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：随着社会进步生活水平的提高，人们更加注重家居环境的质量，家居空气质量也至关重要。人们无法准确感知判定空气质量的变化和好坏，基于这个问题，设计了一套家居空气质量多点实时无线监测及评估系统。并且详细阐述了系统的整体结构框架和实现方案。系统主要采用主从多式结构，系统包括从机、控制主机。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，无线传感器网络包括传感器节点和网关节点。传感器节点和网关节点都以 cc2530 位核心搭建，从机传感器节点采集温度数据、空气环境数据实时发送到主机网关节点并由网关节点汇总，主控机结合监
2、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。关键词：ZigBee、无线传感器网络通信、cc25300 引言：随着生活水平的提高，大气污染严重，人们对家居空气质量的关注也越来越广泛。但是人们无法准确感知判定家居空气质量的变化和好坏，基于这个问题，我们设计了一套基于 ZigBee 技术的家居空气质量实时多点无线监测系统，并且制定了一种空气质量评估方法。该系统成本低，功耗小，操作简单，实时性良好。通过该系统可以对家居卧室、客厅、阳台及卫生间等居室内空气质量及温度进行实时监测，根据评估方法判定出家居空气总体质量状况和空气污染级别，实现家居空气质量实时监测及报警，以提醒人们进行
3、空气通风和净化操作，保证家居空气质量良好。1 总体概述整 个 系 统 由 智 能 家 居 的 网 关 和 zigbee 无 线 网 络 组 成 ， 主 要 实 现对 家 居 各 个 环 境 内 的 空 气 质 量 和 温 度 的 监 测 ， 系统主要有从机和控制主机两部分，从机和控制主机组成 ZigBee 无线传感器网络，实现各节点之间的数据通信。ZigBee 网络有星型网络拓扑结构、树状网络拓扑结构、网状网络拓扑结构 3 种类型网络拓扑结构。星型网络拓扑结构的终端节点需要在网关节点的范围内，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，电池消耗量大的缺点【1】。
4、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。硬件方面，无线传感器网络包括传感器节点和网关节点，传感器节点在从机上包括终端节点和路由节点，终端节点负责采集空气中各气体体积分数数据和温度数据，传送至路由节点，再由路由节点采用多跳方式实现数据传输【2】，传送至主机的网关节点，网关节点对数据进行汇总，主机实现对数据的接受、判定划分、储存和显示。M E S H 网络从机 1从机 3从机 2从机 N主控机图 1 家居空气质量实时多点监测系统结构2 从机设计2.1 硬件设计从 机 主 要 为 传 感 器 节 点 包 括 供 电 模 块 、 无 线 微 控 制 器 模 块 、
5、传感 器 模 块 、 模 /数 转 换 模 块 。 供 电 模 块 采 用 干 电 池 对 节 点 供 电 。无 线 微 控 制 器 模 块 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 （
6、 Z-Stack） ， 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 。传 感 器 模 块 采 用 TGS2600 气 体 传 感 器 和 DS18B20 温 度 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
7、 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。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 。图 2 传 感 器 内 部 电 路 图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
8、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 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 。 2.2 软 件 设 计传 感 器 节 点3、 主 机 设 计在测量苯、甲醛、氢气、一氧化碳等有害气体方面，国外较有名的检测仪器有：美、国 ESC 公司的 z-300 甲醛检测仪、英国 pp
9、m 公司生产的 ppm-400 甲醛检测仪；国内有：江苏安普电子工程有限公司生产的 400 型甲醛分析仪、北京宾达绿创科技有限公司生产的甲醛测定仪抑-308 等。关于一氧化碳检测仪，现在有泵吸式一氧化碳检测仪 TEST-4，它具有非常清晰的大液晶显示屏，声光报警提示，带内置泵，保证在各种环境下也可以检测危险气体并及时提示人们。GA10 型 便携式一氧化碳气体检测仪，但是这种检测仪一般适用于工厂使用，在报警时或许会对家庭生活带来影响，并且价值较大造成浪费。国产的有 GT100 固定式一氧化碳气体检测仪、GT200 智能型一氧化碳气体检测仪、GTB20 单点壁挂式一氧化碳气体检测仪。这些仪器都可以
10、实现对有害气体的监测，但大都适用于专业检测机构或实验研究机构，、工厂生产。克准确测定氨气，一氧化碳，甲醛，苯等有害气体的设备价格昂贵，测定时间较长隔一段时间需进行重新标定需要专业人员操作，难以连续测定；国内外产品的设计差异主要实在监测传感器和控制芯片的选用，操作方面国外产品操作界面较方便，功能更加完备。2.3 家居空气质量检测的发展趋势3 总结 ：为了可以准确感知判定室内空气质量的变化和好坏，基于这个问题，我们设计了一套家居空气质量实时多点无线监测系统，通过该系统可以对家居卧室、客厅、阳台及卫生间等居室内空气质量及温度进行实时监测，并通过无线通信方式将各点监测数据发送至主控机，主控机结合监测数
11、据各因素，判定出家居空气总体质量状况和空气污染级别，实现家居空气质量及环境的状态监测和报警，并可以提供家居空气总体状况评估及通风、净化控制信号。在本次设计的设计过程中，我们对自己以前学过的知识进行回顾和综合应用。除此之外还能激励自己学习以前没有接触过的东西。例如 ZigBee 无线网络技术，通过学习我们了解了 ZigBee 的技术优势、网络结构、设备类型、传输类型、应用项目等知识，设计中需实现多个节点的数据收集和传输因此我们也很好的掌握了采用 ZigBee 技术做无线传输的知识。虽然我们以前学过 51 系列的单片机，但是 cc2530 单片机还是第一次接触，对它并不熟悉，所以我们就需要花大量的
12、时间去了解它的功能和编程方法。另外我们也掌握了 TGS2600 空气传感器在空气质量检测中的使用方法。同时还有一些芯片的使用和软件的设计，接触到了许多以前并没有见过的元器件，通过资料的查询，我们了解了它的内部结构和使用方法，与此同时我们还学习了焊接方面的知识。通过课题小组成员的共同努力我们完成了课题，学习到了新知识，开阔了眼界，有了一定的资料查询能力和小组合作能力，受益匪浅。4 参考文献1上官金霞，室内便携式智能空气检测仪的设计，2012.2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，西华大学学报，2007.3隋振，刘洪岐，洪伟，基于 ZigBee 协议的环境检测系统开发，吉林大学学报，20114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，2014.
