基于ZigBee的空气质量检测仪设计毕业设计论文.doc

齐齐哈尔大学毕业设计（论文）齐齐哈尔大学毕业设计（论文）题 目 基于Zigbee的室内空气质量检测仪设计 学 院 通信与电子工程学院 专业班级 通信工程111班 学生姓名 齐利刚 指导教师 朱恒军 成 绩 2015年6月25日1摘 要随着科技发展，空气污染严重影响了人们的健康。因此，为家人和朋友创建一个空气新鲜、健康舒适的生活环境是非常必要的。室内空气质量检测是刚兴起的一个行业。该行业是通过对室内的装修、家具污染引起的环境污染物超标所进行检测和分析过程，并且出具国家权威的、法律效力的检测报告。通过检测报告我们可以判定室内各种污染物质的浓度，然后进行针对性的防控。本设计是由传感器、Zigbee模块和上位机搭建一个基于Zigbee无线传感网络的室内空气质量检测仪。第一步，通过各种传感器对室内甲醛、苯、氨气、总挥发性有机物TVOC等空气污染物进行检测和数据处理；第二步，将检测参数传送给Zigbee终端节点；第三步，通过Zigbee无线传感网络将接收的数据传送到主控端进行空气质量指标的显示和监控。如果检测到某些空气污染物超标的话，就会发出报警来提醒用户采取相应的措施。室内空气质量检测仪采用Zigbee的无线传感技术，可以进行多点检测，还可以方便的添加和移除Zigbee节点，具有成本低、组网灵活、简单易用等优点。不仅适用于新房入住和刚装修完的房子的空气质量检测，也可以对室内空气质量进行实时检测，具有很高的实际应用价值。关键词：空气质量检测；无线传感网络；Zigbee模块；多点检测AbstractWith the development of science and technology, air pollution has seriously affected peoples health. Therefore, it is necessary to create a fresh air, healthy and comfortable living environment for our family and friends. Indoor air quality detection is a newly rising industry. The industry will give a air pollution detection, which through detecting pollution caused by the indoor decoration, furniture and so on. It issued a national authority and legal detection report. Through the detection report, we can see the concentration of indoor pollution substances, and then take some measures to prevent the pollution.The air quality detector is consist of a sensor, Zigbee module and PC, which is based on a wireless sensor network of Zigbee to detect indoor air quality. The first step is collect data, which though a variety of sensors of indoor formaldehyde, such as benzene, ammonia, total volatile organic compound TVOC and other air pollutants sensors. The second step is data transmission, which transport the test parameters to the Zigbee terminal node. The third step, the main control end display and monitor the air quality index, which will receive the number through the Zigbee wireless sensor network. If the detection of certain air pollutants exceed the standard, It will alarm to remind the user to take the appropriate measures. Because of the indoor air quality detector using Zigbee wireless sensor technology, it become more convenient and fast to take a multi-point detection and add and remove Zigbee nodes. Besides, it has many advantages, such as low cost, flexible networking, easy to use and so on. It not only can be used to test the air quality of the new house and newly decorating house, but also it can be used for the long-time detection of indoor air quality, so it has a high value of practical application.Keywords：Air quality testing; Wireless sensor networks; Zigbee module; Multi-point detectionI目 录摘 要IAbstractII第1章 绪 论11.1 课题研究背景11.2 空气质量检测的国内外研究现状11.2.1 国外研究现状11.2.2 国内研究现状21.3 本文研究内容21.4 文本结构5第2章 Zigbee技术简介52.1 Zigbee基本概念62.1.1 设备类型62.1.2 拓扑结构72.1.3 Zigbee技术的特点82.2 IEE802.15.4标准概述92.3 Zigbee协议体系结构102.3.1 物理层（PHY）102.3.2 介质接入控制子层（MAC）112.3.3 网络层（NWK）112.3.4 应用层（APL）112.3.5 应用程序框架（AF）122.3.6 Zigbee设备对象（ZDO）12第3章 系统总体设计方案规划133.1 系统功能规划133.2 系统设计方案133.2.1 系统的硬件设计143.2.2 系统的软件设计163.3 主要元器件的选用163.3.1 CC2530芯片163.3.2 传感器183.4 本章小结19第4章 系统硬件设计204.1 最小系统设计204.2 各单元电路设计204.2.1 电源电路214.2.2 时钟电路214.2.3 天线及巴伦配置电路214.2.4 传感器电路224.3 系统硬件电路原理图23第5章 系统软件设计255.1 Zigbee程序设计255.1.1 IAR Embedded Workbench软件简介255.1.2 Zigbee程序总体设计265.1.3 系统主控程序设计265.1.4 操作系统初始化程序设计285.1.5 操作系统执行程序设计295.2 PC上位机程序设计325.2.1 VC+软件简介325.2.2 上位机设计实现335.3 Android应用程序设计355.3.1 软件介绍355.3.2 Android应用程序设计实现35第6章 系统的仿真、制作与测试376.1 系统程序的编写、仿真和下载376.1.1 程序的编写运行376.1.2 仿真器程序下载386.2 实物的连接和调试结果396.2.1 实物的连接396.2.2 调试结果396.3 系统性能分析40结 论42参考文献43附录145附录246致 谢48IV第1章 绪 论1.1 课题研究背景根据室内空气质量检测标准，调查监测了新建及新装修的教室、办公楼、家庭卧室等230多户大约4万平方米的建筑。检测结果表明：室内空气质量合格率仅为34.7%。报告显示，在众多的室内空气污染物中，氨气和苯的化合物气体是主要污染物，超标率高达61.2%，测得的最高值竟然超过国家标准63.5倍。除此之外，甲醛的超标率为27.8%，苯系物(甲苯、二甲苯等)超标率为14.6% 行少亮,朱波. 基于物联网的智能环境监测系统J. 数字技术与应用,2011,11:183.。国外通过大量实验得出一个结论，室内空气质量与人类的健康息息相关。空气污染会引起很多疾病，比如：“致病建筑综合症”和“建筑关联病”等疾病，这些疾病会导致人的眼部、鼻子、脑部等不良反应，轻者眼花、恶心呕吐，重者麻痹、休克等。空气污染严重影响了人们健康的生活质量。所以，所有的室内环境都必须进行必要的空气质量检测，尤其是公共场合。通过检测和改善室内空气质量，给大家创造一个健康、舒适的起居环境。本课题为基于Zigbee的室内空气质量检测仪设计。首先，通过传感器检测空气质量的指标；然后，通过Zigbee无线网络传送给主机进行指标的显示，如果污染气体超标就会发出警报。空气质量检测仪基于Zigbee的无线传感网络，更加方便、快捷，适用于新房入住和刚装修完的房子的空气质量检测，也可以对室内空气质量进行实时检测，尤其老人、孕妇、儿童等抵抗力弱的人群更加需要，为您和您的家人的健康保驾护航，具有很高的实际应用价值。1.2 空气质量检测的国内外研究现状1.2.1 国外研究现状现代空气污染问题的研究源于伦敦烟雾事件。20世纪60年代提出了室内空气质量(IAQ)的概念。1999年底，法国政府成立了国家室内空气监测站。自2001年起,该检测站年年都在全国范围内选择上千个个监测点,对室内空气中的粉尘、氨气、过敏源、苯化合物、人造纤维、烟草烟雾等10多种空气污染物进行检测并公布检测结果。从2005年至2012年,美国的温室气体排放量下降了近10%。对于美国在联合国气候谈判中承诺的2020年减排目标而言,已实现过半 岳彩英,智颖,张秀兰. 环境空气质量新标准的实施对呼和浩特空气质量监测与评价结果的影响J. 环境与发展,2014,08:33-37.。2008年起，美国驻华使领馆开始监测所在城市的PM2.5数据，并向公众公布。“2014年3月25日，世界卫生组织发布的最新数据显示，2012年全球因空气污染导致的各类疾病死亡人数约为700万。”根据世界卫生组织（WHO）2014年发布的一份报告，印度首都新德里是全球空气污染最严重的城市。为了保护美国驻印度大使馆工作人员，美国为他们购买了1800台室内空气净化器。最近，欧盟第七研发框架计划(FP7)组织下的欧洲IAQSENSE研发团队，成功研制的室内空气质量实时检测装置，具有智能型、高灵敏、可随时随地检测空气质量等特点 李志强,王宇红,王维军,刘佩光,余加琳,田丰,刘海鸣. 住房室内装潢后空气甲醛含量变化的研究J. 现代预防医学,2013,06:762-763.。1.2.2 国内研究现状跟国外相比,我国近几年才开始对室内空气质量进行研究,我国从事住宅室内空气污染的研究始于70年代。目前，空气净化涂料对污染物的净化功能的评价大多依据JC/T10742008室内空气净化功能涂覆材料净化性能标准进行，该标准中涉及甲醛和甲苯两个净化指标 徐映如,王丹侠,张建文,张颖琦,韩若冰,沈俊毅,俞新春. PM 10和PM 2.5危害、治理及标准体系的概况J. 职业与健康,2013,01:117-119.。国家“十二五”计划也将“室内空气净化”列为扶持行业。，2011年，“中华人民共和国卫生部80号令”规定了室内空气净化的各项条款，为这一行业正规化发展奠定了坚实基础。为了规范市场，国家环保产品质量监督检验中心、福州大学光催化研究所和中国标准化研究院等单位起草了净化空气用光催化剂GB/T27870-2011国家质量标准，该标准并于2012年开始实施 郑建红.空气净化器研究进展探讨J.硅谷,2013,09:10+12.。20132014年，中国建筑装饰协会公布了一个的抽样检测数据报告。该报告是关于家居环境和室内装饰材料的，报告公示了几项空气主要污染物包括甲醛、苯化合物等致癌物质多达23种，他们超标率分别高达82%，和77%，并表示疾病与室内空气污染相关。目前，国家出台的室内空气检测标准有室内空气质量标准GB/T18883-2002和民用建筑工程室内环境污染控制规范GB50325-2013。据了解，空气净化器新国标的“征求意见稿”已经审批通过，有望在2015年上半年正式出台。在新国标中，强化了一个核心指标即CADR值。CADR值指的是洁净空气量，是空气净化器每小时能够输出的洁净空气体积，这一数值越大，表示产品的净化速度越快。1.3 本文研究内容本设计主要是通过传感器和Zigbee模块搭建一个基于Zigbee无线传感网络的室内空气质量检测仪。首先，是通过各种传感器对室内甲醛、苯、甲苯、氨气、总挥发性有机物TVOC等空气污染物进行检测，然后将检测到的指标参数传送给Zigbee模块。最后，Zigbee通过无线传感网络将接收的数据传送到主控端进行空气质量指标的显示和监控。如果检测到某些空气污染物超标的话，就会发出报警来提醒用户采取相应的措施。室内空气质量检测仪要达到的技术指标如下：（1）网络容量：一个Zigbee的网络可以容纳多达255个网络节点；（2）工作时间：工作时间比较短、收发信息功耗低，连续工作长达2年；（3）MQ-135气体传感器：可以侦测有害气体的体积浓度为：10 - 1000ppm，适用于氨气、硫化物、苯系蒸汽、烟雾和其它有害气体的检测；（4）DHT11数字温湿度传感器：测量空气湿度范围：从20RH到90RH，测量空气温度范围：从0到50。当前，室内空气检测的主要依据是室内空气质量标准和 GB/T18883-2002和民用建筑工程室内环境污染控制规范GB50325-2013 闫博,赵文吉. 北京市细颗粒物时空分布及与呼吸系统疾病相关分析J. 地理信息世界,2013,06:42-48.。室内空气检测项目见表1-1。表1-1室内空气检测国家标准项目序号项目类别项目名称标准限制备注1物理性温度22 -28 16 -24 夏季空调冬季采暖2相对湿度40-80 %30-60 %夏季空调冬季采暖3空气流度 0.3m /s 0.2m /s夏季空调冬季采暖4新风量 30m3 /(h 人 )5化学性甲醛 HCHO0.10mg/m38h 均值6氨 NH30.20mg/m38h 均值7苯 C6H60.11mg/m38h 均值8甲苯 C7H80.20mg/m38h 均值9二甲苯 C8H100.20mg/m38h 均值10总挥发性有机物TVOC0.60mg/m38h 均值11臭氧 O30.16mg/m31h 均值12二氧化硫 SO20.50mg/m31h 均值13二氧化氮 NO20.24mg/m31h 均值14一氧化碳 CO10mg/m31h 均值15二氧化碳 CO20.10 %日平均值16苯并 a 芘 B(a)P1.0ng/m3日平均值17可吸入颗粒PM100.15mg/m3日平均值18生物性菌落总数2500cfu/m3依据仪器定19氡222Rn400Bq/m3年平均值空气质量指数（Air Quality Index，简称AQI）是定量描述空气质量状况的无量纲指数。参与空气质量评价的主要污染物为细颗粒物、可吸入颗粒物、二氧化硫、二氧化氮、臭氧、一氧化碳等六项。空气质量指数级别见表1-2。表1-2 空气质量指数级别空气质量指数AQI空气质量指数级别空气质量指数及表示颜色对健康的影响建议采取的措施0-50优绿色空气质量令人满意，基本无空气污染。各类人群可正常活动51-100良黄色空气质量可接受，某些污染物对极少数敏感人群健康有较弱影响。极少数敏感人群应减少户外活动101-150轻度污染橙色易感人群有症状有轻度加剧，健康人群出现刺激症状。老人、儿童、呼吸系统等疾病患者减少长时间、高强度的户外活动151-200中度污染红色进一步加剧易感人群症状，会对健康人群的呼吸系统有影响。儿童、老人、呼吸系统等疾病患者及一般人群减少户外活动201-300重度污染紫红色心脏病和肺病患者症状加剧运动耐受力降低，健康人群出现症状儿童、老人、呼吸系统等疾病患者及一般人群停止减少户外运动300严重污染褐红色健康人群运动耐受力降低，有明显强烈症状，可能导致疾病儿童、老人、呼吸系统等疾病患者及一般人群停止户外活动本课题用到很多技术，所以要对主要芯片和所用语言进行学习和总结，除此之外，还要对无线传感网络核心部分Zigbee和传感器进行研究。首先，我对无线传感器网络的总体结构进行总结分析，尤其对传感器网络的关键技术进行详细的介绍。其次，在硬件方面，对基于Zigbee的室内空气质量检测仪进行硬件电路设计，包括CC2530最小系统电路、天线电路、传感器电路等单元电路设计。再次，在软件方面，对设计的各种程序进行设计。包括传感器的采集和处理数据的程序、Zigbee终端节点和协调器的收发信号的网络协议程序设计、上位机软件读取串口和显示数据程序和安卓手机客户端的应用程序等等。最后，通过搭建一个由主控Zigbee芯片、传感器、显示部分和控制部分组成的室内空气质量检测仪。经过写入程序、调试，最后实现空气质量的基本指标的显示和污染物的检测，污染物超标则进行报警。1.4 文本结构本设计是通过传感器和Zigbee模块搭建完成一个利用Zigbee无线传感技术的室内空气质量检测仪。全文共分为6个章节：第1章 绪论，讲解了室内空气质量检测仪的研究背景，同时还讲解了国内和国外在空气质量检测的领域现在的研究成果。第2章 Zigbee技术简介，主要对Zigbee的基本概念解释，包括设备类型、拓扑结构、Zigbee技术的特点。除此之外，还对IEEE802.15.4标准进行说明，重点Zigbee协议体系结构讲解。第3章 系统总体设计方案规划，总体对室内空气质量检测仪设计进行介绍，包括系统功能实现的介绍，硬件规划、软件规划等。第4章 系统硬件设计，包括所选用的主控芯片，传感器使用和功能介绍。主要是最小系统设计和各个模块电路规划等，还有就是系统的硬件设计原理图。第5章 系统软件设计，简单介绍设计所需要的软件使用方法等。然后，对设计所需要的重要程序讲解，包括初始化程序、系统主控程序、子程序等。还有就是对设计所用到的上位机程序和安卓应用程序进行了功能介绍。第6章 系统的仿真、制作与测试，本章对系统的软件和硬件进行仿真、制作、调试和测试。最后，进行实物制作，完成设计。第2章 Zigbee技术简介Zigbee技术是一种近距离、相对简单、低功耗、传输速率低、廉价的可以双向通信的无线通讯网络技术。它是在IEEE802.15.4无线标准的基础上研发出来的一种有关组网方式、网络安全和软件应用等方面的无线网络通讯技术。2.1 Zigbee基本概念Zigbee技术是一种近距离、相对简单、低功耗、传输速率低、廉价的可以双向通信的无线通讯网络技术。它是在IEEE802.15.4无线标准的基础上研发出来的一种有关组网方式、网络安全和软件应用等方面的无线网络通讯技术 孙九瑞,孙晓晨.基于ZigBee的图书馆环境监控系统的设计J.应用科技,2015,03:1.。其特点是传输距离近、复杂度低、具有自组织性、功耗低、传输速率低、廉价等。应用范围广泛，可以与其他设备组合在无线控制和监测控制等方面使用。总之，Zigbee技术是一种廉价的，节省能源的，短路程的无线通讯网络技术。2.1.1 设备类型在Zigbee网络中存在三种逻辑设备类型：Coordinator(协调器)，Router(路由器)和End-Device(终端设备) K. F. Tsang, H. Y. Tung and K. L. Lam, “Zigbee: From Basics to Designs and Applications,” Prentice Hall, Upper Saddle River, 2013,05:173-176.。Zigbee网络有且只有一个Coordinator，除此之外，还有许多Router和一些End_Device共同组成。2.1.1.1 Coordinator(协调器)协调器负责启动整个网络。它也是网络的第一个设备。协调器选择一个信道和一个网络ID(也称之为PANID，即PersonalAreaNetworkID)，随后启动整个网络。协调器也可以用来协助建立网络中安全层和应用层的绑定(bindings)。协调器的角色主要涉及网络的启动和配臵。一旦这些都完成后，协调器的工作就像一个路由器(或者消失goaway) 张猛,房俊龙,韩雨.基于ZigBee和Internet的温室群环境远程监控系统设计J.农业工程学报,2013,S1:171-176.。因为Zigbee无线网络自身的特点，所以接下来整个网络的操作就不再依赖协调器存在而存在。总体来说Coordinator的主要任务有以下四个：（1）在2400MHz到2483.5MHz的频段中选择网络所使用的频率通道。（2）开始组建一个无线网络。（3）接收其他节点的请求信息，然后，选择性的允许其他节点加入到刚组建中网络中来。（4）它通常还会提供信息路由，安全管理和其他的服务。2.1.1.2 Router(路由器)路由器主要作用有:一是允许其他的设备加入本网络，二是多跳路由可以协助它自己和终端设备的正常通讯。通常，路由器希望是一直处于活动状态，因此它必须使用主电源供电。不过，当处于树状网络拓扑结构，允许路由会周期性的间隔操作，这样会大大的减少功耗，因此，可以使用电池供电。Router(路由器)主要有以下两个任务：(1)在网络中，路由器为节点转发信息从而完成整个网络通信。(2)允许在他附近的子节点通过发送请求由自己加入整个网络中。2.1.1.3 End-Device(终端设备)终端设备没有特定的维持网络结构的责任，它可以睡眠或者唤醒，因此它可以可以是一个电池供电设备。通常，终端设备对存储空间(特别是RAM的需要)比较小。EndDevice一般处于网络的边缘，主要任务就是发送和接收信息，但它不能够转发信息，也不能让其他节点加入到网络中来。一般EndDevice节点是由电池来供电的，但是为了减少电能的损耗，当它不工作的时候可以通过进入休眠状态来达到省电目的。2.1.2 拓扑结构与一般网络的拓扑结构类似，Zigbee网络的拓扑结构一般有三种形式：星形拓扑、树形拓扑、网状拓扑：2.1.2.1 星形拓扑星形拓扑形式相对来说是比较简单的，这种拓扑结构有两部分组成，一个是Coordinator节点，另一个是许多EndDevice节点，如图2-1所示。Coordinator是任意两个EndDevice通信的中转站，也就是说EndDevice可以自如的与Coordinator进行通信，如果想与其他的EndDevice节点进行通信的话就必须先通过Coordinator节点进行信息的转发 Li-Ling Hung;Yu-Wei Huang;Chun-Cheng Lin.Temporal coverage mechanism for distinct quality of monitoring in wireless mobile sensor networksJAd Hoc Networks,2014,06:231-235.。可以看出，一旦Coordinator节点出现问题，整个无线网络彻底不工作了。图 2-1 星形拓扑结构2.1.2.2 树形拓扑树形拓扑包括一个Coordinator以及一系列的Router和EndDevice节点，如图2-2所示。Coordinator既可以与Rout霄相连又可以与EndDevice相连，而它的Router子节点又可以连接一系列的Router和EndDevice节点，这样就形成了一个层次清晰的通信网络。在这种拓扑结构中，连接相同父设备下的设备互相称作兄弟节点，而有连接相同祖父设备的设备互称作堂兄弟节点。每一个节点设备都只能和他的父设备和子设备之间进行通信。一个节点设备与另外一个节点设备相互收发信息，信息将顺着树的路径向上传递到最近的祖先设备，然后，再向下传递到目标节点设备。和星形拓扑结构差不多，信息的路由通道是唯一的 王卫星高奕龙陈佳森陈奕航林晓龙. 基于 Zigbee 无线传感器网络的山地橘园精细化滴灌系统设计J. 电子技术与软件工程,2014,14:19-20.。如果中间有一个路由节点出现问题，就会造成局部或大面积的系统阻塞。图 2-2 树形拓扑结构2.1.2.3 网状拓扑网状拓扑结构是由Coordinator、Router和EndDevice三部分组成，如图2-3所示。网状拓扑比树形拓扑更具优势，有更加灵活的信息路由规则。路由节点可以同另一个路由节点直接的进行信息传递。这种规则大大改善了信息的通讯的有效率，假如无线传输网络中某个终端设备出现了问题，信息可以自动选择其他路由路径进行工作，这样的话信息传输的可靠性就得以保障。图 2-3 网状拓扑结构2.1.3 Zigbee技术的特点作为一种刚刚兴起的无线通信技术，Zigbee技术发展态势是相当的迅猛，当然，这和他自身的特点是离不开的。同其他的无线传输技术相比，Zigbee技术具有很大的优势。Zigbee的技术特点主要包括以下内容：(1)功耗低：因为工作时间比较短、收发信息功耗低，外加休眠模式，因此Zigbee节点非常省电，连续工作长达2年。(2)数据传输可靠：为了减少发送数据的错误，Zigbee的媒体接入控制层(MAC层)采用talkwhenready的碰撞避免机制，发送端不是随便就会发送信息的，只有发送的数据包收到接收方的确认信息后才可以发送。(3)网络容量大：一个Zigbee的网络可以容纳多达255个网络节点，其中，必须包括一个主控设备，其他的都是从属设备。如果使用网络协调器(NetworkCoordinator)的话，整个网络最多可以支持超过64000个Zigbee网路节点，这时整个Zigbee网络节点的数目将相当的庞大。(4)时延短：一是进行通信时的时间延时短，二是从休眠模式跳转到正常工作模式的时间延时短。(5)兼容性：Zigbee技术与现有技术可以互相兼容，通过网络协调器(Coordinator)自动建立网络，采用载波侦听、冲突检测(CSMA.CA)方式进行信道接入。同时，利用全握手协议提高传输可靠性。(6)安全性：Zigbee技术可以对数据的完整性进行检测和检查，同时还可以对数据进行鉴权的功能。除此之外，还采用三级安全保护措施对数据传输进行保护 徐书芳,王金海,宫玉龙,任凯.基于ZigBee的智能家居控制系统的研究与设计J.电子技术应用,2013,08:80-83.。(7)实现成本低：Zigbee模块成本很低，而且无专利费。(8)自组织性和自愈能力：网络节点可以自动搜寻在其附近的节点，并且自动与他们通过网络协议相连，最后共同组成一个网络。除此之外，当网络内有节点出现问题或节点位置发生变化时，网络可以自动修复，其拓扑结构也会随之改变，从而使整个系统可以应对突发情况，更具可靠性。2.2 IEE802.15.4标准概述IEEE802.15.4是一个低速率无线个人局域网标准，该标准定义了物理层(PHY)和介质访问控制层(MAC)，特点有网络结构不复杂、廉价、功耗极少和吞吐量灵活等。其主要目标有容易安装、传输可靠、成本低极、电池寿命长，通信网络协议简单、灵活等。IEEE802.15.4提供了三个工作频段:2.4GHz,915MHz以及868MHz。在868MHz和868.8MHz之间只有一个信道，在902MHz和928MHz之间有10个信道，在2.4GHz和2.4835GHz之间有16个信道。在2.4GHz的速率为250k每秒，在915MHz的速率为40k每秒在868MHz的速率为20k每秒 滕志军,李国强,何鑫,张帆.基于ZigBee的高压电气设备温度在线监测系统J.电测与仪表,2014,01:85-88.。2.3 Zigbee协议体系结构Zigbee的体系结构由称为层的各模块组成。底层为上层提供服务：即由数据服务实体提供数据传输服务，管理实体提供所有的其他管理服务。服务实体是由服务接入点(SAP)为他上层提供接口，每个服务接入点利用服务原语完成其各项功能。Zigbee协议的体系结构如图2-4所示：图 2-4 Zigbee协议的体系结构2.3.1 物理层（PHY）物理层定义了物理无线信道和MAC子层之间的接口，提供物理层数据服务和物理层管理服务。物理层内容如下：（1）Zigbee的激活；（2）当前信道的能量检测；（3）接收链路服务质量信息；（4）Zigbee信道接入方式；（5）信道频率选择；（6）数据传输和接收。2.3.2 介质接入控制子层（MAC）MAC层负责处理所有的物理无线信道访问，并产生网络信号、同步信号；支持PAN连接和分离，提供两个对等MAC实体之间可靠的链路.MAC层功能：（1）网络协调器产生信标；（2）与信标同步；（3）支持PAN(个域网)链路的建立和断开；（4）为设备的安全性提供支持；（5）信道接入方式采用免冲突载波检测多址接入(CSMA-CA)机制；（6）处理和维护保护时隙(GTS)机制；（7）在两个对等的MAC实体之间提供一个可靠的通信链路。2.3.3 网络层（NWK）网络层是Zigbee协议栈的最主要组成部分。网络层主要功能：一是控制节点连接或断开网络，二是纳入或移除其他网络节点，三是查找节点和传送数据等。功能如下：（1）网络发现；（2）网络形成；（3）允许设备连接；（4）路由器初始化；（5）设备同网络连接；（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。2.3.4 应用层（APL）Zigbee应用层框架由应用支持层、Zigbee设备对象和制造商所定义的应用对象三部分组成。应用支持层的功能：一是维持绑定表，二是为绑定的设备传递消息。Zigbee设备对象的功能包括：（1）规定各个设备在网络中所扮演角色(如协调器和终端设备)；（2）发起和响应绑定请求；（3）在网络设备之间建立安全机制；（4）负责发现网络中的设备，并且决定向他们提供何种应用服务。2.3.5 应用程序框架（AF）用户可以自己设计应用的对象，通过设计编写应用程序，程序要依据profile规范进行编写，然后在Zigbee协议栈上运行。在Zigbee应用中，提供2种标准服务类型：一个是键值对（KVP），另一个是报文（MSG）。2.3.6 Zigbee设备对象（ZDO）ZDO是特殊的应用对象，它在端点（entire）0上实现。放置在较远地方的节点设备向ZDO发送请求，当其他设备收到请求信息时，ZDO就会通过对对象的设置从而取得所需要的描述符的符值。ZDO使用APS层的APSDE-SAP和网络层的NLME-SAP实现这些功能，Zigbee设备对象（ZDO）的功能包括：（1）管理对网络中的设备进行角色设置；（2）对关联请求进行初始化设置；（3）负责设备之间信息传递的安全保障。第3章 系统总体设计方案规划本章主要是讲室内空气质量检测仪设计的总体规划。其中，包括系统的各项性能设想，系统要实现什么样的目标，达到什么样的要求。主要解释了系统的总体的设计方案，包括系统的硬件的思路、焊接步骤和软件编写思路。其中，对系统所使用的各个元器件进行进一步的讲解。3.1 系统功能规划本设计主要是通过传感器、Zigbee模块、上位机程序和安卓手机应用程序搭建一个基于Zigbee无线传感网络的室内空气质量检测仪。空气质量检测仪基于Zigbee的无线传感网络，更加方便、快捷，适用于新房入住和刚装修完的房子的空气质量检测，也可以对室内空气质量进行实时检测，尤其老人、孕妇、儿童等抵抗力弱的人群更加需要。空气质量检测仪需要具备以下功能要求：（1）监测范围广：系统监测需要覆盖区域内的各个范围，每个房间就需要设置一个监测点，人流量大的地方需要加大监测点密度；（2）监测项目多：监测污染物有PM2.5、二氧化硫、氨气、一氧化氮、温湿度、苯的化合物等空气指标；（3）监测频率高：24小时不间断监测，至少每隔十分钟监测一次；（4）数据采集、分析功能：利用传感器自动采集数据，然后通过模数转换等将采集的数据转化成电信号；（5）数据发送、存储功能：通过无线网络将得到的监测信息发送给上位机服务器，并保证监测信息能够实时地存储到服务器中的数据库，便于观测者访问监测信息；（6）监测信息处理功能：监测信息被实时保存到数据库中，相关人员可以通过相应的应用软件高效地访问数据库，得到有关的信息，从而清楚地了解到各地的空气质量情况；（7）反应速度快：系统各模块的处理能力应适应周围空气质量的变化状况，一旦发现空气质量异常,能够快速地作出反应,及时产生报警等有效措施。3.2 系统设计方案根据系统的应用需求，本文设计的室内空气质量检测仪可以分为三层结构：资源层、中间层及应用层，如图3-1所示。图 3-1 室内空气质量检测仪资源层：是该系统设计中的最下面的一层，它保证了系统的正常运行。这层的功能是对硬件进行管制，包括传感器如何进行网络连接，数据的收集、数据的整理等 Ibrahim Al-Adwan, Munaf S. N. Al-D, “The Use of Zigbee Wireless Network for Monitoring and Controlling Greenhouse Climate,” International Journal of Engineering and Advanced Technology,ISSN: 2249-8958, Volume-2, Issue-1, 2012,12:245-247.。各个传感器进行监测时，都会对相关信息进行记录保存（例如监测时间、地点、检测物类型、含量等），这些信息最终会实时存入服务器中的数据库，形成报表形式，便于工作人员查阅。中间层：这是管理传感器网络体系结构的核心层。该层主要包括执行管理、分布式数据挖掘活动和传感器注册表及控制的功能。服务层：服务层可以获取资源层的信息，即是说，允许应用程序访问数据库中存储的关于监测信息的数据，并将这些数据调用到自己的程序中，为己所需。总体设计框架如上所说，它涉及到了很多的学科领域，需要结合庞大的知识体系，才能最终完成该系统的设计任务。由于个人时间和精力有限，加上知识面的局限性，本人重点完成了该系统中的底层（资源层）的设计，实现了数据采集、分析、发送等功能，主要包括资源层硬件电路搭建以及驱动程序的编写。对服务器中的数据库操作以及应用程序的开发还不具备相关经验，因此，在本文的主要内容中没有过多介绍，只是拥有对该系统的整体构想（如上所说），这将是本人或者其他有兴趣者研究的方向。3.2.1 系统的硬件设计传统的空气污染监测方法有定点和移动两种。定点监测，在需要监测的范围内放置监测设备和布线，同时需要有人进行监管。缺点是适应性差，不能随着检测目标的改变而进行变化。移动监测，一般是将监测设备放在可移动的物体上，在监测范围内来回移动，在移动的过程中采集相关数据 洪锋,褚红伟,金宗科,单体江,郭忠文.无线传感器网络应用系统最新进展综述J.计算机研究与发展,2010,S2:81-87.。与定点监测相比，优势还是比较明显，如方便灵活、重组性高、可以根据需要进行改变。本文并结合Zigbee技术的低成本、网络容量大、低功耗、高可靠性等优点，本系统将采用Zigbee组网的方式组成无线传感器网络进行数据传输，将采用部署无线传感器网络定点监测节点的方式对空气污染进行监测。室内空气质量检测仪硬件总体结构如图3-2所示。图 3-2 室内空气质量检测仪硬件总体结构系统主要的硬件设备包括：（1）传感器每个终端节点连接不同的传感器，比如：DHT11、MQ2、MQ135等传感器。根据特定的应用环境选择相应的传感器。这些传感器可以根据所测物质的变化采集数据，转化为电平变化，然后，再经过A/D转化为自己所需要的信号传送给终端节点。（2）终端节点数据监测终端节点主要任务是收集各种传感器采集的信息，包括PM2.5、一氧化碳、二氧化硫、一氧化氮、温湿度等，并适当的处理、管理和存储，最后把这些数据按照Zigbee协议发给路由器，在Zigbee网络中，这些节点可以作为路由器节点中转数据。（3）数据路由器路由器是为了增强Zigbee网络的稳定性而加入到网络中的设备，其主要的作用是看管其他终端节点。它在Zigbee网络中起到承上启下的功能，既要与监测节点通信，接收监测数据，还要跟协调器通信，将数据传给协调器，为不能直接通信的各个节点提供无线中继转发功能，保证数据在传输过程稳定顺畅，使数据能够顺畅地传送到协调上。（4）Zigbee协调器为了减轻Zigbee网络的负担，每个监测网络只有一个协调器。协调器管理整个网络，也可作为路由器使用，它汇集了整个监测网络中传感器采集的数据，并通过USB将这些数据传到电脑上位机上，它是整个Zigbee无线网络的网关，协调器也可以用来协助建立网络中安全层和应用层的绑定(bindings)。协调器的角色主要涉及网络的启动和配臵。（5）电脑上位机电脑通过通过串口转USB程序将电脑的串口进行设置，然后，协调器可以通过USB数据线与电脑连接将传感器采集的数据传给电脑上位机程序。电脑上位机程序是由VC+程序编写的一个数据输出窗口，通过读取串口缓存区得到采集的数据，最后，将数据从窗口中输出。（6）Android手机端安卓终端是在Android开发环境中开发的一个手机应用程序。手机通过下载应用程序并安装就可以接入网络的设备。观测者可以通过设置虚拟服务器，更改路由设置，然后手机通过WiFi使手机客户端访问这个IP地址，最后，与电脑上位机建立一个连接，将数据通过网络传送给手机客户端，从而达到手机查看监测数据。3.2.2 系统的软件设计整个系统的软件主要分为四个部分：数据采集处理、数据传输、数据存储及分析和数据显示。如图3-3所示：图 3-3 软件设计图（1）数据采集处理的软件，主要包括单片机控制传感器对数据的获取、A/D转换、数据储存、与Zigbee通信等过程；（2）数据传输的软件，一是实现无线传感器网络中各个节点之间的通信，二是实现数据集中器通过GPRS与外部服务器之间的通信等；（3）数据存储及分析软件，主要是实现将传感器采集的数据进行管理、分析和存储、提取等功能；（4）数据显示的软件主要制作一个上位机交互软件，观测者可以通过操作软件了解空气污染监测的各种数据，包括历史数据，实时数据，及未来的变化趋势等。3.3 主要元器件的选用3.3.1 CC2530芯片CC2530是可以用于IEEE802.15.4、Zigbee应用的一个真正的片上系统解决方案。它能够以非常低的成本建立强大的网络节点。CC2530芯片是与8051内核兼容，它有3种内存器访问总线。CC2530单片机使用单周期访问SER、DATA、和主SRAM。当CC2530处于空暇模式时，任何中断都可以使其恢复到主动模式。CC2530结合了领先的RE收发器的优良性能，业界标准的增强型8051CPU，系统内可编程闪存。CC2530有32K、64K、128K、256K四种不同的闪存版本。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。除此之外，CC2530具有一个IEEE802.15.4兼容无线收发器。RF内核控制模拟无线模块。无线设备还包括一个数据包过滤模块和地址识别模块 任志健,莫伟健,万智萍. 基于CC2530的Zigb