一種基于ZigBee的家居環(huán)境質(zhì)量評測系統(tǒng)的設(shè)計

吳沛+張珣

摘 要 隨著人們生活水平的不斷提高，環(huán)境污染問題顯得越發(fā)突出，家居的環(huán)境也越來越重要。傳統(tǒng)的分布式環(huán)境監(jiān)測，擴(kuò)展性差，布線麻煩，影響美觀，線路易被老化，或腐蝕。針對傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)布線復(fù)雜，可拓展性差的不足，文章將ZigBee技術(shù)與傳感器網(wǎng)絡(luò)相融合，設(shè)計了一套基于ZigBee的家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)通過ZigBee終端節(jié)點(diǎn)采集居室傳感器數(shù)據(jù)信息，在居室內(nèi)部建立ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，將傳感器信息由ZigBee協(xié)調(diào)器模塊傳給系統(tǒng)的主控器，并最終將數(shù)據(jù)顯示到QT界面中。

關(guān)鍵詞 ZigBee；嵌入式；環(huán)境監(jiān)測；QT

中圖分類號：TP332 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）13-0024-03

近年來，隨著科技的發(fā)展，人們生活水平不斷的提高，一個安全，方便，舒適的生活環(huán)境越來越為人們所向往。而控制領(lǐng)域的快速發(fā)展，使這些要求完全被滿足?，F(xiàn)有的家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，有很多是采用有線的方式進(jìn)行傳感器網(wǎng)絡(luò)的組建。這類方案擴(kuò)展性差，布線麻煩，影響美觀，線路易被老化，或腐蝕。即使布線選擇嵌入墻壁內(nèi)，更換起來也十分不方便。采用無線方式構(gòu)建家庭環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，則可以避免不必要的麻煩。而且采用無線方式相對靈活，在室內(nèi)范圍內(nèi)，傳感器節(jié)點(diǎn)可以依據(jù)要求隨意安放。家居環(huán)境監(jiān)測一直未得到廣泛應(yīng)用的一個主要原因就是現(xiàn)在的無線產(chǎn)品價格相對較高，使其的推廣遇到了很大阻力[1]。

近年來，人類在微電子機(jī)械系統(tǒng)、無線通訊、數(shù)字電路方面取得了巨大成就，使得發(fā)展低功耗，低成本，小體積，短距離無線通訊的傳感器成為可能，ZigBee的出現(xiàn)就解決了這些問題。由于ZigBee技術(shù)是一種近距離、低功耗、低復(fù)雜度、低成本的雙向無線通訊技術(shù)，主要用于短距離、功耗要求低的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行的數(shù)據(jù)傳輸，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的最佳之選，相比于其他無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)更適合于組建家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[2]-[3]。

1 系統(tǒng)分析

文章設(shè)計了一種基于ZigBee技術(shù)的家居環(huán)境質(zhì)量評測系統(tǒng)，構(gòu)建了一個監(jiān)測室內(nèi)空氣質(zhì)量，以及溫濕度的傳感網(wǎng)絡(luò)。通過ZigBee技術(shù)連接各傳感器節(jié)點(diǎn)，對居室的空氣質(zhì)量以及溫濕度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，監(jiān)測的數(shù)據(jù)由協(xié)調(diào)器通過串口發(fā)送至主控器，用戶可通過顯示屏的QT操作界面看到經(jīng)過處理后的數(shù)據(jù)信息，以及標(biāo)準(zhǔn)情況下的數(shù)據(jù)信息。該系統(tǒng)具有通訊速率高、實(shí)時性強(qiáng)、價格低廉、擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)。

家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)[4]結(jié)構(gòu)主要包括3種網(wǎng)絡(luò)：傳感器網(wǎng)絡(luò)、ZigBee網(wǎng)絡(luò)[5-6]和主控器網(wǎng)絡(luò)。

傳感器網(wǎng)絡(luò)主要包括甲醛傳感器[7-8]、一氧化碳傳感器、空氣質(zhì)量傳感器、以及溫濕度傳感器[9]。負(fù)責(zé)采集設(shè)備狀態(tài)信息和各種傳感器的環(huán)境參數(shù)。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)采集傳感器上的信息、家庭的無線自組網(wǎng)、以及與主控機(jī)進(jìn)行通信。

主控器網(wǎng)絡(luò)通過串口采集ZigBee發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，然后將得到的電壓信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量送入S3C2440進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，最后在液晶屏上顯示測量結(jié)果，以便于分析。

2 硬件設(shè)計

1）采集模塊。

數(shù)據(jù)采集應(yīng)用傳感器采集居室環(huán)境待測參數(shù)，居室環(huán)境信息包括居室的甲醛濃度、溫度、濕度、PM2.5、CO含量。

①甲醛傳感器。甲醛傳感器采用的是一款原裝進(jìn)口的半導(dǎo)體式VOC氣體傳感器MS1100，具有極高的靈敏度和穩(wěn)定性，能夠偵測0.1ppm 以上的氣體，適用于檢測空氣中的甲醛、苯、二甲苯等多種有機(jī)揮發(fā)成分，同時具有體積小巧、價格便宜、響應(yīng)速度，能夠很好的幫助提高室內(nèi)生活環(huán)境質(zhì)量。

圖1 甲醛傳感器模塊電路

圖1為甲醛傳感器的檢測模塊，MS1100由微型陶瓷管、敏感層，測量電極和加熱器構(gòu)成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼制成的腔體內(nèi)，加熱器為氣敏元件提供了必要的工作條件。封裝好的氣敏元件有6只針狀管腳，1，3，4，6用于信號取出2，5腳用于提供加熱電流。Aout表示為模擬信號輸出端，該輸出需要接ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)換，輸出范圍不同的傳感器輸出有差異；Dout表示為電平信號輸出端，當(dāng)濃度達(dá)到設(shè)定值時，Dout會取反，然后發(fā)出警報。通過對Aout端的電壓信號進(jìn)行測量，我們可以得到濃度與電壓的對應(yīng)關(guān)系，見表1。

表1 甲醛濃度與電壓的關(guān)系

Con.

（ppm） Output（Volt） Con.

（ppm） Output（Volt）

0 1.00 70 2.72

5 1.90 80 2.79

10 2.06 90 2.84

15 2.17 100 2.89

20 2.26 120 2.99

25 2.33 140 3.07

30 2.39 160 3.15

35 2.45 180 3.22

40 2.49 200 3.29

45 2.54 250 3.44

50 2.58 300 2.58

60 2.66 350 3.70

一氧化碳傳感器，空氣質(zhì)量檢測傳感器的監(jiān)測方法與甲醛傳感器類似。

②溫濕度傳感器。系統(tǒng)中的溫濕度傳感器采用了DHT11溫濕度傳感器，是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它采用專用的數(shù)字采集技術(shù)和溫濕度感應(yīng)技術(shù)，確保產(chǎn)品具有卓越的長期與穩(wěn)定性極高的可靠性[10]。

圖2 溫濕度傳感器原理

DATA用于DHT11與微處理器之間的通訊，采用單總線數(shù)據(jù)格式，一次通訊時間為4 ms左右，數(shù)據(jù)分整數(shù)部分和小數(shù)部分，具體格式如下面說明，當(dāng)前小數(shù)部分用于以后的擴(kuò)展，現(xiàn)讀出為零。操作流程如下：endprint

一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為40位，高位先出。

數(shù)據(jù)格式：8位濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8位濕度小數(shù)數(shù)據(jù)

+8位溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8位溫度小數(shù)數(shù)據(jù)

+8位校驗(yàn)和

數(shù)據(jù)傳送正確時校驗(yàn)和數(shù)據(jù)等于“8位濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8位濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8位溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8位溫度小數(shù)數(shù)據(jù)”所得結(jié)果的末8位。

用戶MCU發(fā)送了一次開始信號后，DHT11從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式，等待主機(jī)開始信號結(jié)束后，DHT11發(fā)送響應(yīng)信號，送出40位的數(shù)據(jù)，并觸發(fā)一次信號采集，用戶可選擇讀取部分?jǐn)?shù)據(jù)。從模式下，DHT11接收開始信號以后，觸發(fā)一次溫濕度采集，如果沒有接收到主機(jī)發(fā)送開始信號，DHT11不會主動采集溫濕度。采集數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)換為低速模式。

2）ZigBee網(wǎng)絡(luò)。

針對智能家居中環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計要求，ZigBee網(wǎng)絡(luò)由終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器兩部分組成，采用星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖3所示。通過傳感器模塊采集到的環(huán)境信息，與終端節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行通信。終端節(jié)點(diǎn)采集設(shè)備狀態(tài)信息和環(huán)境參數(shù)，以及對家庭的設(shè)備進(jìn)行控制，并與協(xié)調(diào)器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)建立家庭網(wǎng)絡(luò)，接收終端設(shè)備的數(shù)據(jù)，與控制器進(jìn)行通信，并將控制命令發(fā)送至終端節(jié)點(diǎn)。

圖3 ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3）主控模塊。

主控模塊如圖4所示。S3C2440通過串口來接收協(xié)調(diào)器發(fā)送過來的數(shù)據(jù)。并對其他的硬件進(jìn)行控制。音頻口接音頻設(shè)備進(jìn)行語音播報提醒等。觸摸屏負(fù)責(zé)進(jìn)行人機(jī)交互，顯示監(jiān)測到的氣體以及溫濕度的相關(guān)信息。無線通信模塊負(fù)責(zé)各個嵌入式終端之問的通信。SD卡作為數(shù)據(jù)存儲設(shè)備?？偟膩碚f，用戶可以通過嵌入式終端上的界面來查看房間廚房等地方的空氣質(zhì)量狀況，以及溫濕度情況，通過空調(diào)、窗戶等設(shè)備來改善家庭的環(huán)境狀況。

圖4 主控器模塊硬件框圖

3 軟件設(shè)計

1）ZigBee 組網(wǎng)設(shè)計。

圖5 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)流程

圖5是協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的工作流程，ZigBee的組網(wǎng)主要是由ZigBee的協(xié)調(diào)器和向ZigBee的節(jié)點(diǎn)相互傳輸組成的。主要是用一個ZigBee作為主控器，向這個ZigBee 下載協(xié)調(diào)器的程序；再向其余的ZigBee下載節(jié)點(diǎn)程序，從而實(shí)現(xiàn)一個ZigBee 控制多個ZigBee的傳輸過程。以下是ZigBee組網(wǎng)部分的程序。

static void zb_BuildNet（void）；

static void Choose_CtrolType（void）；

static void Process_Coor_Cmd（void）；

static void Show_Coor_info（void）；

static void Show_Temp（void）；

static void Show_Humidity（void）；

static void Show_Ch2o（void）；

static void Show_Co（void）；

static void Show_Pm（void）；

2）傳感器數(shù)據(jù)采集處理。

傳統(tǒng)的污染氣體濃度測量一般為單次單點(diǎn)測量，不能對某個區(qū)域的平均濃度進(jìn)行估測。由于系統(tǒng)鋪設(shè)的ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)需要覆蓋整個被監(jiān)測區(qū)域，所以可同時對多點(diǎn)進(jìn)行多次測量。本系統(tǒng)中用戶主要關(guān)心被監(jiān)測區(qū)域的濃度最高值和平均濃度值，采用的方法是被監(jiān)測區(qū)域的所有傳感器節(jié)點(diǎn)在一個采樣周期中將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)往協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。

傳感器采集數(shù)據(jù)處理過程如圖6所示，假設(shè)被監(jiān)測區(qū)域有N個傳感器節(jié)點(diǎn)，xi代表第i個傳感器節(jié)點(diǎn)采樣值，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)可按公式（1）計算被監(jiān)測區(qū)域的平均濃度concentration：

（1）

根據(jù)傳感器采集到的一系列數(shù)據(jù)，我們可以通過MATLAB進(jìn)行非線性擬合，得到電壓與濃度的關(guān)系函數(shù)：concentration= 1/10^（ volt ^2/8 - （191* volt）/125 + 2631/1000）。實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)和根據(jù)函數(shù)得到數(shù)據(jù)之間的誤差比較如圖7所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)和預(yù)測函數(shù)得到數(shù)據(jù)之間的誤差比較

3）界面設(shè)計。

系統(tǒng)在Qt/Embedded的基礎(chǔ)上進(jìn)行傳感器采集數(shù)據(jù)的顯示，實(shí)現(xiàn)對各類傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)施監(jiān)測。

圖8 家居環(huán)境監(jiān)測主界面

圖8為家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的主界面，可以點(diǎn)擊進(jìn)入查看室內(nèi)空氣質(zhì)量以及溫濕度的實(shí)施狀況。選擇啟動報警時，按鈕會變成灰色，當(dāng)室內(nèi)實(shí)時環(huán)境數(shù)據(jù)超出閾值，則會發(fā)出警報。

圖9 空氣質(zhì)量監(jiān)測界面

圖9為空氣質(zhì)量的監(jiān)測界面，前面一欄會實(shí)施更新空氣質(zhì)量狀況。當(dāng)濃度超出標(biāo)準(zhǔn)值的時候，則會發(fā)出警報。此時可以選擇打開門窗或者檢查下室內(nèi)煤氣等設(shè)備的狀況。

圖10 溫濕度監(jiān)測界面

圖10為空氣質(zhì)量的監(jiān)測界面，前面一欄會更新溫濕度的狀況。當(dāng)超出設(shè)置的環(huán)境閾值后，會自動控制家里的空調(diào)，風(fēng)扇等設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)。如果希望改變當(dāng)前的最舒適環(huán)境值時，也可以選擇下方的按鈕進(jìn)行調(diào)節(jié)。

4 結(jié)束語

筆者提出一種家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計方案，系統(tǒng)能準(zhǔn)確地測量空氣質(zhì)量狀況以及溫濕度信息，并將這些信息傳送至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，并在ARM終端的顯示屏上顯示出監(jiān)測到的數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)以S3C244O作為硬件基礎(chǔ)，Linux操作系統(tǒng)作為軟件基礎(chǔ)，采用ZigBee技術(shù)構(gòu)建的無線家庭控制網(wǎng)絡(luò)，并結(jié)合傳感器的使用，能對室內(nèi)進(jìn)行多點(diǎn)連續(xù)測量，且無需對室內(nèi)布線作任何改動。僅通過增加終端節(jié)點(diǎn)就可增加控制的容量，擴(kuò)展方便，具有測量準(zhǔn)確、實(shí)時性強(qiáng)、價格低廉、擴(kuò)展性能好的特點(diǎn)。endprint

參考文獻(xiàn)

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作者簡介

吳沛（1990-），男，江蘇鎮(zhèn)江人，杭州電子科技大學(xué)在讀碩士，研究方向?yàn)橹悄茈娮酉到y(tǒng)集成。endprint

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作者簡介

吳沛（1990-），男，江蘇鎮(zhèn)江人，杭州電子科技大學(xué)在讀碩士，研究方向?yàn)橹悄茈娮酉到y(tǒng)集成。endprint

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作者簡介

吳沛（1990-），男，江蘇鎮(zhèn)江人，杭州電子科技大學(xué)在讀碩士，研究方向?yàn)橹悄茈娮酉到y(tǒng)集成。endprint