基于ZIGBEE的空气质量检测仪设计研究

陈创 王勤湧 蒋凯特 金通华 陈珂伟

摘要：本文是基于ZIGBEE的空气质量检测仪设计研究，主要从ZigBee组网的搭建入手，系统的介绍了空气质量主要参数的采集和处理过程以及物联网模型的控制。本文使用LM3S811作为数据采集器的主控芯片，与传感器模块使用I2C进行数据传输，并可以通过串口与PC机进行数据通讯，同时也可以通过ZigBee组网与以LMS9B96为主控芯片的协调器模块进行通讯。协调器可以通过串口与上位机进行通讯。

关键词： ZigBee组网；空气质量监测； CortexM3

中图分类号：TP368文献标识码：A

近年来，随着生活质量的提高和空气质量的日益严峻，社会上对于空气质量检测产品的需求也呼声高涨，家庭空气质量也被更多人所关注，越来越多的家庭希望能够对自己所处的环境进行实时的监测。本文讨论的空气质量检测仪应运而生。使用LM3S811作为数据采集器的主控芯片，与传感器之前使用I2C协议进行数据传输，并可以通过串口与PC机进行数据通讯，同时也可以通过ZigBee组网与以LMS9B96为主控芯片的协调器进行通讯[1]。

1空气质量检测仪结构和原理

系统按硬件分为4大部分组成：传感器采集节点、路由中间节点、协调器节点（用于传输数据至PC）[2]以及PC机平台控制软件。系统框图如图1所示：

协调器与PC机的数据通讯支持以太网以及USB传输，其余节点均采用ZigBee网络。终端和路由使用LM3S811主控芯片，汇聚节点采用LM3S6952，该主控芯片支持以太网和USB，终端节点除数据传输外，还需进行传感器信号处理。

正常工作时，LM3S811采集节点传感器信号，读取O2传感器和可燃气体传感器的信号。信号经过软件处理后变为0V5V的模拟电压值，氧气浓度传感器通过化学反应产生电流信号输出，经ADC采样并转化为电压值。可燃气体传感器的阻值随可燃气体浓度改变而变化，它将被测气体的浓度信号转变成相应的电信号。单片机根据浓度值计算公式对A/D 转换后的电压量进行计算，得出所需的气体浓度数据，再使用ZigBee通讯发送至协调器进行显示。

2系统设计

2.1 系统控制器

主控芯片采用LM3S9B96，ARM CortexM3内核，最大主频80 MHz，256 KByte FLASH，96 KByte SRAM。内部外设极为丰富，集成10/100MHz以太网USB OTG、16路ADC，UART等等外设[3]。

采集节点主控芯片采用LM3S811，最大支持主频50 MHz，亦为ARM CortexM3内核，内置64 KByte FLASH，8 KByte SRAM。内部外设包括4路10位ADC2路UART、SSI、3个通用定时器等等外设[4]。

2.2 氧气浓度，可燃气体浓度检测

氧气传感器模块所采用的芯片是英国Alphasense公司的O2A2，该传感器属于电化学式的，其工作原理是通过化学反应产生电流信号输出。

氧气传感器模块原理图如图2所示：

可燃气体传感器使用MQ2传感器，MQ2传感器是一种电阻控制型的气敏器件，其电阻值随气体的浓度变化而变化，是一种“气—电”传感器件，可将气体的浓度信号转化为相应的电信号。

MQ2传感器阻值与气体浓度的关系一般为非线性HYPERLINK"http：//www.zhenfengdz.com/plus/tags.asp？n=線性"＼t"_blank"关系，但在一定浓度域的气体检测时可近似认为是线性的，如下图所示。因此，在一定的浓度范围内（通常情况下气体爆炸下限浓度的1/4～1/10）的检测线性度较好[5]。

MQ2传感器模块电路图如图3所示：

2.3 ZIGBEE网络数据收发电路设计

ZIGBEE采用CC2420，该器件符合2.4GHz IEEE802.15.4标准。正常工作只需少量的外部元件，性能稳定，功耗较低，短距离通信时具有较高的有效性和可靠性，可实现多点对多点的快速组网。

2.4 液晶显示

采用了一个3.5寸的TFT LCD液晶，320X240像素，26万色，（四线电阻屏）支持触摸功能。作为LM3S9B96的显示设备，实时得显示信息。

3 软件程序设计

3.1 可燃气体测量程序设计

MQ2将被测气体的浓度（成分）信号转变成相应的电信号。通过ADC采样程序，将浓度信号转化为电压值，而后使用浓度值计算公式对A/D 转换后的电压值进行计算，得到所需的气体浓度数据，发送至协调器，目的地址的短地址为0x0000。

3.2 氧气测量程序设计

氧气测量程序的功能通过ADC采样中断，得到O2A2产生的电流信号输出。根据浓度值计算的公式对A/D 转换后的电压量进行运算处理，得到所需的氧气浓度数据，发送至协调器。发送到协调器。目的地址的短地址为0x0000。

3.3 显示程序设计

显示采用TFT LCD液晶屏幕，使用并行数据传输方式将处理后的数据进行十进制显示。TFTLCD驱动流程如图4所示：

4 结语

本文主要分析了空气质量检测仪设计研究中可燃气体传感器和氧气传感器在采集传输上的应用。采用ZigBee网络通讯，实现了节点数据对上位机的传输。可应用于矿产，工厂，家庭等不同地方的空气质量检测。具有检测快速，精确，方便等特点。可燃气体、氧气传感器模块等硬件传感器模块、可拆卸化的模块设计、使得本空气质量检测仪能在适用于各种环境，对于空气质量的控制研究和控制平台的设计有十分重要的意义。

参考文献：

[1]袁绪，宋康，查长海，陈富强，唐先尧.基于STC12C5A60S2的空气质量检测系统设计.电子设计工程，2015 （6）.

[2]陈晨，曹珍贯，王政，陆伟，张智勇.基于单片机的便携式空气质量检测器设计.黑龙江科技信息，2014 （13）.

[3]TI； Stellaris LM3S9B96 微控制器 数据表 （Rev. L） .http：//www.ti.com.cn/product/cn/LM3S9B96/technicaldocumentsHYPERLINK"http：//www.ti.com.cn/product/cn/LM3S9B96/technicaldocuments"，2012 2 13.

[4]TI； StellarisLM3S811 Microcontroller Data Sheet 数据表； http：//www.ti.com.cn/product/cn/LM3S811/technicaldocuments，HYPERLINK"http：//www.ti.com.cn/product/cn/LM3S811/technicaldocuments"2014715.

[5]吴恩铭，郑张鑫.移动式空气质量检测站模型的设计 Technology Outlook ，2015 （18）.