基于ZigBee技術的室內環境智能監測系統設計

摘 要：為了提高室內環境監測的智能化和自動化水平，設計了一款基于ZigBee技術的室內環境監測系統。該系統選用CC2530為核心控制器，由終端節點和協調器節點組成。終端節點與各傳感器相連接，能夠測量室內的溫度、濕度、有毒氣體和空氣質量等，并且可以通過ZigBee通信技術實現與協調器節點間的通信。系統可以通過TFT液晶顯示器對室內溫度、濕度和空氣質量等數據進行直觀顯示。當系統檢測到有毒氣體時，會立即觸發蜂鳴器報警。協調器通過串口通信的方式，將采集到的溫度、濕度和空氣質量等數據傳輸到PC端。在PC端，采用Visual Basic 6.0開發監控界面，不僅可以實時顯示采集到的數據，還具備歷史數據查詢功能。完成系統的硬件和軟件設計后，對系統進行運行測試。測試結果表明，系統能夠高效實現對室內環境的實時監測，并且具備結構簡單、操作便捷、可擴展性強等優點，能夠為提升室內環境質量提供有力的技術支撐。

關鍵詞：ZigBee；CC2530控制器；空氣質量監測；溫濕度監測；有毒氣體監測；Visual Basic 6.0

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）03-000-05

0 引 言

辦公室、教室及住宅等室內場所，是人們工作、學習、生活的重要場所[1]。隨著經濟和社會的發展，民眾生活水平不斷提升，人們對室內場所，特別是住宅環境的關注度日益上升，安全、舒適、健康的室內環境成為人們關注的熱點[2-4]。適宜的溫度和濕度是營造室內舒適環境的關鍵因素。空氣污染會嚴重影響身體健康，特別是PM2.5等微小顆粒物可以通過呼吸道直接進入人體肺部[5]。此外，煤氣、天然氣等可燃性氣體已廣泛應用在家庭烹飪、熱水制備過程中，這些有毒氣體一旦泄漏，不僅會危害人們的身體健康，甚至可能危及生命。因此，設計一個高效的室內環境監測系統顯得尤為重要。

ZigBee技術是一種低成本、低功耗、高可靠性、高安全性的無線通信技術，被廣泛應用于醫療、農業、智能家居、樓宇自動化、煤礦等領域[6-7]。本文基于ZigBee技術設計了一款室內環境監測系統，可采集室內的溫度、濕度、有毒氣體和空氣質量指數等數據，并且能夠通過TFT液晶顯示器進行直觀顯示。系統具備報警機制，一旦檢測到有毒氣體，會立即觸發蜂鳴器報警。此外，系統還可以通過上位機進行監測和管理。該系統不僅實現了對室內環境的實時監測，為調控室內環境提供了數據支持，而且通過采用無線通信的方式，還可以有效避免有線布置所產生的繁瑣和不美觀等問題，極大地方便了對室內多點環境數據的測量。此外，該系統還具備組網方便、擴展性強的優點。

1 系統總體設計

室內環境智能監測系統采用ZigBee技術，以CC2530為控制器，主要由電源模塊、溫濕度測量模塊、空氣質量測量模塊、有毒氣體測量模塊、顯示模塊、報警模塊、上位機監測界面組成。系統總體設計框架如圖1所示。

電源模塊：系統采用兩種供電方案，一種是通過降壓電路，將5 V電源轉換為穩定的3.3 V，再進行供電；另一種是通過2節5號電池進行供電。

溫濕度測量模塊：采用數字式溫濕度傳感器DHT11測量室內空氣溫濕度。

空氣質量測量模塊：采用GP2Y1010AU0F傳感器測量室內粉塵濃度。

有毒氣體測量模塊：采用MQ-2氣體傳感器測量室內有毒氣體。

顯示模塊：采用TFT液晶顯示屏實時顯示室內環境參數值以及空氣質量等級。

報警模塊：當檢測到有毒氣體時，觸發蜂鳴器報警。

上位機監測界面：上位機與協調器采用串口通信，采用Visual Basic 6.0設計監測界面，能夠實時顯示室內溫度、濕度和空氣質量等數據，并提供歷史數據查詢功能。

2 硬件電路設計

2.1 電源電路設計

系統采用兩種供電方案，一種是采用5 V電源，并通過AMS1117-3.3穩壓器將其轉換為3.3 V的輸出電壓[8-9]，如圖2（a）所示；另一種是通過2節5號電池進行供電，并通過TPS60210芯片將電池電壓轉換成3.3 V的輸出電壓，如圖2（b）所示[10-11]。

2.2 溫濕度測量電路設計

采用單總線、數字式溫濕度傳感器DHT11測量室內溫度和濕度，并以數字信號的形式輸出，溫度測量范圍為0～50 ℃，濕度測量范圍[12]為20%～90%RH。DHT11具有VCC（電源正）、DATA（數據傳輸）、NC（空腳）、GND（接地）等4個引腳，溫濕度測量電路如圖3所示，DATA引腳與CC2530的引腳相連接。

2.3 空氣質量測量電路設計

采用夏普公司開發的GP2Y1010AU0F灰塵傳感器測量室內PM2.5指數。GP2Y1010AU0F傳感器是一款光學灰塵濃度檢測傳感器，內部成對角分布的紅外發光管和光電晶體管利用光敏原理來工作。其具有6個引腳，引腳功能見表1，空氣質量測量電路[13-14]如圖4所示。

2.4 有毒氣體測量電路設計

采用煙霧傳感器MQ-2測量室內煤氣、天然氣等有毒氣體，具體測量電路如圖5所示[15-16]。該傳感器有數字量輸出（DO）和模擬量輸出（AO）輸出兩種形式。鑒于本文的應用場景中僅需在檢測到有害氣體時觸發蜂鳴器報警，而無需精確讀取具體數值，因此僅采用數字量的輸出方式。MQ-2傳感器的DO輸出端與CC2530的P0_4引腳相連。

2.5 顯示與報警電路設計

采用TFT液晶彩屏顯示室內環境參數，該顯示屏由多個LED單體組成，尺寸為1.44英寸，分辨率為128 × 128，128個LED單體排成一行，共128行。采用SPI串口與CC2530通信，共有6個引腳，電路連接如圖6所示。當檢測到室內有有毒氣體時，觸發蜂鳴器報警，報警電路如圖7所示。

3 軟件設計

在硬件設計的基礎上，進一步完成室內環境監測系統的軟件設計。軟件設計包括終端節點程序設計、協調器節點程序設計和上位機程序設計。其中，終端節點、協調器節點的程序設計基于ZigBee 2007（Z-Stack）協議棧和IAR開發環境實現；上位機的程序設計則通過Visual Basic 6.0開發軟件來完成。

3.1 室內環境測量程序設計

溫濕度傳感器DHT11采用單總線與CC2530通信，每次發送5個字節（40位）數據，按照高位在前、低位在后的順序傳輸，數據格式為：1個字節濕度整數+1個字節濕度小數+1個字節溫度整數+1個字節溫度小數+1個字節校驗和；由于DHT11的分辨率只能到個位，所以濕度和溫度的小數部分為0；校驗和是前4個字節的和，用于校驗數據傳輸的準確性。

采用MQ-2煙霧傳感器進行有毒氣體測量，并選擇數字量輸出模式。MQ-2傳感器配備有靈敏度調節旋鈕，可根據需求設定閾值。CC2530的P0_4引腳被指定為檢測引腳，當測量到有毒氣體體積分數高于所設定的閾值時，P0_4引腳輸出低電平。此時，CC2530通過P0_4引腳輸出的低電平來驅動蜂鳴器發出聲音進行報警。

采用GP2Y1010AU0F灰塵傳感器測量室內PM2.5指數，其輸出為電壓值，需要進行A/D轉換。通過CC2530的ADC模塊將電壓值轉換為數字量，用于數據的顯示和傳輸。采用多次讀取A/D轉換值并求平均值的方法提高測量數據的準確性，文中取10次轉換值求平均值，程序流程如圖8所示。

3.2 顯示程序設計

采用1.44英寸的TFT液晶顯示屏顯示環境溫度、濕度、空氣質量指數以及空氣質量等級，顯示程序流程如圖9所示。

3.3 終端節點程序設計

終端節點承擔著室內環境數據的全面測量任務，其主要功能包括：數據采集與顯示、將采集到的環境數據傳輸到協調器節點、在采集到有毒氣體時觸發蜂鳴器報警。終端節點上電后，首先進行系統初始化；隨后搜索周圍是否存在ZigBee網絡；如果成功搜索到網絡，終端節點會立即向協調器發出加入網絡的請求；加入成功后，每隔5 s向協調器發送采集到的環境數據。終端節點程序設計流程如圖10所示。

3.4 協調器節點程序設計

協調器節點是網絡的管理者。協調器節點上電后，首先進行系統初始化；隨后建立ZigBee網絡，等待終端節點的入網請求；入網成功后，給新入網的設備分配網絡地址；接收終端節點發送的室內環境數據并顯示[17-18]。協調器節點與上位機通過串行口進行通信，并向上位機發送環境數據。協調器節點程序設計流程如圖11所示。

3.5 上位機程序設計

采用可視化編程軟件Visual Basic 6.0編寫上位機監控界面。利用MSCOMM控件可以很方便地實現與協調器的串口通信。上位機監控界面由串口設置、報警值設置、溫度顯示、濕度顯示、空氣質量顯示、歷史數據查詢等部分組成。

串口設置：在組合框中添加了串口號，用于選擇串口；“打開串口”按鈕在串口打開成功后，名稱變為“關閉串口”，指示燈變成綠色，再次點擊該按鈕，串口關閉，按鈕名稱變為“打開串口”，指示燈顏色變為紅色。

報警值設置：設置溫度、濕度的上限和下限。

溫度顯示：顯示當前室內溫度，并通過指示燈的顏色表示當前溫度是否處于設定范圍內，綠色表示在設定范圍內，紅色表示不在設定范圍內。

濕度顯示：顯示當前室內濕度，并通過指示燈的顏色表示當前濕度是否處于設定范圍內，綠色表示在設定范圍內，紅色表示不在設定范圍內。

空氣質量顯示：顯示空氣質量指數，不同空氣質量等級的字體顏色不同，“一級優秀”字體顏色為綠色，“二級良好”字體顏色為黃色，“輕度污染”字體顏色為橙色，“中度污染”字體顏色為紅色，“重度污染”字體顏色為紫色，“嚴重污染”字體顏色為褐紅色。

歷史數據查詢：查詢室內環境歷史數據。

4 系統測試

完成硬件電路設計、軟件程序編寫和上位機界面設計后，對系統進行聯合調試。給終端節點和協調器節點上電，在Visual Basic 6.0中點擊運行，在串口設置中根據電腦硬件串口號在列表中選擇相應的串口號，點擊“打開串口”按鈕，串口指示燈變為綠色，表示串口被打開，按鈕名稱變為“關閉串口”。在報警值設置中，設置溫度、濕度的上限和下限。在溫度、濕度和空氣質量的顯示欄中可以看到室內環境數據。空氣質量等級不同，其字體的顏色也不同。終端節點、協調器節點和上位機的運行情況如圖12所示。

點擊“歷史數據查詢”按鈕可以查看室內環境歷史數據，如圖13所示。

5 結 語

本文基于ZigBee技術，以CC2530為控制器設計了一款室內環境智能監測系統。該系統由終端節點、協調器節點、上位機監測界面組成，具有室內溫度、濕度、空氣質量實時測量和顯示以及有害氣體的檢測、報警等功能。本文詳細闡述了系統硬件、軟件和上位機監測界面的設計思路，并對系統進行了運行測試。運行結果表明：本文設計的室內環境監測系統能夠高效地對室內環境進行實時監測，并且具備結構簡單、界面清晰、操作便捷等優點，具有較大的應用價值。

注：本文通訊作者為祖一康。

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