基于ZigBee技術(shù)的空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)

【摘要】本文針對我國霧霾天氣頻發(fā)空氣質(zhì)量不斷惡化的情況，設(shè)計了一種基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)以ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)為核心搭配GPRS通訊技術(shù)，通過布置在監(jiān)測區(qū)域的ZigBee節(jié)點(diǎn)驅(qū)動傳感器采集空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，由一個ZigBee協(xié)調(diào)器及多個路由器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個監(jiān)測網(wǎng)，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)整個區(qū)域數(shù)據(jù)收集并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸給遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)管理中心，實(shí)時監(jiān)測空氣質(zhì)量變化并及時發(fā)布空氣質(zhì)量信息。

【關(guān)鍵詞】空氣質(zhì)量監(jiān)測；ZigBee；GPRS；遠(yuǎn)程管理

Abstract：In this paper，our frequent fog and haze situation deteriorating air quality，air quality monitoring system is designed based on ZigBee wireless network technology.The system is the core of ZigBee wireless network with GPRS communication technology，driven by the sensor arrangement of air quality data collected in the ZigBee node monitoring area by a ZigBee coordinator and a number of router nodes constitute a monitoring network，the coordinator is responsible for the entire area of data collectionand through the GPRS network to a remote data center management，real-time monitoring of air quality changes and the timely release of air quality information.

Keyword：Air Quality Monitoring；ZigBee；GPRS；Remote Management

伴隨我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，大氣環(huán)境污染問題也隨之誕生，針對日益嚴(yán)重的大氣污染問題，各種監(jiān)測手段應(yīng)運(yùn)而生。經(jīng)過對現(xiàn)有監(jiān)測手段進(jìn)行詳細(xì)研究后，本文提出一種基于ZigBee技術(shù)的空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)。本系統(tǒng)利用ZigBee技術(shù)進(jìn)行組網(wǎng)，使用GPRS技術(shù)向遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)管理中心發(fā)送監(jiān)測到的數(shù)據(jù)，無需鋪設(shè)電線、電纜等線路，非常適合于對場地線路鋪設(shè)要求苛刻及鋪設(shè)電線困難的地區(qū)，為大氣質(zhì)量監(jiān)測提供了一種新的監(jiān)測方法。

一、ZigBee技術(shù)簡介與系統(tǒng)總體設(shè)計

ZigBee技術(shù)是一種低功、短距離、低成本的無線通信技術(shù)，其PHY層和MAC層協(xié)議為IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)層是由ZigBee技術(shù)聯(lián)盟制定，應(yīng)用層的程序開發(fā)根據(jù)用戶自己的應(yīng)用需要，對其進(jìn)行開發(fā)利用，因此該技術(shù)能夠?yàn)橛脩籼峁C(jī)動、靈活的組網(wǎng)方式[3]。ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)支持三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)主要由帶有傳感器的路由器節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和管理控制中心組成，方案中路由器節(jié)點(diǎn)采用樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分布在某一監(jiān)測區(qū)域，多個路由器節(jié)點(diǎn)與1個協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成1個監(jiān)測子網(wǎng)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過ZigBee協(xié)議與各個路由器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，獲取各個路由器節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)，再通過3G網(wǎng)絡(luò)直接將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程管理控制中心，遠(yuǎn)程管理控制中心配有1臺設(shè)置了固定IP地址的Web通信服務(wù)器，負(fù)責(zé)與各個子檢測區(qū)域協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信，所有采集的數(shù)據(jù)都會保存到數(shù)據(jù)庫中，用戶可以通過終端登錄查看整個系統(tǒng)的運(yùn)行情況，對所有采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計與分析。按照國家標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)將會對空氣當(dāng)中的臭氧、一氧化碳、氮氧化物、二氧化硫、PM2.5、空氣溫濕度、風(fēng)速等參數(shù)。

二、系統(tǒng)硬件設(shè)計

方案中ZigBee節(jié)點(diǎn)采用TI公司生產(chǎn)的CC2530為核心構(gòu)成ZigBee節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)分為路由器節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，其中路由器節(jié)點(diǎn)帶有傳感器模塊用于采集當(dāng)前空氣質(zhì)量參數(shù)并逐級將數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)搭配GPRS無線模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給遠(yuǎn)程服務(wù)器。

（一）路由器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計

路由器節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)的基本單元，以CC2530芯片為核心包括無線通信模塊和傳感器組成，路由器節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

CC2530采用CMOS解決方案，內(nèi)部含有增強(qiáng)型8051內(nèi)核和頻率為2.4GHz的信號發(fā)射器，發(fā)射功率為4.5dBm。CC2530采用可分散的算法，使網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)量減少從而降低能耗，適用于IEEE802.15.4、ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)下的應(yīng)用，可以建立龐大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，而且具有非常低的成本。另外，CC2530整合了一個16位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，可以直接采集傳感器的模擬信號。系統(tǒng)中用到的傳感器有MQ131臭氧傳感器、WSP1110二氧化氮傳感器、2SH12二氧化硫傳感器、MQ7一氧化碳傳感器、GP2Y1010AU粉塵傳感器、DHT21數(shù)字式溫濕度傳感器、三杯式風(fēng)速儀。

方案中，臭氧傳感器、臭氧傳感器、二氧化硫傳感器、二氧化硫傳感器為模擬量輸出采用模塊化設(shè)計，它們的模塊采用同一套電路如圖3一氧化碳模塊電路，電路中加入比較器LM393，當(dāng)被測濃度高于設(shè)定值時DOUT會輸出TTL低電平信號，并引亮LED顯示燈報警。AUTO模擬量輸出直接發(fā)給CC2530芯片，經(jīng)過相應(yīng)處理將數(shù)據(jù)傳送到上級節(jié)點(diǎn)。

GP2Y1010AU粉塵傳感器采用散射法進(jìn)行檢測，即在粉塵性質(zhì)一定的條件下給暗室的浮游粉塵進(jìn)行照射時，粉塵的散射光強(qiáng)與質(zhì)量濃度成正比，利用此原理將散射光強(qiáng)度轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺ㄟ^在芯片中設(shè)定好的程序計算出粉塵的相對質(zhì)量濃度，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后發(fā)給CC2530芯片，供監(jiān)測系統(tǒng)使用。

DHT21數(shù)字式溫濕度傳感器采用復(fù)雜溫濕度傳感技術(shù)和專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測，確保傳感器具有很高的精確性和可靠性。傳感器還包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并有一個高效的數(shù)字式串口輸出。因此該傳感器具有抗干擾能力強(qiáng)、采樣精度高、采樣周期短、性價比極高等優(yōu)點(diǎn)。

三杯式脈沖型風(fēng)速儀采用RS548通訊標(biāo)準(zhǔn)，風(fēng)速越高轉(zhuǎn)速越快輸出的脈沖也越多，CC2530可根據(jù)每秒采集到的脈沖數(shù)判斷風(fēng)速大小，平均1秒12個脈沖對應(yīng)風(fēng)速為1M/S。

（二）協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)是監(jiān)測子網(wǎng)的核心，負(fù)責(zé)收集整個子網(wǎng)的數(shù)據(jù)并通過加裝的GPRS模塊上傳到遠(yuǎn)程服務(wù)器。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

方案中使用的是3G網(wǎng)絡(luò)的GPRS模塊，3G系統(tǒng)采用無線寬帶傳輸技術(shù)具有復(fù)雜的編譯碼及調(diào)制解調(diào)算法、快速功率控制和多址干擾對消智能天線等復(fù)雜技術(shù)，以提供更高的傳輸速率和更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，系統(tǒng)采用SIM5210模塊可提供高達(dá)2Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，支持GSM和WCDMA雙模式模式，內(nèi)嵌標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議棧[4]；共有9種工作模式，各種模式均可通過串口指令進(jìn)行控制和設(shè)置；它通過串口與CC2530構(gòu)成的ZigBee節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要包括路由器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計和管理控制中心軟件設(shè)計3部分。路由器節(jié)點(diǎn)主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送；協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)一方面負(fù)責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的配置和管理并收集各個路由器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，另一方面要將數(shù)據(jù)處理后通過GPRS模塊用3G網(wǎng)絡(luò)發(fā)給管理控制中心；管理控制中心主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲、管理及實(shí)時顯示等功能。

（一）路由器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計

路由器節(jié)點(diǎn)主要功能有：（1）采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，再將數(shù)據(jù)發(fā)送至其父節(jié)點(diǎn)路由器，最終發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)；（2）轉(zhuǎn)發(fā)其來自他路由器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)；（3）接收并轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的指令，例如打開或關(guān)閉傳感器以及調(diào)整采集周期等。

路由器節(jié)點(diǎn)軟件流程如圖5所示，節(jié)點(diǎn)上電后，首先對軟硬件進(jìn)行初始化，然后發(fā)出入網(wǎng)請求，當(dāng)?shù)玫骄W(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的響應(yīng)則成為此網(wǎng)絡(luò)的子節(jié)點(diǎn)，否則再次發(fā)出入網(wǎng)申請直到收到響應(yīng)為止。為降低功耗，路由器節(jié)點(diǎn)采用休眠與喚醒機(jī)制，不工作時處在休眠模式，當(dāng)定時時間到，CPU將會被喚醒讀取傳感器采集到的數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，設(shè)置傳感器的輪詢周期為2秒，采集周期為20秒。如果有消息，CPU將會被中斷叫醒進(jìn)行消息處理；如果到了采樣周期，則進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。消息主要有2種：一種是協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的控制指令，另一種是其他路由器節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)指令。

（二）協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計

首先執(zhí)行初始化，執(zhí)行ZigBee模塊GPRS模塊的通信參數(shù)配置等操作，隨后ZigBee的協(xié)調(diào)器開始掃描空信道用以建立一個新的網(wǎng)絡(luò)。在建立網(wǎng)絡(luò)時頻帶會把幀BEACON_REQ發(fā)送到第一個信道，若在信道內(nèi)有對幀BEACON_REQ進(jìn)行響應(yīng)則表明在該信道內(nèi)已經(jīng)有另外一個ZigBee協(xié)調(diào)器的存在，在確認(rèn)了該信道有響應(yīng)后，則會切換到下一個信道并重復(fù)該過程直到找到1個空的信道并建立網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)建立后就開始接受來自路由器的入網(wǎng)請求，所有路由器入網(wǎng)后，形成完整的監(jiān)測子網(wǎng)接收整個區(qū)域內(nèi)路由器發(fā)來的空氣質(zhì)量參數(shù)。然后再將整個監(jiān)測子網(wǎng)采集到的數(shù)據(jù)通過GPRS模塊發(fā)送給遠(yuǎn)程控制中心。協(xié)調(diào)器程序運(yùn)行流程圖如圖6所示。

（三）管理控制中心軟件設(shè)計

管理控制中心是整個空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的中樞，主要功能是實(shí)現(xiàn)對整個無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)采集數(shù)據(jù)的管理控制。管理控制中心采用C++語言進(jìn)行軟件開發(fā)，利用Oracle數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)管理與存儲，使用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通信并對外提供Web服務(wù)管理控制中心，接收各個監(jiān)測子網(wǎng)節(jié)發(fā)送的數(shù)據(jù)，操作人員通過人機(jī)交互界面進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)對整個系統(tǒng)的管理與數(shù)據(jù)分析等功能。管理控制中心軟件結(jié)構(gòu)如圖7所示。

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作者簡介：

孫華偉（1988—），男，山東泰安人，碩士研究生，現(xiàn)就讀于青島理工大學(xué)，主要研究方向：控制工程。

王素珍（1975—），女，山東青島人，博士，青島理工大學(xué)副教授，主要研究方向：控制理論與控制工程，通訊工程，地理測繪。

溫紀(jì)慶（1989—），男，山東濟(jì)寧人，碩士研究生，現(xiàn)就讀于青島理工大學(xué)，主要研究方向：控制工程。

劉慧敏（1989—），女，山東濰坊人，碩士研究生，現(xiàn)就讀于青島理工大學(xué)，主要研究方向：控制工程。