ZigBee在室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

王軼君

摘 要：本文基于ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)所涉及的軟硬件設(shè)備進(jìn)行了詳細(xì)分析，表明基于ZigBee的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有維護(hù)簡(jiǎn)單、擴(kuò)展與布網(wǎng)靈活等多方面的優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞：ZigBee;傳感器;室內(nèi)環(huán)境;監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TN929.5;TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）13-0014-02

Abstract： Based on the application of ZigBee wireless sensor network in indoor environmental monitoring system， the hardware and software equipment involved in the whole system were analyzed in detail， which showed that ZigBee-based indoor environmental monitoring system had superiority of the aspect about simple maintenance， expansion and flexible deployment.

Keywords： ZigBee;sensor;indoor environment;monitoring system

在建筑施工過(guò)程中，家裝、家具所帶來(lái)的室內(nèi)環(huán)境污染問(wèn)題不僅降低了整體的大氣質(zhì)量，也對(duì)人們的生命安全構(gòu)成了極大威脅，因此，相關(guān)部門(mén)必須要重視和改善該問(wèn)題，意識(shí)到室內(nèi)環(huán)境污染問(wèn)題的嚴(yán)峻性，在實(shí)際中加強(qiáng)監(jiān)測(cè)與治理。但目前，監(jiān)測(cè)和治理技術(shù)發(fā)展還不成熟，很多地區(qū)依然采用人工采樣、實(shí)驗(yàn)室分析的監(jiān)測(cè)方式進(jìn)行，不僅效率低，而且成本高、耗時(shí)長(zhǎng)，因此，建筑施工單位急需應(yīng)用新的監(jiān)測(cè)手段?；赯igBee的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)技術(shù)，克服了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)的弊端，具有廣闊的應(yīng)用與發(fā)展前景。

1 室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由主機(jī)中央監(jiān)控、中心節(jié)點(diǎn)、終端分節(jié)點(diǎn)、顯示與傳感器模塊構(gòu)成，采用基于ZigBee的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)適用于傳輸距離近、環(huán)境干擾大、數(shù)據(jù)傳輸大的環(huán)境，主機(jī)是核心設(shè)備，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸與處理，并能夠調(diào)節(jié)與控制整體設(shè)備，是人機(jī)交互的接口，通過(guò)RS232接口連接節(jié)點(diǎn)，所有節(jié)點(diǎn)都使用CC2430芯片。通過(guò)該芯片所集成的無(wú)線收發(fā)模塊，可以實(shí)現(xiàn)與終端節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)通信。而終端節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)傳感器與信號(hào)處理模塊，實(shí)時(shí)對(duì)收發(fā)信息進(jìn)行處理與監(jiān)測(cè)，進(jìn)而達(dá)到監(jiān)測(cè)室內(nèi)環(huán)境的目的，從而將所獲得的監(jiān)測(cè)參數(shù)上傳至中央監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)信息的傳遞與處理。

1.1 中心節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

中心節(jié)點(diǎn)在整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中是通信與控制的核心載體，借助于RS232串口與其他設(shè)備相連接，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的高可視性與可控性，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的有效控制與監(jiān)測(cè)信息的高效率傳輸。終端節(jié)點(diǎn)所獲得的數(shù)據(jù)皆通過(guò)中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸與處理，進(jìn)而起到對(duì)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)與控制功能。在整個(gè)系統(tǒng)中，功能模塊設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的順利運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用，通過(guò)設(shè)定相關(guān)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整體系統(tǒng)報(bào)警與調(diào)節(jié)的作用。

中心節(jié)點(diǎn)具有多方面的功能模塊，主要包括調(diào)節(jié)輸出、報(bào)警、顯示等，這些模塊保證了中心節(jié)點(diǎn)在整個(gè)系統(tǒng)中的關(guān)鍵作用。調(diào)節(jié)輸出模塊依托于光電隔離、耦合作用，與外圍驅(qū)動(dòng)電路連接，有效實(shí)現(xiàn)了整體設(shè)計(jì)中所涉及的設(shè)備調(diào)節(jié)與控制，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備整體的自動(dòng)調(diào)節(jié)與控制功能。報(bào)警模塊通過(guò)借助P0.3接口與驅(qū)動(dòng)電路，當(dāng)光、聲設(shè)備超過(guò)預(yù)定參數(shù)設(shè)定時(shí)發(fā)出預(yù)警。顯示模塊則可以根據(jù)供電情況選擇LCD顯示器或LED顯示器。一旦局域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)脫離中央系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)作，將會(huì)在功能按鍵作用下，借助顯示模塊傳輸相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)中心節(jié)點(diǎn)與終端設(shè)備的實(shí)時(shí)通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)整體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的控制，而中心節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)上傳下達(dá)的主機(jī)數(shù)據(jù)傳輸，起著重要的紐帶作用。

1.2 終端子節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)是帶有傳感器的網(wǎng)絡(luò)子節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)對(duì)室內(nèi)環(huán)境參數(shù)如溫度、濕度、光照、甲醛等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，因此必須借助數(shù)字式傳感器與輔助電路等硬件，包含信號(hào)處理電路等。本文所概述的整個(gè)系統(tǒng)采用數(shù)字傳感器模塊，其中，溫濕度傳感器為SHT11，獨(dú)特的接口設(shè)計(jì)滿足了傳感器模塊需要。根據(jù)系統(tǒng)整體運(yùn)行與終端節(jié)點(diǎn)情形，還可以選擇功能模塊，如顯示、報(bào)警等模塊，用于監(jiān)測(cè)過(guò)程中光、聲提示、參數(shù)設(shè)定等。中心節(jié)點(diǎn)與終端節(jié)點(diǎn)之間所存在的上下行數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了最終監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的上傳下達(dá)，保證了監(jiān)測(cè)結(jié)果的實(shí)時(shí)與高效傳輸，保證了主機(jī)在監(jiān)測(cè)中發(fā)揮重要作用。終端節(jié)點(diǎn)運(yùn)行依托于電池供電。ZigBee技術(shù)的優(yōu)越性體現(xiàn)在其節(jié)能設(shè)計(jì)上，運(yùn)行功耗低，休眠模式下的能耗極低，可以通過(guò)外部或定時(shí)中斷功能實(shí)現(xiàn)RTC喚醒系統(tǒng)，在待機(jī)模式下，電能消耗低，保證了電池的使用壽命。

2 室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.1 中心節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

中心節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)復(fù)雜且種類繁多，涉及主程序、數(shù)據(jù)巡回采集與處理子程序、顯示與報(bào)警子程序及鍵盤(pán)掃描程序等。主程序需要結(jié)合整體系統(tǒng)的功能模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，要確保中心節(jié)點(diǎn)與主機(jī)系統(tǒng)結(jié)合運(yùn)行，注意避免中心節(jié)點(diǎn)脫離主機(jī)的工作狀態(tài)。因此，設(shè)計(jì)中要符合主從工作模式，還要實(shí)現(xiàn)顯示、報(bào)警等中斷服務(wù)。中心節(jié)點(diǎn)主程序通過(guò)主動(dòng)模式，按照固定順序從終端節(jié)點(diǎn)獲得所需數(shù)據(jù)。

2.2 終端節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)的重要功能是實(shí)現(xiàn)傳感器連接，其主程序在開(kāi)始后即進(jìn)入了初始化階段，使終端節(jié)點(diǎn)連續(xù)讀取多個(gè)傳感器狀態(tài)與參數(shù)，并將最終運(yùn)算結(jié)果加以存儲(chǔ)與顯示。在讀取傳感器數(shù)據(jù)后，管理部門(mén)需要檢查中心節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，如果不存在呼喚，則返回檢測(cè)傳感器的最初狀態(tài);否則就進(jìn)行子程序的數(shù)據(jù)調(diào)用過(guò)程，多次進(jìn)行后進(jìn)入下一輪的數(shù)據(jù)采集過(guò)程。如果讀取的數(shù)據(jù)信息超過(guò)了系統(tǒng)本身的限制，則需要中斷服務(wù)子程序。

3 檢測(cè)結(jié)果及分析

本次實(shí)驗(yàn)采用PCB天線，ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的通信距離理論值控制在10cm以內(nèi)，但傳輸距離受到其他因素制約，因此，為了延長(zhǎng)傳輸距離，可以使用帶鞭狀天線的射頻模塊或者CC2591。對(duì)于不同對(duì)象與不同傳感器模塊，本文以溫濕度傳感節(jié)點(diǎn)為研究對(duì)象，分析了整體室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能，并針對(duì)該實(shí)驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了對(duì)室內(nèi)溫濕度指標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在本實(shí)驗(yàn)中，所使用的溫濕度傳感器為SHT11型號(hào)的溫度、濕度測(cè)量設(shè)備，通過(guò)該數(shù)字傳感器，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在主機(jī)系統(tǒng)的最終顯示。通過(guò)顯示結(jié)果，可以直接進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)分析與利用，直觀觀測(cè)濕度與電池電壓的實(shí)時(shí)變化;濕度顯示精度更高，達(dá)到了小數(shù)點(diǎn)后兩位;溫度變化范圍更大，可顯示零度以下，能夠滿足更多的觀測(cè)需求。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，溫度為20.23℃，相對(duì)濕度為50%。溫度誤差控制在±0.5℃范圍內(nèi)，而濕度誤差控制在5%以內(nèi)。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得，溫濕度傳感器所監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)滿足室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)的實(shí)際需求。實(shí)驗(yàn)顯示，主機(jī)顯示的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)隨著室內(nèi)環(huán)境的變化而變化，但當(dāng)監(jiān)測(cè)參數(shù)超過(guò)規(guī)定限制時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)會(huì)及時(shí)響應(yīng)，對(duì)超限參數(shù)等發(fā)出報(bào)警。

4 結(jié)語(yǔ)

有關(guān)結(jié)果顯示，ZigBee技術(shù)在室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用突破了傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測(cè)方式的局限性，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)過(guò)程的高效性，具有極強(qiáng)的可操作性，且維護(hù)簡(jiǎn)單、適用性強(qiáng)，在一定程度上降低了施工成本，提高了監(jiān)測(cè)效率，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)環(huán)境管理的智能化與現(xiàn)代化，具有一系列技術(shù)優(yōu)勢(shì)。因此，在未來(lái)，該監(jiān)測(cè)技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景，通過(guò)完善該技術(shù)，能夠擴(kuò)寬其應(yīng)用領(lǐng)域，創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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