基于ZigBee的实验室环境监测系统设计

范启富，邱力军，刘 欢

（西京学院，陕西 西安 710123）

基于ZigBee的实验室环境监测系统设计

范启富，邱力军，刘 欢

（西京学院，陕西 西安 710123）

社会在快速发展，人们的安全意识也在不断提高，在这个智能化应用越来越广泛的时代，人们对安全舒适的生产环境提出了越来越高的要求。因此，对生产环境数据进行监测是十分重要的。文章设计的中小企业生产环境监测系统，可实现对生产环境中的温湿度和几种有毒有害气体浓度的实时采集。文章主要由硬件设计、软件设计和系统的测试与调试3大部分组成。硬件电路设计包括ZigBee终端节点电路设计、CC2530主控制电路设计、电源电路设计。软件设计包括数据采集节点程序设计、协调器节点程序设计、上位机界面设计、手机终端设计。系统的测试与调试包括ZigBee模块的参数测量、ZigBee组网测试、系统程序调试等。

ZigBee；环境监测；实时采集

1 中小企业存在的问题

随着社会的发展，科技的进步，我国中小型企业越来越多。但是，大多数中小型企业都存在很多现实问题。例如，几乎所有的中小型企业的工作场所都是租赁来的，办公室以及生产车间的设置，还有室内设备都不是很合理，生产车间的有害气体任其飘散，对员工的身心造成了一定的伤害。仓库以及办公室的温湿度无法控制，容易造成设备的生锈或者损坏。再加上中小型企业员工主要以雇佣为主，人员流动性大、员工思想散漫、工作不积极、没有集体荣誉感，公司的设计、管理以及生产环境没有形成规模。所以，提高中小企业的生产环境，给员工营造一个良好的工作环境是所有中小企业都应该考虑并解决的重要任务之一，为了达到上述目的，本课题将研究一个基于ZigBee的中小企业生产环境监测系统设计。

2 系统总体设计

2.1 ZigBee组网类型

ZigBee技术是一种建立在IEEE802.15.4标准之上的近距离、低功耗、低速率、低成本的双向无线技术。它主要应用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有中期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。ZigBee网络拓扑结构有星形、簇状型和网状型，根据该系统的设计要求以及预期结果，我们选择了网状型网络拓扑结构。MESH网状网络拓扑结构可以通过多跳级的方式来通信，网络还具备自组织，自愈功能，网状型拓扑结构如图1所示。

2.2 ZigBee总体结构设计

本课题是研究一种基于ZigBee的适用于中小企业的生产环境监测系统，需要实现对生产环境的实时监测以及预警提示的功能，为了达到此目标，本系统需要对传感器进行选型，ZigBee数据采集模块设计，ZigBee协调器设计，上位机设计、手机终端设计以及相对应的硬件程序设计。

本选题旨在已有的ZigBee技术和环境监测系统的基础上，预期设计出一个基于ZigBee的中小型企业生产环境监测系统，最终实现对生产环境的实时监测以及预警提示的功能。系统整体框架如图2所示。

图1 网状型网络拓扑结构

图2 生产环境监测系统整体

3 硬件电路设计

本系统选用的主控制芯片是CC2530，CC2530是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4，ZigBee和RF4CE应用的一个真正的片上系统解决方案。它能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点。CC2530 结合了领先的RF收发器的优良性能，业界标准的增强型8051CPU，系统内可编程闪存，8-KB RAM和许多其他强大的功能。CC2530 具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。运行模式之间的转换时间短进一步确保了低能源消耗。主控制芯片电路如图3所示。

图3 主控制芯片电路

温度传感器使用DS18b20，DS18b20具有体积小、抗干扰能力强和精度高等特点。烟雾浓度传感器与CO浓度传感器分别为MQ-2和MQ-7，MQ-2稳定性高，发现火情时响应时间短，工作性能表现良好。MQ-7对一氧化碳具有很高的灵敏度，使用寿命长，定性可靠等优点，MQ系列传感器的电路硬件图设计都是相同的，如图4所示。

图4 MQ传感器电路原理

4 软件设计

4.1 数据采集节点程序设计

ZigBee网络中的协调器节点上电启动后负责建立网络，并开启允许绑定功能；数据采集节点上电启动后加入网络，并自动发起绑定请求，待协调器节点建立绑定后，将采集到的温度、CO浓度、烟雾浓度值周期性地发送到协调器节点。数据采集模块部分程序如图5所示。

4.2 上位机界面设计

该界面在Microsoft Visual C++6.0环境下使用C++语言编写设计的，整个界面包括温度计、湿度数据显示框、气体显示图标灯泡图标还有温湿度变化折线图，可以实现数据在计算机上的实时显示。上位机界面图及某时刻实验数据如图6所示。

5 结语

经过多次试验以及系统测试表明，该系统以低功耗、低成本、低复杂度、低传输速率的特点实现实验室环境实时监测以及预警提示功能，并且适用于任何室内环境，不但保证了室内环境的安全性，还为实验工作人员营造了一个舒适的实验环境，具有一定的实用性。

图5 数据采集模块程序

图6 上位机界面

[1]王立鑫.论环境监测对于环境质量评价的重要意义[J].资源节约与环保，2013（6）：68-96.

[2]杨晨曦.全球环境治理的结构与过程研究[D].长春：吉林大学，2013.

[3]钱卫星.基于ZigBee技术的无线网络智能家居构建[J].电子工程师，2008（12）：72-74.

Design of environment monitoring system for laboratory based on ZigBee

Fan Qifu, Qiu Lijun, Liu Huan
（Xijing University, Xi’an 710123, China）

With the rapid development of society, people’s security awareness is also improving, in this era of intelligent applications booming, higher requirements on production of safe and comfortable environment has been put forward. Therefore, to monitor the quality of production data is very important.The production environment monitoring system of small and medium-sized enterprises designed in this paper can realize the real-time collection of temperature, humidity and the concentration of several poisonous and harmful gases in the production environment.The article mainly consists of 3 parts：hardware design, software design and system testing and debugging. Hardware circuit design includes circuit design of ZigBee terminal node, CC2530 main control circuit design, power circuit design. Software design includes data acquisition node programming design, coordinator node programming design, host computer interface design, cellphone terminal design. System testing and debugging includes the ZigBee module parameter measurement, ZigBee network testing, system program debugging, etc.

ZigBee; environmental monitoring; real-time collection

范启富（1990— ），男，陕西西安，硕士研究生；研究方向：信息监测与处理。