ZigBee在室内环境监测系统中的应用

尹红敏，王康谊，钱 超

（中北大学 信息与通信工程学院，山西太原 030051）

0 引言

鉴于现有室内环境监测存在的弊端和问题，本文提出一种基于ZigBee的无线传感器网络的室内环境监测方案，旨在克服室内环境监测存在的弊端，解决室内环境监测实时数据采集和信息交互的技术问题。

ZigBee技术[2]是一种新兴的短距离、低功耗、低速率、低成本、高容量的无线网络通信技术，承载这种无线网络技术的CC2430高性能单片机[3]，与现代传感器模块相结合，可实现室内环境的智能化检测，达到中央实时监测、报警，进而自动调节的目的。它具有施工简单、检测节点多、扩展容易、维修方便的特点，为室内环境提供现代化、智能化的科学、高效的管理手段。

1 室内环境监测系统的硬件设计

室内环境监测系统设计框图如图1所示。本系统采用ZigBee星型网络拓扑结构[4]，适用于室内环境监测传输距离较近、环境干扰大、时间要求高、数据传输量大的场合。

图1 室内环境监测系统的无线网络结构框图

主机是整个系统的中央监控设备，负责节点的数据通讯、数据分析处理和调节设备控制，通过丰富的显示界面实现人机交互。主机通过RS232接口[5]有线连接中心节点，所有节点均采用CC2430芯片。中心节点[6]通过CC2430芯片集成的无线收发模块，与终端节点进行无线收发通讯。终端节点[6]是网络中数量最多的节点类型，结合相应的传感器及信号处理模块，负责采集室内环境监测点的数据，并实现要检测的相关参数定时或实时通过网络上传，直至中央监测计算机。

1.1 中心节点设计

中心节点是整个监测系统通讯、控制核心，通过RS232串口与控制计算机相连，通过计算机的人机交换界面，实现整个系统的可控性和可视性。终端节点的数据均通过中心节点与主机进行数据交换，实现整个系统的中央监测与调节。通过功能模块设计，具有功能键设定、液晶参数显示、越限提示报警和设备自动调节的功能。中心节点的硬件结构框图如图2所示。

图2 中心节点结构框图

中心节点的功能模块包括调节输出模块、报警模块、显示模块等。控制调节模块通过光电隔离、耦合，连接外围的驱动电路，实现室内环境调节设备的自动控制。报警模块通过一个P0.3接口，连接报警驱动电路，进而可以驱动声、光报警设备[7]，实现环境设定参数的超限报警。液晶或LED显示模块，可以根据供电情况进行选择。当局域网络系统脱离中央监测计算机独立工作时，在功能按键的配合下，可以通过显示模块了解传感器终端节点传来的相关信息。功能按键模块，可以实现中心节点与终端节点通讯的定点选择或轮回选择，配合显示模块，可以实现灵活的现场监测。中心节点的上行数据主要是轮回上传各个终端节点的检测数据汇总给主机，下行数据主要是传达主机的相关数据需求，起到上传下达的纽带作用。

1.2 终端子节点设计

终端节点的结构框图如图3所示。

图3 终端节点结构框图

终端节点是带传感器的网络子节点。室内环境所涉及的主要环境参数的检测，包括温湿度、光照度、甲醛等传感器模块，主要硬件为数字式传感器及其辅助电路，包括传感器工作电路和信号处理电路。此处传感器模块采用了数字传感器模块，如温湿度传感器SHT11[8]，方便了传感器模块的接口设计。

根据需要在终端节点也可选择显示、报警和功能键模块，用于本检测节点的数据检测、声光提示、参数设定等。中心节点与终端节点之间的上下行数据，主要包括下传主机的数据需求指令，以及收集各终端节点的检测数据，计算、汇总后通过中心节点上传到主机，使主机随时掌握终端的现场情况。

终端节点一般采用电池供电，ZigBee技术采用特有的低功耗设计，休眠模式时仅0.9μA的流耗，可用外部中断或定时中断RTC唤醒系统；待机模式时的电流消耗少于0.6μA，也可以用外部中断唤醒系统，可以保证电池工作很长时间。

2 室内环境监测系统的软件设计

2.1 中心节点程序设计

中心节点程序设计主要由主程序、数据巡回采集及处理子程序、显示子程序、越限报警子程序、键盘扫描。中心节点主程序设计可以根据功能需要灵活设计，如果要使中心节点脱离工控机独立工作，是以主从工作模式进行通信，还需要设计显示、报警、键盘等中断服务子程序。中心节点主程序是以主动的方式按照固定顺序周而复始地呼唤终端节点而取得数据。其主程序流程图如图4所示。

图4 中心节点主程序流程图

2.2 终端节点程序设计

终端节点连接相关的传感器模块，工作主程序流程图如图5所示。

图5 终端节点主程序流程图

终端节点主程序开始后进行初始化，然后连续读取各个传感器的状态参数，并通过运算后进行存储和显示。在所有传感器数据读取完毕后，检查有无中心节点的数据发送呼唤，如没有呼唤继续轮回检测传感器状态。如有中心节点的数据发送呼唤，调用数据发送子程序，直至全部数据发送完毕，再进行下一轮传感器数据采集。如果读取的传感器数据超限或有功能键按下，则采用中断的方式执行相应的中断服务子程序。

3 检测结果及分析

针对不同的对象，选用不同的传感器模块。本文主要利用温湿度传感节点实验对系统功能进行了测试，实现了室内温湿度的采集监测。本文采用数字温湿度传感器SHT11来测量室内环境的温度和湿度，并将数据发送上传，在主机上显示。可通过图形，直接观察传感器数据，更贴近于应用；增加了湿度与电池电压的直观显示；湿度显示精度增加为小数点后两位，温度范围可显示至零下，可满足更多应用环境的需求。

现场测试的温度为20.23℃，相对湿度大约50%。温度检测误差不超过±0.5℃，湿度的检测误差在5%(相对湿度)之内。通过分析实验数据，传感器节点测得的监测数据满足室内环境监测的实际需求。实验测试还可证明，当室内环境发生变化时，可以在主机上实时监测到室内环境的变化情况。检测参数一旦超限，计算机及时响应,显示地址和超限参数值，并进行报警提示。

本实验采用的PCB天线，ZigBee无线网络的通信距离理论值为10cm。在同一房间内，数据传输迅速、稳定、可靠，如果相隔一道水泥墙，传输距离就受到限制了。为了扩大传输距离可以采用带鞭状天线的射频模块，也可以使用CC2591提高通信距离。

4 结论

通过检测结果分析，认为基于ZigBee技术的室内环境监测系统，与传统的环境检测方式相比较，具有检测效率高、施工简单、维护方便、实时性好的特点，可节省施工成本，提高检测效率，降低检测管理成本。实现了室内环境监测的智能化、现代化管理。通过系统功能进一步开发，还能为其在本领域的应用增加新的价值，因此具有较高的经济实用价值和较好的应用前景。

[1]温卫敏.基于TMS320LF F2407的室内有毒气体监测系统[J].赣州学院学报,2009,11(1):57-59.

[2]包长春,李志红.基于ZigBee技术的粮库监测系统设计[J].农业工程学报,2009,25(9):197-201.

[3]王秀梅,刘乃安.2.4MHz射频芯片CC2430实现ZigBee无线通信设计[J].国外电子元器件,2009,17(7):45-50.

[4]白凯.基于ZigBee的室内环境监测系统的应用研究[J].工业技术经济,2011,10(10):33-36.

[5]张荣标.微型计算机原理与接口技术[M].北京:机械工业出版社,2008.

[6]顺舟科技.ZigBee无线技术手册[EB/OL].上海顺舟网络科技有限公司,2010-06-20.http://www.shuncom.com.

[7]高守玮,吴灿阳.ZigBee技术实践教程-基于CC2430/31的无线传感器网络解决方案[M].北京:北京航空航天大学出版社,2009.

[8]匡宇国.智能传感器SHT11及其在便携式温湿度检测仪中的应用[J].电子器件,2006(04).