基于ZigBee網絡的室內環境監測系統設計

朱金男,劉冬雪,宋 朝（東北石油大學電子科學學院,黑龍江 大慶 163318）

基于ZigBee網絡的室內環境監測系統設計

朱金男,劉冬雪,宋 朝
（東北石油大學電子科學學院,黑龍江 大慶 163318）

摘 要：本文基于ZigBee技術設計了室內環境監測系統，對室內溫度、濕度、煙霧、可燃氣體等參數進行測量和采集，并對異常情況發出報警。給出了系統的整體設計方案，介紹了系統的傳感器選型及控制方案，并對系統進行了數據測試分析，驗證了系統的穩定可行性。

關鍵詞：ZigBee技術；環境監測；傳感器

0 引言

ZigBee技術是近幾年發展起來的自組網無線通信技術，節點之間可很方便的進行組網通信，有效的解決了單點無線傳輸的距離問題。諸多事故的發生都源于未知，室內環境的監測對于生產和生活都具有重大意義。本文為室內環境參數的監測提供了一套完整的解決方案，并給出了相應的闡述。

1 系統整體設計方案

室內環境監測系統主要包括監測節點和數據接收處理主機。節點主要負責室內各項環境參數的數據采集和監測，包括溫濕度檢測模塊、煙霧檢測模塊、可燃氣體檢測模塊以及PM2.5檢測模塊；采用單片機負責檢測的控制，并將采回的數據通過ZigBee模塊送出。ZigBee每個節點都自動分配唯一的ID，每一個節點可管理254個子節點，一共可擴展管理多達65000個節點。數據處理主機主要負責接收每個監測節點的數據，對數據進行處理，包含顯示模塊、人機交互設置模塊、報警輸出模塊和聯動控制模塊。系統整體設計方案如圖1所示，給出了單個節點的組成框圖和主機的組成框圖，節點的個數可根據用戶需求進行擴展。

2 系統硬件設計

基于ZigBee技術的數據采集節點 主要采用了DHT11溫濕度傳感器、煙霧傳感器、可燃氣體傳感器、夏普PM2.5灰塵傳感器。

2.1 溫濕度傳感器

設計采用數字溫濕度傳感器DHT11進行溫度和濕度的檢測。DHT11是一款復合型溫濕度傳感器，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，可以很方便的應用于各種單片機和嵌入式系統。DHT溫度測量范圍為0-50度，濕度為20%-90%RH，完全滿足室內環境的監測。

DHT11接口電路如圖2所示。

2.2 氣體傳感器

設計采用電阻型MQ-2氣體傳感器對空氣中的煙霧和可燃氣體進行檢測。MQ-2氣體傳感器采用二氧化錫氣敏材料進行氣體的檢測。二氧化錫在純凈的空氣中電導率很低，一旦空氣中有其他氣體的存在，其電導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換成對應的電信號。MQ-2傳感器不但對如液化氣、甲烷、氫氣等可燃氣體靈敏度很高，而且對煙霧也有著理想的響應曲線。

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行預熱，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一電源供電，選擇合適的負載電阻即可。

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系。傳感器采用光學方式進行灰塵的檢測，通過控制內部LED發光時間然后檢測對應光學腔內接受到的光強，經過內部相應的放大處理從而得到對應的電壓。傳感器采用5V供電，輸出電壓范圍為0.75-3.5V，對應的灰塵濃度為0-0.5mg/m3，輸出電壓和濃度成一次線性關系。GP2Y1010AU0F傳感器輸出為模擬電壓，所以需要配合AD轉換器進行數據的采集，傳感器接口電路如圖4所示。

3 系統軟件設計

基于ZigBee自組網的特性，無線部分程序設計變得相對容易，只需要記錄和校驗每個節點的ID即可進行數據的交互。節點的主要負責數據的采集和等待主機的數據發送請求，當收到請求時進行ID驗證，若為本機ID則發送數據，否則繼續等待，節點程序流程如圖5所示。主機的程序設計主要負責數據的請求和接收處理，進行顯示、報警、人機交互和聯動控制，主機程序流程如圖6所示。

4 結論

本文給出了基于ZigBee技術的室內環境監測方案，詳細的分析了系統的整體設計方案，對系統的傳感器電路設計做出了相應的介紹，分析了系統的可行性。最終對系統進行了整體數據采集和通信測試，良好的驗證了系統的穩定性和可靠性，對室內環境的監測具有一定的指導意義和參考價值。

參考文獻：

[1]徐君麗,劉冀偉,王志良.基于無線網絡的智能監控系統設計與實現[J].微計算機信息,2005,21(06):5-7.

[2]苗連強,胡會萍.基于ZigBee技術的溫室環境遠程監測系統設計[J].儀表技術與傳感器, 2010(10):108-110.

[3]萬力,王鵬.基于ZigBee技術的溫濕度監測網絡設計與實現[J].低壓電器, 2010:30-33.

[4]景軍鋒,李嘉琨.基于ZigBee技術的無線溫度采集系統[J]. 微型機與應用, 2009(23):33-35.

[5]王東,張金榮.利用ZigBee技術構建無線傳感器網絡[J]. 重慶大學學報(自然科學版), 2006,29(08):95-110.

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