王軼君

摘 要：本文基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡在室內環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的應用，對整個系統(tǒng)所涉及的軟硬件設備進行了詳細分析，表明基于ZigBee的室內環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)具有維護簡單、擴展與布網(wǎng)靈活等多方面的優(yōu)越性。

關鍵詞：ZigBee;傳感器;室內環(huán)境;監(jiān)測系統(tǒng)

中圖分類號：TN929.5;TP274 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）13-0014-02

Abstract： Based on the application of ZigBee wireless sensor network in indoor environmental monitoring system， the hardware and software equipment involved in the whole system were analyzed in detail， which showed that ZigBee-based indoor environmental monitoring system had superiority of the aspect about simple maintenance， expansion and flexible deployment.

Keywords： ZigBee;sensor;indoor environment;monitoring system

在建筑施工過程中，家裝、家具所帶來的室內環(huán)境污染問題不僅降低了整體的大氣質量，也對人們的生命安全構成了極大威脅，因此，相關部門必須要重視和改善該問題，意識到室內環(huán)境污染問題的嚴峻性，在實際中加強監(jiān)測與治理。但目前，監(jiān)測和治理技術發(fā)展還不成熟，很多地區(qū)依然采用人工采樣、實驗室分析的監(jiān)測方式進行，不僅效率低，而且成本高、耗時長，因此，建筑施工單位急需應用新的監(jiān)測手段。基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡監(jiān)測技術，克服了傳統(tǒng)監(jiān)測的弊端，具有廣闊的應用與發(fā)展前景。

1 室內環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設計

室內環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要由主機中央監(jiān)控、中心節(jié)點、終端分節(jié)點、顯示與傳感器模塊構成，采用基于ZigBee的星型拓撲結構。該監(jiān)測系統(tǒng)適用于傳輸距離近、環(huán)境干擾大、數(shù)據(jù)傳輸大的環(huán)境，主機是核心設備，負責數(shù)據(jù)傳輸與處理，并能夠調節(jié)與控制整體設備，是人機交互的接口，通過RS232接口連接節(jié)點，所有節(jié)點都使用CC2430芯片。通過該芯片所集成的無線收發(fā)模塊，可以實現(xiàn)與終端節(jié)點的實時通信。而終端節(jié)點可以通過傳感器與信號處理模塊，實時對收發(fā)信息進行處理與監(jiān)測，進而達到監(jiān)測室內環(huán)境的目的，從而將所獲得的監(jiān)測參數(shù)上傳至中央監(jiān)測計算機系統(tǒng)內部，實現(xiàn)監(jiān)測信息的傳遞與處理。

1.1 中心節(jié)點設計

中心節(jié)點在整個監(jiān)測系統(tǒng)中是通信與控制的核心載體，借助于RS232串口與其他設備相連接，實現(xiàn)人機交互，從而實現(xiàn)整個系統(tǒng)的高可視性與可控性，實現(xiàn)系統(tǒng)的有效控制與監(jiān)測信息的高效率傳輸。終端節(jié)點所獲得的數(shù)據(jù)皆通過中心節(jié)點進行傳輸與處理，進而起到對系統(tǒng)的調節(jié)與控制功能。在整個系統(tǒng)中，功能模塊設計對整個系統(tǒng)的順利運行起著至關重要的作用，通過設定相關參數(shù)，實現(xiàn)對整體系統(tǒng)報警與調節(jié)的作用。

中心節(jié)點具有多方面的功能模塊，主要包括調節(jié)輸出、報警、顯示等，這些模塊保證了中心節(jié)點在整個系統(tǒng)中的關鍵作用。調節(jié)輸出模塊依托于光電隔離、耦合作用，與外圍驅動電路連接，有效實現(xiàn)了整體設計中所涉及的設備調節(jié)與控制，從而實現(xiàn)設備整體的自動調節(jié)與控制功能。報警模塊通過借助P0.3接口與驅動電路，當光、聲設備超過預定參數(shù)設定時發(fā)出預警。顯示模塊則可以根據(jù)供電情況選擇LCD顯示器或LED顯示器。一旦局域網(wǎng)絡系統(tǒng)脫離中央系統(tǒng)獨立運作，將會在功能按鍵作用下，借助顯示模塊傳輸相關信息，實現(xiàn)中心節(jié)點與終端設備的實時通信，實現(xiàn)對整體監(jiān)測系統(tǒng)的控制，而中心節(jié)點負責上傳下達的主機數(shù)據(jù)傳輸，起著重要的紐帶作用。

1.2 終端子節(jié)點設計

終端節(jié)點是帶有傳感器的網(wǎng)絡子節(jié)點，負責對室內環(huán)境參數(shù)如溫度、濕度、光照、甲醛等進行實時監(jiān)測，因此必須借助數(shù)字式傳感器與輔助電路等硬件，包含信號處理電路等。本文所概述的整個系統(tǒng)采用數(shù)字傳感器模塊，其中，溫濕度傳感器為SHT11，獨特的接口設計滿足了傳感器模塊需要。根據(jù)系統(tǒng)整體運行與終端節(jié)點情形，還可以選擇功能模塊，如顯示、報警等模塊，用于監(jiān)測過程中光、聲提示、參數(shù)設定等。中心節(jié)點與終端節(jié)點之間所存在的上下行數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了最終監(jiān)測數(shù)據(jù)的上傳下達，保證了監(jiān)測結果的實時與高效傳輸，保證了主機在監(jiān)測中發(fā)揮重要作用。終端節(jié)點運行依托于電池供電。ZigBee技術的優(yōu)越性體現(xiàn)在其節(jié)能設計上，運行功耗低，休眠模式下的能耗極低，可以通過外部或定時中斷功能實現(xiàn)RTC喚醒系統(tǒng)，在待機模式下，電能消耗低，保證了電池的使用壽命。

2 室內環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設計

2.1 中心節(jié)點程序設計

中心節(jié)點程序設計復雜且種類繁多，涉及主程序、數(shù)據(jù)巡回采集與處理子程序、顯示與報警子程序及鍵盤掃描程序等。主程序需要結合整體系統(tǒng)的功能模塊進行設計，要確保中心節(jié)點與主機系統(tǒng)結合運行，注意避免中心節(jié)點脫離主機的工作狀態(tài)。因此，設計中要符合主從工作模式，還要實現(xiàn)顯示、報警等中斷服務。中心節(jié)點主程序通過主動模式，按照固定順序從終端節(jié)點獲得所需數(shù)據(jù)。

2.2 終端節(jié)點程序設計

終端節(jié)點的重要功能是實現(xiàn)傳感器連接，其主程序在開始后即進入了初始化階段，使終端節(jié)點連續(xù)讀取多個傳感器狀態(tài)與參數(shù)，并將最終運算結果加以存儲與顯示。在讀取傳感器數(shù)據(jù)后，管理部門需要檢查中心節(jié)點數(shù)據(jù)，如果不存在呼喚，則返回檢測傳感器的最初狀態(tài);否則就進行子程序的數(shù)據(jù)調用過程，多次進行后進入下一輪的數(shù)據(jù)采集過程。如果讀取的數(shù)據(jù)信息超過了系統(tǒng)本身的限制，則需要中斷服務子程序。

3 檢測結果及分析

本次實驗采用PCB天線，ZigBee無線網(wǎng)絡的通信距離理論值控制在10cm以內，但傳輸距離受到其他因素制約，因此，為了延長傳輸距離，可以使用帶鞭狀天線的射頻模塊或者CC2591。對于不同對象與不同傳感器模塊，本文以溫濕度傳感節(jié)點為研究對象，分析了整體室內環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的功能，并針對該實驗的測試結果，實現(xiàn)了對室內溫濕度指標的實時監(jiān)測。在本實驗中，所使用的溫濕度傳感器為SHT11型號的溫度、濕度測量設備，通過該數(shù)字傳感器，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)在主機系統(tǒng)的最終顯示。通過顯示結果，可以直接進行傳感器數(shù)據(jù)分析與利用，直觀觀測濕度與電池電壓的實時變化;濕度顯示精度更高，達到了小數(shù)點后兩位;溫度變化范圍更大，可顯示零度以下，能夠滿足更多的觀測需求。

根據(jù)實驗結果，溫度為20.23℃，相對濕度為50%。溫度誤差控制在±0.5℃范圍內，而濕度誤差控制在5%以內。由實驗結果可得，溫濕度傳感器所監(jiān)測的數(shù)據(jù)滿足室內環(huán)境監(jiān)測的實際需求。實驗顯示，主機顯示的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)隨著室內環(huán)境的變化而變化，但當監(jiān)測參數(shù)超過規(guī)定限制時，整個系統(tǒng)會及時響應，對超限參數(shù)等發(fā)出報警。

4 結語

有關結果顯示，ZigBee技術在室內環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的應用突破了傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測方式的局限性，實現(xiàn)了監(jiān)測過程的高效性，具有極強的可操作性，且維護簡單、適用性強，在一定程度上降低了施工成本，提高了監(jiān)測效率，實現(xiàn)了室內環(huán)境管理的智能化與現(xiàn)代化，具有一系列技術優(yōu)勢。因此，在未來，該監(jiān)測技術具有廣闊的應用前景，通過完善該技術，能夠擴寬其應用領域，創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。

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