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系统

天津理工大学 2016 届本科毕业设计说明书（毕业论文） 基于无线网络的家居空气质量多点实时监测系统 摘 要 我们的社会在进步，人民生活质量也在不断提高，对室内环境的空气质量 也有了更高的要求。由于大部分装修材料、室内装饰品、室内设施等多由有机 物合成，可挥发性有机物气体扩散恶化了室内空气品质，此外，世界范围内的 节能性要求以及建筑材料的密闭性的提高，从而减少了室内外空气的流通，使 得室内空气质量对人们生活、健康的影响明显高于室外的空气质量。基于这个 问题我们把 ZigBee 无线通信技术和传感器检测技术相结合成为无线传感器网 络，设计了一套基于 ZigBee 的家居空气质量多点实时监测系统。系统主要采 用主-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的无线传感器网 络。系统从机传感器节点采集温湿度数据、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并显示，从而 采取措施改善空气质量，实现状态监测报警。 关键词： 智能家居 ZigBee CC2530 空气质量检测 天津理工大学 2016 届本科毕业设计说明书（毕业论文） The air quality Home Furnishing multipoint real-time monitoring and evaluation system by Using ZigBee ABSTRACT Our social is progressing, peoples quality of life is improving, and the indoor environment air quality also have higher requirements. Because most of the decoration materials, interior decoration, indoor facilities more synthesized by organic compounds, volatile organic gas diffusion deteriorate indoor air quality. In addition, worldwide energy-saving requirements and building materials of improvement of airtight, thereby reducing the indoor and outdoor air circulation, make indoor air quality impact on peoples lives and health was significantly higher than that of outdoor air quality. Based on this problem we put the ZigBee wireless communication technology and sensor technology combined with a wireless sensor network, the design of a ZigBee based air quality Home Furnishing multipoint real- time monitoring system. System is mainly used principal from multimodal structure. From the control node and machine composed of ZigBee wireless sensor network, realizes the data communication between the nodes, to the microprocessor chip CC2530 as the core to build the wireless sensor network. System from the machine sensor nodes to collect data on temperature and humidity, air environmental data real- time transmission to the host, gateway nodes and summary, the main control machine combined with monitoring data determines the overall quality of state household air and display, and take measures to improve air quality, achieve state monitoring and alarm. Key Words: SmartHome ZigBee CC2530 Air quality detection 目 录 天津理工大学 2016 届本科毕业设计说明书（毕业论文） 第一章 绪论1 1.1 研究目的与意义1 1.2 现如今主要的空气环境监测方法1 1.3 论文主要研究的内容及结构1 第二章 ZIGBEE 技术概述2 2.1 ZIGBEE技术的特点2 2.2 ZIGBEE协议栈构架3 2.1.1 物理层 5 2.1.2 MAC 层5 2.1.3 网络层5 2.1.4 应用层6 2.3 ZIGBEE的分类及功能作用6 2.4 ZIGBEE的网络拓扑结构7 2.2.1 星形结构7 2.2.2 树形结构7 2.2.3 网状结构8 2.5 ZIGBEE的通信方式9 2.3.1 广播通讯12 2.3.2 组播通讯14 2.3.3 点播通讯14 第三章 空气质量检测系统设计16 3.1 智能家居系统方案设计16 3.2 ZIGBEE 系统硬件设计17 3.2.1 检测终端从机硬件设计17 3.2.2 主控机监测系统硬件设计20 3.2.3 ZIGBEE 无线传感器网络23 3.3 ZIGBEE 系统软件设计24 3.3.1 检测终端从机系统软件设计24 3.3.2 主控机监测系统软件设计24 3.3.3 Z-STACK 软件25 天津理工大学 2016 届本科毕业设计说明书（毕业论文） 3.4 ZIGBEE系统 PCB 图的设计27 第四章 系统实物图及实验测试结果28 第五章 总结30 参考文献31 致 谢32 天津理工大学 2016 届本科毕业设计说明书（毕业论文） - 1 - 第一章绪论 1.1研究目的与意义 我们的社会在进步，人民生活质量也在不断提高，对室内环境的空气质量也有了更高的 要求。由于大部分装修材料、室内装饰品、室内设施等多由有机物合成，可挥发性有机物气 体扩散恶化了室内空气品质，此外，世界范围内的节能性要求以及建筑材料的密闭性的提高， 从而减少了室内外空气的流通，使得室内空气质量对人们生活、健康的影响明显高于室外的 空气质量1。 1.2现如今主要的空气环境监测方法 目前，国内的空气环境检测方法主要有种：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 测的要求；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国进口设备，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。因此，针对目前市场上室内空气监测的产品使用不方便和价格较昂贵的现状， 我们通过对室内空气质量监测要求和实施方式分析，设计了一种基于 ZigBee 的家居空气质 量实时监测及评估系统，操作较简单，而且有很好的实时性。 1.3论文主要研究的内容及结构 本文研究和设计的空气质量监测系统是基于 CC2530 微处理器的硬件开发平台，通过 ZigBee 无线传输协议进行数据传输，把 ZigBee 无线通信技术和传感器检测技术相结合成为 无线传感器网络。系统终端节点对周围环境信息进行采集、处理，并发送采集的相关数据转 发给协调器或者更靠近协调器的系统终端节点。系统主机用来实现实时接收上位机的控制命 令和下位机的传感器数据的发送与接收，依据各自的地址信息进行实时转发，保证整个无线 网络系统运行顺利通畅。 论文总共分为 5 章内容： 第 1 章介绍了系统设计的目的与意义，接着对现如今两种主 要的空气环境检测方法进行了介绍，最后给出了本文研究的主要内容和主要创新点；第 2 章 介绍了 ZigBee 技术和 Z-Stack 协议栈，然后对无线传感器网络做了更进一步的研究；第 3 章首先给出了系统总体设计方案，对系统组成和设计原则进行了介绍以及对节点传感器及各 个模块电路图、实物图做出了介绍并附有系统实物图和源程序。第 4 章给出了设计系统的实 物图以及系统实验测试的结果；第 5 章是对全篇论文的一个总结，心得感受。 天津理工大学 2016 届本科毕业设计说明书（毕业论文） - 2 - 第二章ZigBee 技术概述 2.1 ZigBee 技术的特点 ZigBee 主要用于无线个人区域网以及自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种传感器 设备，是基于 IEEE802.15.4 标准的低功耗局域网协议开发的。IEEE802.15.4 描述了两个底 层协议，分别是物理层（PHY）和媒体接入控制协议（MAC），他们都属于 IEEE.802.15.4 工 作组。ZigBee 联盟则在 IEEE802.15.4 的基础上定义了网络层（NWK）和应用层（APL）。 ZigBee 的应用范围主要有工业控制、家庭自动化（即智能家居）、医疗领域、电力设备节 能灯诸多领域。 表 2.1 几种无线通信协议的比较5 通讯类型 ZigBee 蓝牙 Wi-Fi 移动通讯 覆盖范围 0-100m100m50m 几千米 网络扩展性扩展性强没有没有没有 电池寿命几年几天几小时几天 难易性容易困难很困难困难 传输速率 250kbs3Mbps0-11Mbps38.4bps 通讯频段 868Mhz-2.4Ghz2.4Ghz2.4Ghz0.8-1Ghz 网络节点 65000850 无 联网耗时30 毫秒10 秒3 秒3 秒 设备费用低低高很高 通讯费用没有没有没有有 使用成本低低一般高 使用难易简单一般难难 可靠性高高一般一般 相对而言，ZigBee 通信技术的优势主要如下： （1）低功耗：在低耗电待机模式下，通过合适的路由算法程序可以实现 2 节 5 号干电 池支持一个节点工作 6-24 个月，甚至更长的时间。这是 ZigBee 的突出优势。相比较其他种 类的无线通信技术，蓝牙通信能工作几周、Wi-Fi 仅仅可工作几小时。现在，TI 公司和德国 的 Micropelt 公司共同推出新能源 ZigBee 节点，该节点采用 Micropelt 公司的热电发电机 给 TI 公司的 ZigBee 提供电源。 （2）低成本。ZigBee 通信技术通过大幅度地简化协议（简化后不到蓝牙通讯协议的 1/10）,从而降低了对通信控制器的要求。比如：以 8051 单片机测算，只需要 32KB 就可以 满足全部功能的主节点，而只需要 4KB 代码就可以满足子功能，可见其低成本。并且， 天津理工大学 2016 届本科毕业设计说明书（毕业论文） - 3 - ZigBee 不需要协议专利费。每块芯片的价格大约为 2 美元。 （3）低速率。ZigBee 工作在 20250 kbps 的较低速率，分别提供 250 kbps（2.4GHz）、 40kbps （915 MHz）和 20kbps（868 MHz） 的原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的应 用需求。6 （4）近距离。ZigBee 通信技术的传输范围在 10-100 米之间，但是，增加了 RF 发射 功率之后，就可以增加到 1-3 km。这指的是相邻节点间的距离。除此之外，可以通过路由 器和节点之间的通信，传输距离可以更远。 （5）短时延。的响应速度较快，从睡眠模式转到工作模式的过程一般情况下只需要 15 ms 。而且，节点连接协调器进入网络的过程只需 30 ms ,从而可以进一步通过缩短时间节 省电能。相比较而言，蓝牙需要 3-10 s、Wi-Fi 则需要 3 s。 （6）高容量。ZigBee 通信技术各个节点之间的联系可采用星状、片状或者网状网络结 构。其管理方式是由一个主节点管理若干子节点，最多情况下一个主节点可以管理 254 个 子节点。同时主节点还可由上一层网络节点管理，理论情况下最多可组成 65000 个节点的 大型网络结构。 （7）高安全。ZigBee 通信技术提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用接入控制 清单（ACL）防止非法获取数据以及采用高级加密标准（AES 128）的对称密码。7 （8）免执照频段。ZigBee 通信技术工作在 2. 4 GHz 的全球性免费频段。 2.2 ZigBee 协议栈构架 Z-stack 是由现在的 TI(德州仪器)公司，也就是之前的挪威半导体公司在推出其公司 的 CC2430 单片机开发平台的同时，推出的一款协议栈软件。这个协议栈其实只需要掌握 10 个函数就能使用简单的 ZigBee 通讯。Z-stack 协议栈使用 IAR 软件作为其开发环境。但是 对于用户来说，Z-stack 协议栈里面还有一部分基层的协议栈操作的实现细节都被封装在库 代码中。 天津理工大学 2016 届本科毕业设计说明书（毕业论文） - 4 - 射频收发机 物理层（PHY） 介质访问控制层（MAC） 网络层（NWK） 应用程序支持子层 （APS） 应用程 序对象 ZDO 应用层（APL） ZigBee协 议定义的 IEEE802. 15.4规范 应以的 ZigBee无 线网络 安 全 服 务 图 2.1 ZigBee 协议栈框 图 2.2 TI 的协议栈 2.3.0 版本 天津理工大学 2016 届本科毕业设计说明书（毕业论文） - 5 - 协议栈其实就是协议和用户之间的一个接口，而协议栈与 API 层之间其实没有什么联系， 也就是说他们之间是相互独立的，开发人员通过使用协议栈里的应用层来实现无线数据收发。 2.2.1 物理层 物理层就是无线信道和 MAC 层之间的一个接口。 物理层内容： （1）激活 ZigBee。 （2 对当前信道能量的检测。 （3）接入 ZigBee 信道。 （4）接收来自链路服务层质量的消息。 （5）选择信道的频率。 （6）传输和接收无线数据。 2.2.2 介质访问控制层（MAC 层） MAC 层的作用是处理全部的物理无线信道的访问，并且产生网络信号、同步信号。 MAC 层功能: （1）网络协调器产生信标； （2）与信标同步； （3）支持 PAN 链路的建立和断开； （4）为设备的安全性提供支持。 2.2.3 网络层 ZigBee 协议栈最主要的部分当属网络层，网络层的主要作用是用于实现节点的加入或 离开网络等功能。 网络层功能： （1）网络发现 (2) 网络形成 （3）容许设备连接 (4) 路由器初始化 （5）设备网络连接 （6）直接将设备同网络连接 （7）断开网络连接 （8）重新复位设备 （9）接收机同步 （10）信息库维护 天津理工大学 2016 届本科毕业设计说明书（毕业论文） - 6 - 2.2.4 应用层 ZigBee 应用层框架由 3 部分组成。各个子层分别担任不同的角色。 ZigBee 应用支持子层 APS 提供了从 ZDO 到应用对象的通用服务集。 ZDO 是 ZigBee 设备对象，是在应用层里的一种应用解决方案。负责把终端信息收集起 来并管理，就好像终端信息的主人一样。 剩下的一部分是制造商定义的应用对象。学习 ZigBee 通信技术，开发人员主要开发的 程序部分就是应用层。 2.3 ZigBee 的分类及功能作用 ZigBee 组成的网络中包括三种设备类型：协调器（coordinate），路由器（root）， 终端节点（device）。 （1）协调器 协调器工作就是组建网络。在组建网络中首先要做的是信道的扫描，一般来说，ZigBee 协调器默认的信道就是 11，具体的设置程序在 f8wConfig.cfg 这个文件中可以找到， f8wConfig.cfg 中还有一个跟网络组建有关的参数：ZDAPP_CONFIG_PAN_ID，这个参数是用 来配置默认的网络标号，这个就想我们所说的局域网，没有连接到同一个局域网就不能进行 通信。如果这个协调器发现有着同样信道的 ZigBee 网络的存在，那么协调器会检查自己 ZDAPP_CONFIG_PAN_ID 所配置的 NETWORK ID 和对方的 NETWORK ID 是不是一样的。 （2）路由器 ZigBee 中的路由器和我们生活中所见的路由器大相径庭，在 ZigBee 网络中，路由器 相当于二阶路由，每个路由器有可以作为一个小的协调器，而这些小的“协调器”又可以与 一个总协调器组建成一个我们需要的网络。最终要的一点就是路由的默认 PANID 就是它最初 的 PANID，而协调器的默认 PANID 只是作为一个确认的 PANID，ZigBee 协调器本身通过信道 还会产生一个 PANID，所以矛盾来了，如果路由器的 PANID 设置为 0x04，协调器的 PANID 也 设置为 0x04,前提是路由器先上电，这样协调器的 PANID 肯定就不是 0x04 了，而可能是 0x05 了，所以遇到这种情况，只能是给协调器上电，再给路由上电。 （3）终端节点 终端节点设备就相当于整个网络的心脏，它会定时向路由或者协调器发送信息，被人 形象的形容为“心跳”过程。当然，终端节点组网也是需要配置的，它也要去寻找自己的 “父亲”，也就是所谓的父节点，如果节点在一定的时间内没有收到父节点的回复，那么它 会自动断网，去寻找另外其他的父节点。最终要的一点是，终端节点在大部分情况下都是出 于低功耗状态。 天津理工大学 2016 届本科毕业设计说明书（毕业论文） - 7 - 2.4 ZigBee 网络拓扑结构 2.4.1 星形结构 星型结构的工作方式是由协调器发起并建立一个通信，其它分布在协调器覆盖范围内的 终端节点可以直接点对点与协调器进行通信。由于星型网通常用于终端节点数量较少的场景， 因此本次系统所用到的网络结构就是星形结构。具体结构如下图 2.3 所示： ZigBee终端 节点 ZigBee协调 器 图 2.3 星型结构 2.4.2 树形结构 树形结构就是由多个星形结构拓扑的集合，对于外部环境的动态变化的适应不是很好， 因为信息传送中，是由终端节点先给路由器传送，然后由路由器再传送给协调器，这种网络 结构的弊端在于其中任何一个节点的中断或者故障将会使下属的节点断开网络。具体结构如 下图 2.4 所示： ZigBee终端节 点 ZigBee协调器 ZigBee路由器 图 2.4 树型结构 天津理工大学 2016 届本科毕业设计说明书（毕业论文） - 8 - 2.4.3 网状结构 网状结构其实就是对树形结构的一种优化，前面的文章提到树形结构的弊端就在树形结 构的某一路由节点出现故障，他的下属节点就会脱离该网络，也就是说，他的组网路劲是唯 一的，而网状结构恰恰弥补了他的缺点，即使某条路由中断也 能通过其他比较好的路径或同等路径完成通信，这样一来同时也提高了网络的稳定性。 当然他本身的缺点也就出来了，就是增加了更多的路由信息，也造成了路由算法的复杂性。 具体结构如下图 2.5 所示： ZigBee终端节 点 ZigBee协调器 ZigBee路由器 图 2.5 网状结构 2.5 ZigBee 的通信方式 说到 ZigBee 通信方式，最重要的就是发送函数和接受函数，掌握了这两个函数，那么 对于我们来说通讯就是见很轻松的事，因为这是最基础的要求。 （1）发送函数 AF_DataRequest 是 ZigBee 协议栈的发送函数。这个函数的作用是对 Zigbee 协议栈进 行数据的发送。这个函数通过调用协议栈里面其他函数来实现数据的发送。 天津理工大学 2016 届本科毕业设计说明书（毕业论文） - 9 - 图 2.6 发送函数 参数 1：afAddrType_t *dstAddr 这个参数包括目的 zigbee 的端点号、网络地址及数 据传送的模式，如单播、广播或多播等。 afAddrType_t 是个结构体如下： typedef struct union uint16 shortAddr; /用于标识该节点网络地址的变量 addr; afAddrMode_t addrMode; /功能在于指定数据的传送模式是单播、多播还是广 播 byte endPoint; /端点号 afAddrType_t; / 其定义在 AF.h 中 在 ZigBee 中，数据包可以点对点的传送，一点对多点的传送或者广播传送，所以必须 有地址模式参数。因此上述结构体中可以设置为以下几个值： typedef enum 天津理工大学 2016 届本科毕业设计说明书（毕业论文） - 10 - afAddrNotPresent = AddrNotPresent, /指定目的地址 afAddr16Bit = Addr16Bit, /单播发送 afAddrGroup = AddrGroup, /组播 afAddrBroadcast = AddrBroadcast /广播 afAddrMode_t; enum AddrNotPresent = 0, AddrGroup = 1, Addr16Bit = 2, Addr64Bit = 3, AddrBroadcast = 15 ; 注意：ZigBee 设备有两种类型的地址。一种是 64 位 IEEE 地址，也就是 MAC 地址，这 种地址是全球唯一的地址，不会又重复，在他出身时制造商就设置了，当然这个参数也可以 自己通过软件往里刷。另一种是 16 位的网络地址，这种网络地址是设备加入网络后由协调 器或路由器分配的。它在网络中是唯一的，用来在网络中鉴别设备和发送数据。 参数 2：endPointDesc_t *srcEP 是发送节点的端点描述符指针。在 ZigBee 网络中， 不管是星形结构，树形结构还是网状结构，每个节点上最多可以支持 240 个端口。要想找到 具体的节点可以通过网络地址来确定。不同节点的端口之间可以相互通信，其通讯方式是通 过簇来实现。 因此得出结论：使用端口号区分同一节点上的端口，使用网络地址来区分不同的节点。 天津理工大学 2016 届本科毕业设计说明书（毕业论文） - 11 - 图 2.7 端点的配置 参数 3：uint16 cID 是 ClusID 簇 ID 号，ZigBee 节点有很多不同的属性，而簇实际上 就是这些属性的“领导”。一个簇实际上都有一个唯一的 ID 号码，通过这个 ID 号码来标识 不同的控制操作的命令号。 参数 4 ：uint16 len 是送数据的长度。 参数 5 ：uint8 *buf 是一个指向发送数据包的数据指针。 参数 6 ：uint8 options 是发送选项，有如下选项： #defineAF_FRAGMENTED 0x01 #defineAF_ACK_REQUEST 0x10 /要求应用层的应答，只在直接发送（单播） 时使用。 #defineAF_DISCV_ROUTE 0x20 #defineAF_EN_SECURITY 0x40 #defineAF_SKIP_ROUTING 0x80 /设置这个选项会导致设备跳过路由而直接发 天津理工大学 2016 届本科毕业设计说明书（毕业论文） - 12 - 送消息。而且终端设备也不向它的父设备发送消息。在直接发送和进行广播的时候运用此函 数比较合适。 参数 8：uint8 radius 最大的跳数，取默认值 AF_DEFAULT_RADIUS 返回值：afStatus_t 类型为枚举型 typedef enum afStatus_SUCCESS, afStatus_FAILED = 0x80, afStatus_MEM_FAIL, afStatus_INVALID_PARAMETER afStatus_t; （2） 接受函数 接受函数相对与发送函数较简单些，当接受到信息的时候，就会触发 SYS_EVENT_MSG 事 件下的 AF_INCOMING_MSG_CMD 事件，所以只需要去处理 AF_INCOMING_MSG_CMD 就行。具体还 得判断发送函数中的 clusterId ，当 clusterId 为发送函数中申明的 clusterId ，那么接 受到的数据怎么处理，关键就在 afMSGCommandFormat_tcmd 这个结构体，以下是这个结构体 的具体函数： Typedef strut byte TrandSeqNumber; Unint16 DataLength; Byte *Data; afMSGCommandFormat_t; 2.5.1 广播通讯 广播就是其中一个 ZigBee 节点发出想要发出的数据，在这个网络中的所有节点设备都 能收的到。广播参数的配置可以在协议栈应用层函数中找到。 Sampleapp_Periodic_DstAddr.addrMode=(afAddrMode_t)Addrbroadcast; Sampleapp_Periodic_DstAddr.endPoint=SAMPLEAPP_ENDPOINT; Sampleapp_Periodic_DstAddr.addr.shortAddr=oxfffff; Oxffff 是广播地址。协议栈中的广播地址有三种类型; 天津理工大学 2016 届本科毕业设计说明书（毕业论文） - 13 - （1）0xffff-数据包将被传送到网络中的所有设备，这里包括睡眠中的设备。对于睡 眠中的设备数据包将保留在父亲节点直到查询到它或者消息超时。 （2）0xfffd-数据包将被传送到网络上的除了睡眠中的所有设备。即所有在空闲时打 开接收的设备。 (3)0xfffc-数据包发送给所有的路由器或者协调器。 首先是通信类型的说明： Typedef enum afAddrNotPresent=AddrNotPresent, afAddr16bit=Addr16bit, afAddr64bit=Addr64bit, afAddrGroup=AddrGroup, afddrBroadcast=AddrBroadcast afddrMode_t; 当 addrmode=Addr16Bit 时，对应的就是点播方式；addrmode=AddrGroup 时，对应的就 是组播方式；addrmode=Addrbroadcast 时，对应的就是广播方式； 以下是广播发送函数如下所示： 图 2.8 广播发送函数 天津理工大学 2016 届本科毕业设计说明书（毕业论文） - 14 - 2.5.2 组播通讯 组播其实就是讲网络中所有的节点设备被分组后组内相互通信的过程。组播参数的配置 如下： SampleApp_Flash_DstAddr.addrMode=(afAddrmode_t)afAddrGroup; SampleApp_Flash_DstAddr.endPoint=SAMPLEAPP_ENDPOINT; SampleApp_Flash_DstAddr.addr.shortaddr=SAMPLEAPP_FLASH_GROUP; 以下是组播发送函数代码如下： 图 2.9 组播发送函数 组播需要注意的一点是如果终端设备的接收没有一直打开，或者说是采用睡眠中断的工 作方式的话，终端设备将不参与组播，那么终端设备参与组播的方式就是将终端接收机一直 打开，具体操作程序就是将 f8config.cfg 配置文件中的_RFD_RCVC_ALWAYS_ON=FALSE 改为 _RFD_RCVC_ALWAYS_ON=TURE 就可以了。 2.5.3 点播通讯 点播通讯是最简单的通讯方式，就是两个 ZigBee 设备节点相互通信的过程。确定通信 天津理工大学 2016 届本科毕业设计说明书（毕业论文） - 15 - 对象的就是节点的 16 位短地址。以下是对点对点通信的一些配置： Point_To_Point_DstAddr.addrMode=(afAddrMode_t)addr16Bit; Point_To_Point_DstAddr.endPoint=SAMPLEAPP_ENDPOINT; Point_To_Point_DstAddr.addr_short=0x00;/发送给协调器 以下是点对点通信发送程序： 图 2.10 点播发送函数 天津理工大学 2016 届本科毕业设计说明书（毕业论文） - 16 - 第三章空气质量检测系统设计 3.1 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 种类型的网络拓扑结构。 1、 星型网络拓扑结构。星型网络拓扑结构的终端节点需要在网关节点的覆盖范围之内， 从而网络覆盖面积的因素限制网络结构。 2、 树状网络拓扑结构。树状网络拓扑结构的优点是结构易于扩展，出现故障之后对节 点隔离也比较容易，但是节点对根节点的依赖性太大，一旦根节点发生故障，会造 成全网不能正常工作。 3、 网状网络拓扑结构。网状网络拓扑结构有覆盖面积广、可靠性高的优点，但也正是 因为覆盖面积光而导致管理复杂，耗电量同时也会增加，电池使用寿命短的缺点8。 本系统监测范围较小，主要适用于家居环境内，因此采用星型网络拓扑结构来组建 ZigBee 无线通信网络。系统采用主-从式的结构。若干个检测终端从机节点和控制主机共 同组成了 ZigBee 无线传感器网络，通过 ZigBee 无线传感器网络实现各节点之间的数据通信。 ZigBee 无线传感器网络的核心是以 CC2530 微处理器芯片搭建的传感器节点和网关节点。从 机传感器节点采集周围的温湿度数据、空气环境数据等信息实时的发送到主机网关节点并进 行汇总处理。控制主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，然后通过 LCD 显示屏来显示，实现状态的监测和报警。 系统总体结构图如图 3.1 所示： 天津理工大学 2016 届本科毕业设计说明书（毕业论文） - 17 - 图 3.1 系统总体结构图 3.2 ZigBee 系统硬件设计 3.2.1 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控机。 检测终端从机主要包括以下几个模块：CC2530CPU 模块、DHT11 温湿度模块、TGS2600 烟 雾传感器模块、LCD12864 显示模块、电源模块、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 无线方式发送给主控机；LCD 显示模块在线显示当前空气质量是 否报警；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。 检测终端从机硬件结构如图 3.2 所示： 图 3.2 检测终端从机硬件图 1、CPU 模块 CPU 模块采用 TI 公司生产的 CC2530 芯片作为控制器。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。除此之外， CC2530 芯片还具有不同的运行模式，例如睡眠模式、主动运行模式等。各种不同的模式之 间的相互转换使得它尤其适应超低功耗要求的系统。 CC2530 芯片结构如下图 3.3 所示： 天津理工大学 2016 届本科毕业设计说明书（毕业论文） - 18 - 图 3.3 CC2530 芯片结构 2、MQ-2 烟雾传感器模块 烟雾传感器模块采用 MQ-2 烟雾传感器，MQ-2 烟雾传感器的一个显著特点就是可以在较 宽的浓度范围内对可燃气体有超高的灵敏度，因此高灵敏度是选用 MQ-2 烟雾传感器的首要 因素。此外，MQ-2 烟雾传感器的主要检测对象是液化气、丙烷、氢气等可燃性气体，因此 比较适用于家居环境。并且 MQ-2 烟雾传感器的使用寿命比较长，而且成本较低，模块运行 只需要简单的驱动电路即可，应用于家庭用气体泄漏报警器在合适不过了。在使用的时候， MQ-2 烟雾传感器只需要简单的驱动电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的 信号输出。 MQ-2 气体传感器电路图如下图所示： 天津理工大学 2016 届本科毕业设计说明书（毕业论文） - 19 - 图 3.4 MQ-2 气体传感器电路图 图 3.5 MQ-2 气体传感器实物图