朱金男,劉冬雪,宋 朝（東北石油大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院,黑龍江 大慶 163318）

基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

朱金男,劉冬雪,宋 朝
（東北石油大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院,黑龍江 大慶 163318）

摘 要：本文基于ZigBee技術(shù)設(shè)計了室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，對室內(nèi)溫度、濕度、煙霧、可燃?xì)怏w等參數(shù)進(jìn)行測量和采集，并對異常情況發(fā)出報警。給出了系統(tǒng)的整體設(shè)計方案，介紹了系統(tǒng)的傳感器選型及控制方案，并對系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)據(jù)測試分析，驗證了系統(tǒng)的穩(wěn)定可行性。

關(guān)鍵詞：ZigBee技術(shù)；環(huán)境監(jiān)測；傳感器

0 引言

ZigBee技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的自組網(wǎng)無線通信技術(shù)，節(jié)點(diǎn)之間可很方便的進(jìn)行組網(wǎng)通信，有效的解決了單點(diǎn)無線傳輸?shù)木嚯x問題。諸多事故的發(fā)生都源于未知，室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測對于生產(chǎn)和生活都具有重大意義。本文為室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測提供了一套完整的解決方案，并給出了相應(yīng)的闡述。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計方案

室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要包括監(jiān)測節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)接收處理主機(jī)。節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)室內(nèi)各項環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測，包括溫濕度檢測模塊、煙霧檢測模塊、可燃?xì)怏w檢測模塊以及PM2.5檢測模塊；采用單片機(jī)負(fù)責(zé)檢測的控制，并將采回的數(shù)據(jù)通過ZigBee模塊送出。ZigBee每個節(jié)點(diǎn)都自動分配唯一的ID，每一個節(jié)點(diǎn)可管理254個子節(jié)點(diǎn)，一共可擴(kuò)展管理多達(dá)65000個節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)處理主機(jī)主要負(fù)責(zé)接收每個監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包含顯示模塊、人機(jī)交互設(shè)置模塊、報警輸出模塊和聯(lián)動控制模塊。系統(tǒng)整體設(shè)計方案如圖1所示，給出了單個節(jié)點(diǎn)的組成框圖和主機(jī)的組成框圖，節(jié)點(diǎn)的個數(shù)可根據(jù)用戶需求進(jìn)行擴(kuò)展。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

基于ZigBee技術(shù)的數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn) 主要采用了DHT11溫濕度傳感器、煙霧傳感器、可燃?xì)怏w傳感器、夏普PM2.5灰塵傳感器。

2.1 溫濕度傳感器

設(shè)計采用數(shù)字溫濕度傳感器DHT11進(jìn)行溫度和濕度的檢測。DHT11是一款復(fù)合型溫濕度傳感器，采用單總線方式直接送出溫度和濕度值，使用時只需要電源和任意一個I/O口配合上拉電阻便可對其操作和訪問。DHT11供電范圍為3.3-5.5V，可以很方便的應(yīng)用于各種單片機(jī)和嵌入式系統(tǒng)。DHT溫度測量范圍為0-50度，濕度為20%-90%RH，完全滿足室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測。

DHT11接口電路如圖2所示。

2.2 氣體傳感器

設(shè)計采用電阻型MQ-2氣體傳感器對空氣中的煙霧和可燃?xì)怏w進(jìn)行檢測。MQ-2氣體傳感器采用二氧化錫氣敏材料進(jìn)行氣體的檢測。二氧化錫在純凈的空氣中電導(dǎo)率很低，一旦空氣中有其他氣體的存在，其電導(dǎo)率隨空氣中氣體的濃度增加而增加，通過簡單的電路便可將氣體濃度信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的電信號。MQ-2傳感器不但對如液化氣、甲烷、氫氣等可燃?xì)怏w靈敏度很高，而且對煙霧也有著理想的響應(yīng)曲線。

MQ-2氣體傳感器測試電路如圖3所示。傳感器需要提供加熱電壓進(jìn)行預(yù)熱，加熱過程大概30秒，然后便可以正常輸出。加熱電壓和電源可采用統(tǒng)一電源供電，選擇合適的負(fù)載電阻即可。

2.3 PM2.5灰塵傳感器

PM2.5檢測采用了日本夏普公司的GP2Y1010AU0F灰塵傳感器，該傳感器電壓輸出與灰塵濃度具有良好的線性關(guān)系。傳感器采用光學(xué)方式進(jìn)行灰塵的檢測，通過控制內(nèi)部LED發(fā)光時間然后檢測對應(yīng)光學(xué)腔內(nèi)接受到的光強(qiáng)，經(jīng)過內(nèi)部相應(yīng)的放大處理從而得到對應(yīng)的電壓。傳感器采用5V供電，輸出電壓范圍為0.75-3.5V，對應(yīng)的灰塵濃度為0-0.5mg/m3，輸出電壓和濃度成一次線性關(guān)系。GP2Y1010AU0F傳感器輸出為模擬電壓，所以需要配合AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，傳感器接口電路如圖4所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

基于ZigBee自組網(wǎng)的特性，無線部分程序設(shè)計變得相對容易，只需要記錄和校驗每個節(jié)點(diǎn)的ID即可進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互。節(jié)點(diǎn)的主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和等待主機(jī)的數(shù)據(jù)發(fā)送請求，當(dāng)收到請求時進(jìn)行ID驗證，若為本機(jī)ID則發(fā)送數(shù)據(jù)，否則繼續(xù)等待，節(jié)點(diǎn)程序流程如圖5所示。主機(jī)的程序設(shè)計主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的請求和接收處理，進(jìn)行顯示、報警、人機(jī)交互和聯(lián)動控制，主機(jī)程序流程如圖6所示。

4 結(jié)論

本文給出了基于ZigBee技術(shù)的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測方案，詳細(xì)的分析了系統(tǒng)的整體設(shè)計方案，對系統(tǒng)的傳感器電路設(shè)計做出了相應(yīng)的介紹，分析了系統(tǒng)的可行性。最終對系統(tǒng)進(jìn)行了整體數(shù)據(jù)采集和通信測試，良好的驗證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，對室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測具有一定的指導(dǎo)意義和參考價值。

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作者簡介：朱金男（1994-）男，黑龍江望奎人，本科，研究方向：嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，智能家居。