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基于ZigBee網絡的室內環境監測系統設計

2015-07-28 02:08:48朱金男劉冬雪東北石油大學電子科學學院黑龍江大慶163318
山東工業技術 2015年7期

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。

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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:嵌入式系統應用,智能家居。

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