先設(shè)定一個正常PM2.5值，當(dāng)空氣中的PM2.5濃度高于該值時，模塊通電輸出高電平，將信號通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心，如果用戶設(shè)置的是自動處理模式，那么系統(tǒng)自動響應(yīng)，將指令信號發(fā)送回ZigBee網(wǎng)絡(luò)，控制窗戶控制模塊輸出高電平，將窗戶關(guān)閉，同時啟動室內(nèi)空氣凈化裝置，保持室內(nèi)空氣清新。采用累積檢測的方式，間隔時間為5 min，若5 min后濃度降低，則窗戶控制模塊將延遲5 min，等待下一次檢測結(jié)果，若下一次升高，則窗戶保持關(guān)閉，若降低，則窗戶開啟，同時關(guān)閉空氣凈化裝置。如果設(shè)置為手動模式，則數(shù)據(jù)中心將數(shù)值傳送至手機終端，濃度較高，數(shù)值顯示為紅色，同時對用戶發(fā)出提醒，實現(xiàn)實時監(jiān)測。環(huán)境信息參數(shù)界面如圖2所示。

圖2 環(huán)境信息參數(shù)界面

3 結(jié) 語

本文針對近年來市場上比較流行的智能家居在環(huán)境污染方面存在的不足，設(shè)計出以ZigBee技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合各種傳感器技術(shù)、通信技術(shù)等的智能環(huán)境信息采集技術(shù)，從而為用戶在應(yīng)對空氣污染方面提供準確可靠的數(shù)據(jù)支持。本文基于CC2530芯片設(shè)計了ZigBee硬件和軟件，可根據(jù)所處地方環(huán)境污染物的不同加入或撤出傳感器模塊，相比于傳統(tǒng)的智能家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，本文設(shè)計在具體功能方面更加具有針對性，同時在手機終端設(shè)計有智能與手動兩個狀態(tài)，通過字體顏色的變化及文字描述和振動提醒，確保系統(tǒng)的實時性與可靠性，更增強了靈活性與針對性，同時也減少了不必要的投資，大大提高了系統(tǒng)的可信度。