齊 雨

（燕山大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，河北 秦皇島 066000）

基于ZigBee無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的空氣粉塵顆粒監(jiān)控系統(tǒng)

齊 雨

（燕山大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，河北 秦皇島 066000）

隨著無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的不斷成熟發(fā)展，針對(duì)日益嚴(yán)重的霧霾問(wèn)題，文章設(shè)計(jì)了基于ZigBee無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的空氣粉塵顆粒監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)由多個(gè)終端模塊，ZigBee網(wǎng)絡(luò)與PC端構(gòu)成。終端模塊采用粉塵傳感器收集數(shù)據(jù)并通過(guò)控制器定時(shí)采集數(shù)據(jù)；ZigBee網(wǎng)絡(luò)以CC2530為主控芯片，運(yùn)行ZigBee/PRO協(xié)議棧構(gòu)建無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)透?jìng)?；通過(guò)USB接口轉(zhuǎn)串口實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的通信，并使用上位機(jī)軟件和串口調(diào)試助手進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析、顯示和共享。該系統(tǒng)成本低廉、性能穩(wěn)定，能準(zhǔn)確顯示空氣質(zhì)量信息，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

ZigBee技術(shù)；環(huán)境監(jiān)測(cè)；CC2530

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和環(huán)保意識(shí)的提高，環(huán)境問(wèn)題開(kāi)始逐漸受到人們的關(guān)注。在中國(guó)大部分，特別是工業(yè)集中的華北地區(qū)，PM 2.5占到了整個(gè)空氣懸浮顆粒物重量的大半，PM 2.5已經(jīng)成為“空氣質(zhì)量指數(shù)”（AQΙ）中的一項(xiàng)重要監(jiān)測(cè)指數(shù)。但由于室內(nèi)外環(huán)境差異、一天內(nèi)不同時(shí)間段指數(shù)差異等因素，用戶(hù)無(wú)法及時(shí)掌握周?chē)h(huán)境的pm 2.5實(shí)時(shí)指數(shù)。而無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)由于具有高度的靈活性、模塊化和可擴(kuò)展性等特點(diǎn)，能很好地解決有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)成本高、布線(xiàn)難等問(wèn)題，滿(mǎn)足用戶(hù)及時(shí)掌握周邊粉塵濃度的需求。

因此，本文結(jié)合ZigBee技術(shù)設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee技術(shù)的空氣粉塵顆粒監(jiān)控系統(tǒng)，構(gòu)建了一個(gè)多傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)終端節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)傳輸，并將數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳到上位機(jī)顯示并保存。該系統(tǒng)具有靈活性、可擴(kuò)展性等優(yōu)點(diǎn)。

1 ZigBee技術(shù)概述

ZigBee技術(shù)是一種新興的低復(fù)雜度、低功耗、低成本、低傳輸速率的雙向無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。它由ZigBee聯(lián)盟制定，主要適合于短距離、承載數(shù)據(jù)流量小、數(shù)據(jù)傳輸速率低的無(wú)線(xiàn)通信，并能嵌入到各種通信設(shè)備中去[1]。它基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個(gè)微小傳感器間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信。ZigBee網(wǎng)絡(luò)通常由協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點(diǎn)3種節(jié)點(diǎn)組成，可以實(shí)現(xiàn)星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其優(yōu)勢(shì)有以下幾點(diǎn)。

1.1 低成本

ZigBee協(xié)議較其他無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的協(xié)議簡(jiǎn)單，對(duì)通信設(shè)備要求也較低，降低了器件成本。且ZigBee協(xié)議是免專(zhuān)利費(fèi)的，降低了研發(fā)和生產(chǎn)成本。

1.2 低功耗

ZigBee的傳輸速率低，發(fā)射功率小，傳輸信息量小，且在不工作時(shí)進(jìn)入休眠狀態(tài)，電流僅有100 μA。在同等條件下工作時(shí)長(zhǎng)可以達(dá)到W iFi或藍(lán)牙時(shí)長(zhǎng)的數(shù)十倍甚至數(shù)百倍。

1.3 大容量

一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可容納255個(gè)設(shè)備，其中有一個(gè)主設(shè)備，將一個(gè)區(qū)域內(nèi)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)相連，最多可容納超過(guò)64 000個(gè)節(jié)點(diǎn)。

1.4 自動(dòng)組網(wǎng)

系統(tǒng)協(xié)調(diào)器初始化一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)器自動(dòng)給路由器分配地址，無(wú)需人工干預(yù)，模塊若掉電，網(wǎng)絡(luò)可自動(dòng)修復(fù)，在任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)指定地址的方式傳送。

2 系統(tǒng)工作原理

本系統(tǒng)由終端模塊、協(xié)調(diào)器和PC端3部分組成，采用終端模塊和協(xié)調(diào)器無(wú)線(xiàn)通信的ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。系統(tǒng)工作原理如圖1所示。首先協(xié)調(diào)器同過(guò)USB接口與PC機(jī)相連，協(xié)調(diào)器上電后創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)等待終端節(jié)點(diǎn)。終端模塊由粉塵傳感器、控制器和終端節(jié)點(diǎn)組成，由粉塵傳感器采集空氣粉塵濃度數(shù)據(jù)并將其發(fā)送給控制器處理，控制器通過(guò)串口周期性地將數(shù)據(jù)傳給終端節(jié)點(diǎn)。終端節(jié)點(diǎn)加入?yún)f(xié)調(diào)器創(chuàng)建的網(wǎng)絡(luò)后便可通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)定時(shí)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送給PC端。

圖1 系統(tǒng)工作原理

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集、控制和傳輸3部分模塊組成，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。采集模塊通過(guò)粉塵傳感器收集數(shù)據(jù)，由控制器模塊定時(shí)收集和處理數(shù)據(jù)，再通過(guò)串口將信息傳遞給數(shù)據(jù)傳輸模塊，雖然數(shù)據(jù)傳輸模塊采用的cc2530芯片自帶8051單片機(jī)，但為了擁有更快的數(shù)據(jù)處理速度，故專(zhuān)門(mén)設(shè)置了控制器模塊。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊采用了夏普（GP2Y1010AU0F）粉塵傳感器來(lái)采集空氣中的粒子濃度。夏普（GP2Y1010AU0F）粉塵傳感器，是一款光學(xué)空氣質(zhì)量傳感器，設(shè)計(jì)用來(lái)感應(yīng)空氣中的塵埃粒子，其內(nèi)部對(duì)角安放著紅外線(xiàn)發(fā)光二極管和光電晶體管，使得其能夠探測(cè)到空氣中塵埃反射光，可測(cè)量0.8微米以上的微小粒子。它不僅可探測(cè)粒子濃度，還可以根據(jù)煙霧與灰塵的特點(diǎn)鑒別其種類(lèi)。隨著粒子濃度的變化，其輸出電壓不斷變化，煙是連續(xù)地表現(xiàn)出較高的輸出電壓，灰塵是間隔地表現(xiàn)出較高的輸出電壓。因此，根據(jù)傳感器的輸出電壓值（發(fā)光素子和已同期的脈沖輸出電壓值）在時(shí)間上的推移向微機(jī)軟件的讀取，是否無(wú)塵/是否有煙/是否有灰塵，不管是哪種狀態(tài)，空氣污染的程度是多少，都可以進(jìn)行檢出。

3.2 控制器模塊

控制器模塊采用了宏晶科技生產(chǎn)的STC12C5A60S2/ AD/PWM 系列單片機(jī)。STC12C5A 60S2/AD/PWM系列單片機(jī)是宏單時(shí)鐘/機(jī)器周期（1T）的單片機(jī)，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8～12倍。內(nèi)部集成 M AX 810專(zhuān)用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換（250K/S）,針對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場(chǎng)合價(jià)格低，支持A/D，PWM數(shù)據(jù)采集，可以滿(mǎn)足模擬/數(shù)字輸入。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。STC12C5A60S2/AD/PWM系列單片機(jī)能夠快速處理從傳感器收集來(lái)的數(shù)據(jù)并通過(guò)串口傳給無(wú)線(xiàn)傳輸模塊。

3.3 無(wú)線(xiàn)傳輸模塊

ZigBee無(wú)線(xiàn)透?jìng)髂K主要實(shí)現(xiàn)串口轉(zhuǎn)ZigBee無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)透明傳輸。它基于TI公司

CC2530F256芯片，增加了射頻收發(fā)前端CC2591，內(nèi)部運(yùn)行ZigBee2007/PRO協(xié)議棧，具有ZigBee協(xié)議的全部特性。針對(duì)復(fù)雜的ZigBee協(xié)議，本模塊將協(xié)議棧嵌入模塊內(nèi)部，只留出串口，用戶(hù)無(wú)需了解ZigBee協(xié)議棧，只需要讀寫(xiě)串口，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線(xiàn)傳輸，簡(jiǎn)單易用。CC2530是TI公司在2.4 GHz頻段推出的第二代支持ΙEEE 802.15.4/ZigBee協(xié)議的片上系統(tǒng)（System On a Chip，SOC）芯片。其內(nèi)部集成了高性能射頻（Radio Frequency，RF）收發(fā)器，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)型 8051 MCU 內(nèi)核、256 KB Flash ROM（Read-Only Memory）和8 KB RAM（Random Access Memory）[2]。其十分適于低功耗、低傳輸速率的系統(tǒng)。

圖3 STC12C5A60S2內(nèi)部結(jié)構(gòu)

由于CC2530芯片的發(fā)射功率很小，接收靈敏度也不高，這就限制了其傳輸距離。為滿(mǎn)足實(shí)際通信距離需求，本系統(tǒng)增加了射頻收發(fā)前端CC2591來(lái)增大通信距離。CC2591是TI公司生產(chǎn)的工作在2.4G Hz的RF收發(fā)器、發(fā)送器及SOC。CC2591可以通過(guò)一個(gè)功率放大器（Power Am plifier，PA）來(lái)提供較高的輸出功率，通過(guò)低噪聲放大器（Low Noise Amplifier，LNA）來(lái)改善接收機(jī)的靈敏度，從而可以改善鏈路的估算[3]。

3.3.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)接收終端模塊傳來(lái)的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳遞給PC端處理。其包括微控制器模塊、射頻收發(fā)模塊、USB轉(zhuǎn)串口模塊、LED顯示、按鍵等部分。微控制器模塊和射頻收發(fā)模塊分別采用了CC2530芯片和CC2591收發(fā)器，其具體信息已在前文介紹，這里不再贅述；USB轉(zhuǎn)串口模塊可將ZigBee模塊的串口轉(zhuǎn)化為USB接口，無(wú)需外部供電，直接利用USB口供電及數(shù)據(jù)傳輸（虛擬串口）；LED顯示部分指示網(wǎng)絡(luò)的連接狀況。其大體硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)

3.3.2 終端節(jié)點(diǎn)

終端節(jié)點(diǎn)接受控制器模塊傳來(lái)的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。其包括微控制器模塊、射頻收發(fā)模塊、串口、LED顯示、電源管理等部分。微控制器模塊和射頻收發(fā)模塊與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)相同；串口部分作為微控制器與控制器模塊數(shù)據(jù)傳遞的渠道；LED顯示部分表示節(jié)點(diǎn)是否加入或退出網(wǎng)絡(luò)；由于終端節(jié)點(diǎn)無(wú)需將串口轉(zhuǎn)為USB接口，便不能通過(guò)USB接口供電，故需電源管理部分。終端節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 終端節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件部分主要有IAR編程環(huán)境和ZigBee2007/ PRO協(xié)議棧組成。ZigBee協(xié)議架構(gòu)是在IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上構(gòu)建的。IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了ZigBee協(xié)議的物理層（Physical Layer，PHY Layer）和媒體訪(fǎng)問(wèn)控制層（Media Access Control，M AC）；而ZigBee聯(lián)盟定義了ZigBee協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層（Network Layer，NWKL），應(yīng)用層（Application Layer，APL）和安全服務(wù)規(guī)范[4-5]。

4.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

一個(gè)ZigBee系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建，首先需要啟動(dòng)協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器上電后進(jìn)行硬件初始化，并對(duì)協(xié)議棧初始化。然后進(jìn)行能量檢測(cè)，并通過(guò)掃描信道選擇一個(gè)合適的信道，獲得唯一的PAN ID、網(wǎng)絡(luò)短地址等信息，成功建立網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)收到其他節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)的信息時(shí)，若地址空間未滿(mǎn)，協(xié)調(diào)器自動(dòng)為節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)地址（16位）；節(jié)點(diǎn)成功加入網(wǎng)絡(luò)后便向協(xié)調(diào)器定時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給PC端。具體程序如圖6所示。

圖6 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序

4.2 終端節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)主要從控制模塊接收傳感器采集的數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)器。終端節(jié)點(diǎn)首先發(fā)現(xiàn)合適的網(wǎng)絡(luò)，并向協(xié)調(diào)器發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)的請(qǐng)求。成功加入網(wǎng)絡(luò)后，便會(huì)周期性地將數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器。其具體程序如圖7所示。

4.3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、顯示和存儲(chǔ)傳感器數(shù)據(jù)，其軟件設(shè)計(jì)是在VS2010編譯環(huán)境下開(kāi)發(fā)的。上位機(jī)可以對(duì)串口進(jìn)行通信設(shè)置和通信狀態(tài)設(shè)置，將串口打開(kāi)并設(shè)置好通信串口狀態(tài)后，上位機(jī)可通過(guò)串口接收從協(xié)調(diào)器發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)包，并進(jìn)行數(shù)據(jù)包的解析和分析。其可將數(shù)據(jù)以數(shù)字和圖形的形式實(shí)時(shí)顯示在界面上，并能夠?qū)?shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢(xún)。

5 系統(tǒng)測(cè)試

選取某間空曠較大的房間進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，將測(cè)試節(jié)點(diǎn)布置好并上電預(yù)熱后，首先對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能否正常工作進(jìn)行測(cè)試，由usb轉(zhuǎn)串口驅(qū)動(dòng)器得到的虛擬端口號(hào)為com6，com6向66 7E發(fā)送01 02 03 04 05 06數(shù)據(jù)內(nèi)容（命令格式：0xFD+數(shù)據(jù)長(zhǎng)度+目標(biāo)地址+數(shù)據(jù)內(nèi)容）測(cè)試結(jié)果如圖8所示，com1可接收到上述數(shù)據(jù)。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，為使實(shí)驗(yàn)效果圖更加明顯，在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后點(diǎn)燃一支煙，并在20秒后熄滅煙頭，具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果如圖9所示。

6 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)空氣粉塵檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際需求，以CC2530為主控芯片，采用粉塵傳感器周期性采集數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并顯示采集點(diǎn)的空氣質(zhì)量信息，并匯總保存于數(shù)據(jù)庫(kù)中。經(jīng)測(cè)試，該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)獲取用戶(hù)周邊環(huán)境的粉塵顆粒濃度，且工作穩(wěn)定，精確度高，隨著無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的發(fā)展，該系統(tǒng)會(huì)有寬廣的發(fā)展空間。

圖7 終端節(jié)點(diǎn)的程序

圖8 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信測(cè)試

圖9 監(jiān)控中心頁(yè)面

[1]王風(fēng).基于CC2530的 ZigBee 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2012．

[2]Texas Ιnstrument.CC2530 Datasheet[J].Digital Content Society，2009（3）：3.

[3]SLETTE E, PASZOWSKΙ M.Using CC2591 Frontend w ith CC2530/1 Datasheet[J].Texas Ιnstrument，2010（10）：4.

[4]ZigBee A lliance.ZigBee Specification[J].ZigBee A lliance，2005（1）：209-245.

[5]程春榮.基于ZigBee技術(shù)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].杭州：杭州電子科技大學(xué)，2009.

Air dust particle monitoring system based on ZigBee w ireless communication technology

Qi Yu
（Ιnformation Science and Engineeering College of Yanshan University, Qinhuangdao 066000, China）

With the continue development of w ireless communication technology, aim ing at increasing serious dust problem, this paper design an air dust monitoring system based on ZigBee w ireless technology. The system is composed of multiple term inal modules, ZigBee network and a PC port. The term inal module adopts dust sensor to collect data and through controller to collect data on time; ZigBee network w ith CC2530 as the main control chip, running ZigBee/PRO protocol stack to build w ireless network, realizing node to node or point to multi-point transm ission between points., through USB interface to realize the PC communications to PC machine, and using the upper computer software and serial bugging supporter to further store, analyze, display and share the data. The system is low cost, stable performance, can accurately display the air quality information, which meets the design requirements.

ZigBee technology; environmental monitoring; CC2530

齊雨（1997— ），女，河北邢臺(tái)。