基于ZigBee无线传感器网络的住宅空气品质监控系统

程靖淇

（英国德比市雷普顿中学，英国DE65 6FH）

0 引 言

住宅环境是除了办公环境外的一个最重要的场所［1］，据统计人们大约有超过90%的时间都是在室内度过［2］。随着室外环境的恶化，以及室内装修质量良莠不齐带来室内污染问题越来越严重，给居民的身心健康带来不利的影响。导致室内污染的因素有多种，如室外污染的侵入、室内建筑材料的散发、室内人员的行为活动等。室外空气中的污染物会随着室外通风和围护结构的缝隙渗透作用侵入室内。住宅烹饪、吸烟等活动又同时会成为较大的室内污染散发源。为降低室外污染的影响，利用新风机的过滤作用去除室外的污染物；针对室内源，采用空气净化器消除室内污染物。但对于室内空气品质改善效果的检验不够，不能对住宅房间内各个房间的空气品质进行实时的掌握。因此如何让住宅用户能够实时了解住宅各个房间内的空气质量状况，以便于对采取的策略效果进行评估，成为首要解决的问题。

采用无线传输技术布置监控系统成为最佳选择。目前广泛使用的无线传输技术有蓝牙（Bluetooth）、超宽带（UWB：Ultra Wide Band）以及ZigBee等无线通信技术，这些技术在智能家居等产品中得到广泛的应用。从使用过程的便利性以及技术的先进性角度来看，产品在实际应用中还是存在一些缺陷。基于此，本文提出了一种将互联网、移动通信自动控制及传感器网络等多项技术融为一体的设计方案，并将该方案用于住宅内空气品质监测系统中。

1 系统设计方案

本文提出的ZigBee无线传感器网络监测系统方案，其结构布局如图1所示。对于每一个节点就是一个设备，并且每一个设备都具有一个射频端，具有唯一的IEEE地址（64位）和网络地址（16位）。目前设备主要有两种类型：FFD（Full Function Device）和 RFD（Reduced Function Device）。方案中的协调器采用FFD承 担 组 建 个 域 网 络 （Private Area Network，PAN），负责对其他节点进行协调等任务；ZigBee路由器和ZigBee终端，使用FFD或RFD均可，其主要功能是采集与其连接的传感器传输来的数据，并汇集到协调器。协调器通过串口通信与MCU模块建立联系。MCU模块与GSM模块进行连接，可以通过公共移动网络及时地将需要的数据信息发送给用户手机上，MCU模块同样与PC连接，将数据显示在PC屏幕上，以便于用户实时观察测试数据的变化。

2 系统各模块硬件与软件设计

按照监控系统结构分布来看，整个系统设计内容可以分为无线传感器网络、ZigBee／MCU和 MCU／GSM接口以及PC监控等部分，对于无线传感网络主要是个域网络的组建，包括ZigBee终端节点、ZigBee路由以及协调器之间的无线通信；ZigBee／MCU和MCU／GSM接口部分主要是对协调器采集数据的处理，并实现手机与无线网络的通信；PC监控主要对监测的对象进行监视，用户可以通过PC监控发送指令控制设备的运行。

图1 监控系统结构

2.1 无线传感器网络

无 线 通 信 模 块 采 用 射 频 芯 片 CC2530［16］。CC2530结合目前领先的RF收发器的优良性能，增强型8051CPU等其他强大的功能，并具有不同的运行模式，使得其适应于超低功耗要求的系统。搭载强大的集成开发环境，通过编写的数据传输通信程序，实现ZigBee终端、ZigBee路由器和协调器之间的无线通信。

2．1．1 节点的硬件设计

ZigBee终端及ZigBee路由器采用CC2530射频芯片，每个节点由CC2530模块、一系列传感器模块以及电源模块组成。为更加直观地理解终端与传感器之间连接关系，图2显示了终端设备硬件结构连接图，同时展示了传感器数据采集的类型，PM2．5传感器以及二氧化碳传感器与终端ZigBee通过串口数字信号进行通信，而温湿度传感器通过模拟电压信号传输。

图2 设备硬件结构

2．1．2 节点的软件设计

利用传感器网络将终端设备采集到的传感器数据传输到协调器，协调器将汇总的传感器终端数据通过串口传输到MCU模块。通信设计采用ZStack协议栈，ZStack协议栈是一个多任务轮询的简单操作系统，由于涉及的任务较多，复杂程度较高，在这里将终端节点、路由节点和协调器流程图进行了简化，简化后的流程如图3所示。从图中可以看出，对于协调器主要任务是建立一个个域ZigBee网格，并等着终端节点和路由节点加入网络，搜集终端节点或路由节点发送的数据；对于终端节点和路由节点主要是采集传感器数据，通过不断地尝试加入ZigBee网络，在成功加入后将数据包信息传输到协调器中。由于具体的代码较长，在此不再列出。

图3 任务流程图

2.2 ZigBee／MCU和 MCU／GSM 接口

ZigBee／MCU和 MCU／GSM 接口模 块 主 要 有ZigBee串口通讯模块和GSM监视模块，ZigBee串口通讯模块负责将数据传输到MCU中进行处理；GSM监视模块负责按照MCU的指令将数据信息传输到手机中，或者控制GSM模块发送信息到手机。

2．2．1 接口的硬件设计

MCU选择STM32F103RCT6单片机，在本系统中主要的作用是通过串口接收协调器发送的数据，并对数据进行处理后发送给GSM。对于GSM模块，目前市场上成熟产品都具有数据引出口，并基本上都支持GSM相关的AT控制指令，在硬件连接方面，只要在数据口中找到RXD、TXD和GND三个引脚与单片机上相对于的引脚连接即可。

2．2．2 接口的软件设计

在设计MCU与GSM模块接口程序时，首先要进行串口配置，GSM模块数据接口配置为8位数据位、1位停止位、无校验位，因此需要首先按此设置单片机工作模式。单片机通过向GSM模块发送AT指令控制GSM模块，在执行每一个指令过程中都需要单片机与GSM模块进行一次交互应答，对于每一次发送或者接收的字节数都有严格规定，必须按照这些规定进行数据的交互，否则将会导致通信失败。图4（a）描述了单片机在通信过程中系统的运行框架。在给系统供电后，首先完成系统的初始化，主要包括对串口的配置以及启动串口。进而单片机向GSM模块发送入网检测指令，尝试接入网络。在成功接入网络后，进入发送信息子程序。发送信息子程序是整个单片机程序中最核心的部分，图4（b）展示的是发送信息的子程序流程图，单片机通过执行程序指令控制GSM模块发送信息到手机，具体的程序在此处省略。

3 网络系统测试

为了测试本文设计的系统性能，在一家庭住宅内进行了实地测试。在四个主要功能房间内分别布置了一个ZigBee终端节点，ZigBee协调器节点放置在书房内。在组网过程中，先打开协调器节点，再打开各个终端节点。终端节点加入网络后，开始对传感器测试数据进行采集，设置数据保存间隔为1 min，并以文本格式保存在本地存储卡内。

图4 检测系统图

图5 PM2．5浓度变化曲线

利用该系统进行了为期一个月的实地测试，以室内PM2．5浓度为例，图5展示了在测试阶段客厅内浓度的变化。实验结果验证，该系统能够实时稳定监控室内空气品质的变化，为住宅用户了解室内环境提供有效的数据支撑。

4 结 论

本文设计了基于ZigBee无线传感器网络的住宅室内空气品质监控系统，实现了对住宅室内各个功能房间内空气品质的实时监测目的。通过系统联调证明，无线传感器网络间数据传输稳定，能够通过网络和终端实时对各个监测点进行监视，并将监测数据通过GSM模块传输到用户手机上，在监控点出现异常时通过发送短信通知用户。系统在住宅房间内使用性强，具有较好的应用前景。