基于ZigBee的霧霾采集系統設計與實現

李 偉，左常玲

（安徽三聯學院 電子電氣工程學院，安徽 合肥230601）

近幾年城市經濟社會的快速發展，人口規模和數量的不斷擴大，機動車用戶數量的不斷持續增長，以及公共交通資源的匱乏使得城市化機動水平的不斷提高，導致大量的尾氣排放和工業污染.全國多地出現PM2.5“爆表”的現象，環保專家認為一般冬季因為激增的采暖能耗排放量，平均人口集中的北部地區城市大氣污染物積聚連續幾天可能達到重度污染，在中國南方的大部分城市經常出現生產量高和交通運輸排放量高的情況，一旦這種情況發生就有可能導致城市重度污染.專家認為中國的機動車是城市的主要污染源之一.近日數據調查表明，中國大氣污染的主要來源之一就有機動車輛的尾氣排放.眾所周知機動車輛的尾氣排放物是導致灰霾、光化學煙霧污染現象的重要緣由.

霧霾不僅造成了城市交通擁擠，激化了交通供需的矛盾，加大了城市道路系統壓力，越來越使有限的城市道路資源無法承載其壓力，同時也是導致城市空氣污染日益嚴重的重要來源之一，不僅在生活上給市民帶來諸多不便，而且嚴重影響到市民的健康.筆者主要研究可實時的監測某一地區的PM2.5值.整個系統是以單片機CC2530作為系統主控，添加輔助器件霧霾傳感器組成簡易的無線分布式霧霾監測系統.在設計程序時采用C語言為電路配置功能.系統的設計思路是利用ZigBee模塊、PC、霧霾傳感器等基本硬件元件構成電路從而實現霧霾的實時監測功能.具體工作原理是霧霾傳感器將各個采集節點的PM2.5值通過ZigBee協議無線發送至協調器，然后在上位機界面顯示.整個設計是利用電子技術以及物聯網技術，實現的環境實時監測系統.

1 系統設計方案

系統方案設計包括：傳感部分，采集部分以及上位機顯示部分.系統可以實現無線接收數據以及顯示多點霧霾數據等功能.系統的核心控制單元是CC2530單片機，無線收發數據方式采用的是ZigBee技術.使用了ZigBee協議棧的Sample App工程進行點播，3個傳感節點分別使用了霧霾傳感器，適時地對各個地區進行PM2.5值檢測.將檢測到的數據發送至采集部分，最后通過PC在上位機上顯示，設計方案見圖1.

方案中單片機CC2530作為主控芯片，配合簡單的外圍電路，使系統設計達到最優化，系統方案設計的優點是低成本、低功耗.系統設計由硬件和軟件兩部分.電源同時給系統單片機和霧霾傳感器供電，傳感部分由ZigBee模塊和霧霾傳感器組成.霧霾傳感器采集到的數據通過ZigBee協議發送給采集模塊，而采集部分由ZigBee模塊和電腦，再通過MAX232將接收到的數據在特定的上位機界面顯示.系統方案電路設計簡約，功能模塊電路能夠實現無線多點霧霾數據顯示功能.

圖1 系統方案設計

2 硬件電路設計

系統硬件設計電路包含中央處理單元CPU（CC2530）、傳感模塊單元、采集模塊單元、霧霾傳感器電路單元、上位機顯示單元，整體系統的閉合電路設計簡單，穩定性強.接下來分別介紹各個控制電路的功能實現及其在系統電路中的工作原理.

（1）CPU.CC2530的8位處理器完全可以滿足設計要求，具有超有效、高靈活、低功耗的特點.CC2530具有IEEE802.15.4規范的無線收發器.RF內核操控模擬無線模塊.此外，它擁有MCU和無線設備之間的接口，這能讓它可以發出命令，讀取狀態，無線設備的自動操作，并決定執行命令的順序.CC2530主控微型器，是一種低消耗功率和安全性高的8位微處理器，此芯片具有8位數據處理能力，在全球范圍內廣泛應用.CC2530內部的微處理單元主要負責傳感器節點的內存分配、操作、采集信號的轉換和梳理、數據存儲等.

（2）傳感模塊單元.主要是由ZigBee模塊和霧霾傳感器以及電源模塊3部分構成.監測區域內的數據和信息的轉換及發送都是由傳感模塊單元來采集實現的.

（3）電源模塊.一般的酸性電池都有寄放時間不宜過長和電壓不平穩的通病，然而在系統設計中選擇的堿性鋅錳電池恰恰克服了這兩個缺陷，是目前鋅錳電池系列中性能最好的一種.因為9 V堿性鋅錳電池具有大電流和連續放電性能優越兩大優點，根據該電池生產商介紹與普通的鋅錳電池測試對比，容量比其大好多，在同等環境下，9 V堿性鋅錳電池比普通的電池一次性連續放電時間高達3～8倍.產品密封過程中，長期連續放電不會泄漏，保質期長，儲存過程中自放電低，低溫性能.不易更換的產品被廣泛應用于煙霧報警器，一氧化碳報警器，以及其他要求比如很長的電池續航時間.同時CC2530是一款低功耗的芯片，兩節干電池可以維持6～24個月，故此也是系統的電源模塊首選.通過AMS1117將9 V的電壓轉換成3.3 V給模塊供電，而通過7805將9 V電壓轉換成5 V電壓給傳感器供電.

（4）LED模塊.在基于ZigBee協議無線分布式霧霾采集系統中LED部分用來表明系統的工作狀態，其外接4個LED燈，LED1接的是P1_0口（LED燈顯示的顏色是綠色）；LED2接的是P1_1口（LED燈顯示的顏色是紅色）；LED3接的是P1_4口（LED燈顯示的顏色是黃色，在這里是當做網絡指示燈用途，當協調器上的LED3在閃爍時，表明ZigBee網絡正在建立；當協調器上的LED3常亮時，表明ZigBee網絡已經建立完成.當傳感模塊上的LED3在閃爍時，表明正在加入ZigBee網絡；當傳感模塊上的LED3在常亮時，表明已經完成加入ZigBee網絡）；LED4接的是P0_1口（LED燈顯示的顏色是藍色）.

（5）霧霾傳感器模塊.是由霧霾傳感器DSM501以及電源模塊構成.該霧霾傳感器能夠感知到煙草、煙霧和花粉，灰塵顆粒等.通過加熱自動進氣裝置將空氣中顆粒吸收到監測區內，通過調節可調電阻的大小，來改變檢測物體的大小.系統設計的霧霾傳感器通過運用與粒子計算器相同原理，測算出單位體積顆粒數目的相對個數，當然由于成本低，精確度也相對的不是很高，但對于市民用戶來說已經很合適了，做不到工業級別的精確究其原因還是成本過高.

（6）ZigBee模塊.設計采用的數據通訊模式就是主從通訊模式，通過協調器（主機）建立ZigBee無線高頻網絡，然后給節點模塊供電，此時節點模塊（從機）開始加入該網絡，然后將傳感器采集到的霧霾數據通過該網絡傳送至協調器（主機）.

（7）串口通訊及顯示模塊.基于ZigBee協議無線分布式霧霾監測系統通過MAX3232通信將協調器（主機）接收到的霧霾數據上傳至電腦，然后通過特定的上位機界面顯示各個節點的霧霾情況.上位機顯示界面（沒有調試時的直觀圖）見圖2.

圖2 上位機主界面

3 系統調試及功能測試

3.1 硬件調試

分別對單個模塊進行測試，對不滿足設計要求的地方進行改進.對電源模塊的穩定性進行檢測，測量輸出電壓值，以確保供電的穩定.對霧霾傳感器模塊的靈敏度進行檢測，進行實地測試，選取適當的靈敏度以正常情況狀態下檢測要求.對獨立模塊測試完畢后，再對整體模塊進行測試，確保模塊之間的協調，消除模塊之間的干擾，對整體硬件系統進行優化.

3.2 軟件調試

硬件調試沒有問題后就可以進行系統程序部分調試，這部分由各個模塊的程序組成，在程序測試時前進行總體測試，對出現的問題進行單獨測試，即屏蔽其他模塊程序，對特定程序進行檢測，最后對整體程序進行綜合測試.對程序中有問題或有沖突的地方進行修改對程序進行優化.

通過以上軟硬件調試后確定沒有測試錯誤，然后將系統的完整程序燒寫到ZigBee模塊上（每次燒寫時必須標記號節點標號），而傳感模塊與協調器模塊所燒寫的程序是不一樣的.燒寫好以后，將傳感模塊分別置于三個不同的位置且每個模塊之間距離超過2米，然后將協調器上的USB插頭連接在電腦的USB端口上，打開上位機且設置到參數（COM口以及波特率）.然后打開協調器上的電源，再逐次打開傳感模塊的電源.等到傳感模塊已經加入到協調器建立的ZigBee網絡時，上位機界面會顯示各個節點處的霧霾值.為了測試每個節點傳輸的PM2.5值是否在改變，可以通過向依次向每個霧霾傳感器吹點著的香煙氣體，然后觀測對應的上位機上顯示節點處的數據是否改變.然后依次進行測試，觀察每個節點是否成功向協調器傳輸霧霾數值.

在軟件調試過程中遇到從節點發送過來的數據在上位機上顯示出現亂碼，不可以同時在幾個上位機窗口同時顯示數據，出現了在三個上位機窗口出現一樣的數據現象，經過仔細排查發現問題不是單片機燒寫的程序問題，也不是上位機的問題，而是沒有將節點發送過來的數據與上位機窗口一一對應，以此類推，就出現了上述的情況.為了解決上述問題，采取的辦法是分別在發送的程序與上位機程序加了校驗碼.

3.3 測試結果

對測試數據進行分析，測試數據與理論數據相一致.經過多次調試各模塊工作正常能夠達到實際要求，能夠實現設計的全部功能和執行各種指令.系統軟硬件結合測試仿真結果見圖3.

圖3 系統測試結果

從結果可看出有3個節點框圖，每一個節點框圖代表一個被采集地點的霧霾情況，用戶可以打開串口將接收到的十六進制數據包，根據計算公式（十進制高字節×256+十進制低字節）后可得到PM2.5的值，就可直觀的了解到此時此地的PM2.5情況，做出合理的出行安排.根據《環境空氣質量指數（AQI）技術規定（試行）》（HJ 633—2012）規定：空氣污染指數根據PM2.5的濃度（PM2.5的濃度為測試數據×0.1，單位為ug/m3）劃分為六檔，對應于空氣質量的六個級別，指數越大，級別越高，說明污染越嚴重，對人體健康的影響也越明顯.

4 結語

系統設計完成了無線分布式霧霾監測系統的全開發過程，進行了整個體系設計測試，根據實際需要各個開發模塊之間進行了協調.標準的微處理器和系統界面的各個模塊，嚴格遵循國家有關標準，以PM2.5為探討對象，對其進行采集進而通過ZigBee網絡無線傳輸至協調器再由電腦上的上位機顯示，從而能夠為人們在出行和旅游時候提供更加有序、健康、高效，為基于ZigBee協議無線分布式霧霾采集系統提供了設計理念.