朱金男,劉冬雪,宋 朝(東北石油大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院,黑龍江 大慶 163318)
基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)
朱金男,劉冬雪,宋 朝
(東北石油大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院,黑龍江 大慶 163318)
摘 要:本文基于ZigBee技術(shù)設(shè)計(jì)了室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng),對(duì)室內(nèi)溫度、濕度、煙霧、可燃?xì)怏w等參數(shù)進(jìn)行測量和采集,并對(duì)異常情況發(fā)出報(bào)警。給出了系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案,介紹了系統(tǒng)的傳感器選型及控制方案,并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)據(jù)測試分析,驗(yàn)證了系統(tǒng)的穩(wěn)定可行性。
關(guān)鍵詞:ZigBee技術(shù);環(huán)境監(jiān)測;傳感器
ZigBee技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的自組網(wǎng)無線通信技術(shù),節(jié)點(diǎn)之間可很方便的進(jìn)行組網(wǎng)通信,有效的解決了單點(diǎn)無線傳輸?shù)木嚯x問題。諸多事故的發(fā)生都源于未知,室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測對(duì)于生產(chǎn)和生活都具有重大意義。本文為室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測提供了一套完整的解決方案,并給出了相應(yīng)的闡述。
室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要包括監(jiān)測節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)接收處理主機(jī)。節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)室內(nèi)各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測,包括溫濕度檢測模塊、煙霧檢測模塊、可燃?xì)怏w檢測模塊以及PM2.5檢測模塊;采用單片機(jī)負(fù)責(zé)檢測的控制,并將采回的數(shù)據(jù)通過ZigBee模塊送出。ZigBee每個(gè)節(jié)點(diǎn)都自動(dòng)分配唯一的ID,每一個(gè)節(jié)點(diǎn)可管理254個(gè)子節(jié)點(diǎn),一共可擴(kuò)展管理多達(dá)65000個(gè)節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)處理主機(jī)主要負(fù)責(zé)接收每個(gè)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù),對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,包含顯示模塊、人機(jī)交互設(shè)置模塊、報(bào)警輸出模塊和聯(lián)動(dòng)控制模塊。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案如圖1所示,給出了單個(gè)節(jié)點(diǎn)的組成框圖和主機(jī)的組成框圖,節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)可根據(jù)用戶需求進(jìn)行擴(kuò)展。
基于ZigBee技術(shù)的數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn) 主要采用了DHT11溫濕度傳感器、煙霧傳感器、可燃?xì)怏w傳感器、夏普PM2.5灰塵傳感器。
2.1 溫濕度傳感器
設(shè)計(jì)采用數(shù)字溫濕度傳感器DHT11進(jìn)行溫度和濕度的檢測。DHT11是一款復(fù)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(shí)只需要電源和任意一個(gè)I/O口配合上拉電阻便可對(duì)其操作和訪問。DHT11供電范圍為3.3-5.5V,可以很方便的應(yīng)用于各種單片機(jī)和嵌入式系統(tǒng)。DHT溫度測量范圍為0-50度,濕度為20%-90%RH,完全滿足室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測。
DHT11接口電路如圖2所示。
2.2 氣體傳感器
設(shè)計(jì)采用電阻型MQ-2氣體傳感器對(duì)空氣中的煙霧和可燃?xì)怏w進(jìn)行檢測。MQ-2氣體傳感器采用二氧化錫氣敏材料進(jìn)行氣體的檢測。二氧化錫在純凈的空氣中電導(dǎo)率很低,一旦空氣中有其他氣體的存在,其電導(dǎo)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(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的電信號(hào)。MQ-2傳感器不但對(duì)如液化氣、甲烷、氫氣等可燃?xì)怏w靈敏度很高,而且對(duì)煙霧也有著理想的響應(yīng)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(jìn)行預(yù)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(tǒng)一電源供電,選擇合適的負(fù)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(guān)系。傳感器采用光學(xué)方式進(jìn)行灰塵的檢測,通過控制內(nèi)部LED發(fā)光時(shí)間然后檢測對(duì)應(yīng)光學(xué)腔內(nèi)接受到的光強(qiáng),經(jīng)過內(nèi)部相應(yīng)的放大處理從而得到對(duì)應(yīng)的電壓。傳感器采用5V供電,輸出電壓范圍為0.75-3.5V,對(duì)應(yīng)的灰塵濃度為0-0.5mg/m3,輸出電壓和濃度成一次線性關(guān)系。GP2Y1010AU0F傳感器輸出為模擬電壓,所以需要配合AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集,傳感器接口電路如圖4所示。
基于ZigBee自組網(wǎng)的特性,無線部分程序設(shè)計(jì)變得相對(duì)容易,只需要記錄和校驗(yàn)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的ID即可進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互。節(jié)點(diǎn)的主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和等待主機(jī)的數(shù)據(jù)發(fā)送請(qǐng)求,當(dāng)收到請(qǐng)求時(shí)進(jìn)行ID驗(yàn)證,若為本機(jī)ID則發(fā)送數(shù)據(jù),否則繼續(xù)等待,節(jié)點(diǎn)程序流程如圖5所示。主機(jī)的程序設(shè)計(jì)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的請(qǐng)求和接收處理,進(jìn)行顯示、報(bào)警、人機(jī)交互和聯(lián)動(dòng)控制,主機(jī)程序流程如圖6所示。
本文給出了基于ZigBee技術(shù)的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測方案,詳細(xì)的分析了系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案,對(duì)系統(tǒng)的傳感器電路設(shè)計(jì)做出了相應(yīng)的介紹,分析了系統(tǒng)的可行性。最終對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了整體數(shù)據(jù)采集和通信測試,良好的驗(yàn)證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性,對(duì)室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測具有一定的指導(dǎo)意義和參考價(jià)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(tǒng)應(yīng)用,智能家居。