基于ZigBee的智能環(huán)境污染信息采集系統(tǒng)

0 引 言

物聯(lián)網（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收集所需信息，并通過穩(wěn)定的網絡進行傳輸，將處理后的數(shù)據(jù)結果反饋至終端進行控制。而室內信息采集的完整性和針對性就成為了整個系統(tǒng)的基礎以及支柱。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 網絡將具有不同功能（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)結在一起，借助當前比較普遍的 WiFi/4G 網絡進行傳輸，將數(shù)據(jù)傳送給中央處理器并做出響應，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環(huán)境。

1 系統(tǒng)結構及功能模塊簡介

基于物聯(lián)網基本架構以及本設計的特點，將系統(tǒng)分為信息采集和決策控制兩部分。系統(tǒng)結構如圖 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 網絡、數(shù)據(jù)傳輸三大部分。其中，信息采集模塊包括室內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 網絡包括傳感器節(jié)點、協(xié)調器節(jié)點以及網關等，將各類傳感器在室內外收集的數(shù)據(jù)信息打包后，通過協(xié)調器處理后發(fā)送到數(shù)據(jù)管理平臺。

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 網絡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)室內環(huán)境的實時監(jiān)測控制。

2 系統(tǒng)設計

系統(tǒng)以 ZigBee 網絡為基礎，根據(jù)ZigBee 網絡特點，系統(tǒng)硬件設計以協(xié)調器節(jié)點設計及終端節(jié)點設計為主。協(xié)調器節(jié)點設計時要考慮終端節(jié)點的通信技術和如何給管理平臺傳送信息，終端節(jié)點設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)硬件設計

2.1.1 協(xié)調器節(jié)點設計

本設計主要采用 TI 公司設計生產的 CC2530 芯片。CC2530 芯片是一款集低功耗、可編程、8 kB 內存 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絡節(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)調器為核心，本設計通過串口與智能網關將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理中心，建立了 ZigBee 網絡，負責所有數(shù)據(jù)的上行與下行，同時還可檢測并維護網絡的運行。

2.1.2 終端節(jié)點設計

終端節(jié)點負責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生動作、步進電機是否轉動等，同時，用戶發(fā)送命令給終端控制器做出響應。

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合傳感器，它應用專用的數(shù)字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，且信號傳輸距離超過 20 m，產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絡。

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)異的重復性和穩(wěn)定性等特點，故本設計采用 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， 使用戶能夠實時、全面地掌握空氣質量信息。

2.2 軟件設計

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，所以需要加以相應軟件。本設計軟件部分包括傳感器網絡設計、ZigBee 通信設計和 UI 交互界面設計。

2.2.1  傳感器網絡

系統(tǒng)初始化后，各類不同性質的傳感器對室內外環(huán)境信息進行實時、連續(xù)監(jiān)測，包括室內外溫濕度、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 技術搭建成一個家庭傳感器網絡，實現(xiàn)家居環(huán)境的互聯(lián)互通。

2.2.2 ZigBee通信軟件設計

本設計根據(jù)智能家居在環(huán)境監(jiān)測中的實際需求，ZigBee 網絡特采用星型拓撲結構，只需協(xié)調器和終端節(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降低系統(tǒng)能耗，滿足終端節(jié)點省電的需求。協(xié)調器負責整個無線傳感器網絡的建立、管理，協(xié)調器在完成初始化、建立網絡后，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，將主要界面設置為主頁、功能、參數(shù)、設置四項， 其中查看參數(shù)為本設計的主要內容。

2.3 系統(tǒng)運行及實測數(shù)據(jù)

通過網絡構建與模塊連接，將各終端連入互聯(lián)網，經網絡將數(shù)據(jù)傳輸至手機終端。例如 PM2.5模塊，待安裝聯(lián)網后預先設定一個正常 PM2.5值，當空氣中的 PM2.5濃度高于該值時，模塊通電輸出高電平，將信號通過網絡傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心，如果用戶設置的是自動處理模式，那么系統(tǒng)自動響應， 將指令信號發(fā)送回 ZigBee網絡，控制窗戶控制模塊輸出高電平，將窗戶關閉，同時啟動室內空氣凈化裝置，保持室內空氣清新。采用累積檢測的方式，間隔時間為 5min，若 5min后濃度降低，則窗戶控制模塊將延遲 5 min，等待下一次檢測結果，若下一次升高，則窗戶保持關閉，若降低，則窗戶開啟， 同時關閉空氣凈化裝置。如果設置為手動模式，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 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，設計出以 ZigBee技術為基礎，結合各種傳感器技術、通信技術等的智能環(huán)境信息采集技術，從而為用戶在應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)，本文設計在具體功能方面更加具有針對性，同時在手機終端設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。