毕业论文范文——基于无线网络的家居空气质量多点实时监测及评估系统 (2)

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：现如今建筑物的密闭性不断提高及室内装修材料广泛应用，人们更加关注家居空气质量。人无法准确感知判定空气质量的变化和好坏，基于这个问题通过zigbee无线通信技术和传感器检测技术结合，研究并设计基于zigbee的家居空气质量多点实时监测系统。主要采用主一从多式结构，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，以cc2530微处理器芯片为核心搭建传感器节点和网关节点，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汇总，主控机结合监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、 cc2530单片机、空气质量检测、报警及污染级别信息显示0 引言随着社会进步生活质量提高，家居环境也越来越受关注。人有80%的时间是在室内，工作、学习、休息，室内环境质量的好坏直接影响人们的身体健康。由于世界范围内的节能要求，建筑材料的密闭性提高，相应的减少了室内外空气的流通，大部分装修材料、室内装饰品、室内设施多由有机物合成，可挥发性有机物气体扩散恶化了室内空气品质，使得室内空气质量对人的生活、健康的影响高于室外的空气质量1。目前，国内空气环境检测方法主要有2种：一种是人工采样实验室分析法，这种方法设备要求低、操作相对简单，但是整个检测过程耗时较长，不能满足对空气环境进行实时监测要求；另一种是在线检测法，虽然这种方法具有检测准确、分辨率高以及灵敏度高的优点，但是目前此方法主要依赖于外进口设备，依然无法为全面准确检测大气环境提供一个有力的保障2。通过对室内空气质量监测要求和实施方式分析，设计一种基于ZigBee的室内空气质量实时监测系统，操作较简单，有很好的实时性。1系统总体概述系统包含空气质量检测终端从机、ZigBee无线传感器网络、主控机监测系统三部分。ZigBee网络有3种类型网络拓扑结构，分别是星型网络拓扑结构、树状网络拓扑结构、网状网络拓扑结构。树状网络拓扑结构易于扩展，故障隔离较容易，但是节点对根依赖性太大，若根发生故障，则全网不能正常工作。星型网络拓扑结构的终端节点需要在网关节点的范围内，从而网络覆盖面积受限制；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，电池使用寿命短的缺点3；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。主要采用主一从多式结构，检测终端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，以cc2530微处理器芯片为核心搭建传感器节点和网关节点，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汇总，主控机结合监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。系统总体结构图： 图1系统总体结构图1.Zigbee技术概述Zigbee是一种新兴的短距离、低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度的无线网络技术。主要用于无线个人区域网是基于IEEE802。15.4标准的低功耗局域网协议开发的。IEEE802.15.4定义了两个底层协议，即物理层和媒体接入控制层。Zigbee联盟则在IEEE802.15.4的基础上定义了网络层和应用层。Zigbee联盟预测的主要应用领域包括工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、家庭和楼宇自动化、医用设备控制等。在zigbee网络中有三种角色的节点：网络协调器：包含所有网络消息，是三种设备中最复杂的一种，存储容量最大、计算能力最强。发送网络信标，建立一个网络、管理网络节点、存储网络节点信息、寻找一对节点间的路由消息，不断地接受信息。全功能设备（FFD):可以担任网络协调者，形成网络，让其他的FFD或是精简功能装置（RFD）连FFD具备控制器的功能，可提供信息双向传输。精简功能设备（RFD):RFD只能传送信息给FFD接受信息，附带有限的功能来控制成本和复杂性，在网络中通常用作终端设备4。2总体硬件设计2.1检测终端从机硬件设计室内空气质量检测终端主要功能是检测室内空气中CO、CO2含量、空气烟雾含量、温度及湿度值，检测到的实时数据通过ZigBee无线通信网络发送给主机检测软件。检测终端从机主要包括CPU模块、温度、气体传感器模块、LCD模块、电源模块、报警设限模块、无线通信模块、LED指示电路以及开关电路。 检测终端从机工作时，各传感器将检测到的数据经信号变换以及A/D转换后，由微处理器读入变换，通过ZigBee无线方式发送给主机检测软件；LCD显示模块在线显示当前空气质量等级；LED指示电路用于指示设备是否正常工作、通信是否正常、气体超值报警的功能。硬件结构如图2所示。温度、气体传感器模块CPU模块CC2530电源模块报警设限模块无线通信模块LED模块LED指示灯电路及开关电路 图2检测终端从机硬件图2.1.1 CPU模块CPU模块以cc2530单片机作为微处理器，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（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。 图3 CC2530芯片结构2.1.2气体传感器模块 传感器模块采用TGS2600气体传感器，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。2.1.3温度传感器模块 由个传感器和信号调理电路组成。温度传感器采用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。 图 4 温度传感器电路图 2.2 ZigBee无线传感网络ZigBee无线传感网络包括ZigBee无线路由器和ZigBee无线网关。根据室内分布和墙体的具体情况，需要安装一台或多台带有ZigBee模块的路由器节点。检测终端中的数据通过无线通道将数据发到所属的路由节点，路由器节点通过路由把数据传送给无线网关5。无线网关实际上担当着ZigBee网络中的协调器的角色。协调器是整个ZigBee网络的中心，它负责建立、维护和管理网络、分配网络地址等功能。2.3主控机监测系统硬件设计系统控制主机作为系统的控制中心，需要设计供电模块、ZigBee无线传感器网络中心通信模块、CPU模块、信息显示模块、信息输入模块、控制信息输出模块等。TGS2600CC2530电源DS18B20A/D报警显示输出LCD显示温度提示2.3.1 LED信息显示模块加实物图2.3.2 报警显示输出 当环境温度不在设置温度范围内，需要发出报警，报警电路由PNP三极管和扬声器组成。选用低功率三极管9012，当P1.0低电平，三极管集电极正偏，发射极反偏，三极管导通，驱动蜂鸣器报警。 图6蜂鸣器报警电路2.3.3电源模块设计图7加电路实物图3空气检测标准设计空气质量监测终端从机是用采用TGS2600传感器对香烟、炊事的臭味等屋内的空气污染进行检测，并通过单片机进行信号处理，可以进行对空气质量的检测及控制。室内空气质量、温度并通过LCD显示并输出空气的污染程度（3级）及报警的空气质量检测用的模块。（1）系统工作方式正常运转模式：接入电源后系统工作红灯亮，经67分钟延时后进入正常运转模式，以此时的空气质量作为清洁空气的基准。之后每2秒进行一次取样，每20分钟（812分钟内可变）更新一次清洁空气基准。污染等级用下述3个阶段表示。 表1污染等级划分污染等级0清洁空气绿灯亮污染等级轻度污染黄灯1亮，有输出，语音输出污染等级中度污染黄灯1、黄灯2亮，同时输出语音输出污染等级重度污染黄灯1、黄灯2、红灯亮，同时输出，语音输出（2） 饱和运转模式：为了使室内的空气清新可以有两种方法，一种是用室外的空气通风，另一种是把屋内污浊的空气通过过滤装置进行过滤。可是，后者虽然能用过滤器进行脱臭，但不能过滤污染空气中的氢气，所以传感器仍然对其进行检测。这就成为饱和状态。污染等级3（有控制输出、驱动换气扇或过滤循环装置）如果持续30分钟，则判定为饱和状态，进入饱和运转模式。在饱和运转模式，每2秒进行一次取样，每20分钟（820分可变）判定一次饱和度，如果是从污染空气向清洁空气转变，则退出饱和运转，另一方面，如果饱和运转持续30分钟，则强制性地使污染等级变为0。（3）复位：和运转状态无关，如果持续按住复位开关3秒，则系统被复位。复位后，把此时的空气质量作为清洁空气的基准。 （4）温度采集显示： 采集范围：0100采集时间：2秒显示精度：0.14检测终端从机系统软件设计 4.1检测终端从机系统软件设计从机流程图如图8所示。主要完成如下任务。4.2主控机检测系统软件设计 主控机流程图如图2所示，主要完成以下几项任务：(1)初始化,对内存中的工作参数进行初始化，显示系统初始化状态。(2)读取温度和烟雾传感器参数。(3)判断是否超过设定温度，若超过温度上限则启动降温模块，若没有超过则继续进行判断。(4)判断空气污染浓度。若污染浓度超过上限则自动分级，并启动报警模块。(5)判断是否低于设定温度。若低于温度下限则启动加热模块。(6)若位于设定温度和设定空气浓度内则启动负载模块。 开始 程序初始化把数据存入数据库，并根据数据统计的需要做相应的处理 记录超限数据并报警 接收并提取有效数字实时数据显示，并记录历史区是否有数据到来数据是否超限否是是否4.3 Z-Stack软件Zigbee的协议分为两部分，IEEE802.15.4定义了物理层和介质访问层技术规范，Zigbee联盟定义了网络层、应用程序支持子层、应用层技术规范。Zigbee协议栈就是将各个层定义的协议都集合在一起，以函数的形式实现，并给用户提供API（应用层），我们可以直接调用。Z-Stack采用操作系统的思想来构建，采用时间轮循机制，当各层初始化之后，系统进入低功耗模式，当时间发生时，唤醒系统，开始进入中断处理事件，结束后继续进入低功耗模式。如果同时又几个事件发生，判断优先级，逐次处理事件。这种软件构架可以极大的降低系统功耗，整个Z-Stack的主要工作流程，大致分为系统启动，驱动初始化，OSAL初始化和启动，进入任务轮循几个阶段。5 系统设计总体实物图6源程序 参考文献1王文博，赵培陆，梅笑冬，王彪，卢革宇.基于ZigBee的