基于ZigBee无线传感器网络的环境质量监测系统设计

马爱霞 徐音

摘   要：以CC2530模块为核心构建无线传感网络，将采集的粉尘、温湿度、光照等环境数据传输至远程监测中心，通过上位机软件读取与储存环境数据，实现环境参数远程监测。文章根据系统的方案，设计其硬件电路功能，并设计了终端传感器节点、中间协调器节点以及监控中心的软件流程。

关键词：温湿度;光照;ZigBee;无线传感网络

随着人们生活水平的日益提高及科技技术的进步，环境问题越来越受到重视，人们日常关注空气质量如同每天关注天气预报一样频繁。传统的环境监测技术主要是通采用人工的方式，使用测量温湿度等指数的仪器检测环境质量参数，人力、财力得到大量的消耗，并且在一些环境比较恶劣的区域，使用人工方式很难实时监测，以上弊端都是传统监测方法存在的。随着互联网技术和无线传输技术的发展，这些技术慢慢被投入到环境监测系统中来。环境检测技术主要运用的3种技术：传感器技术、通信技术、计算机技术。传感器完成检测信息的采集，通信技术完成信息传输，计算机技术实现数据的处理。

无线传感器网络是由许多微小传感器节点构成的，微小传感器负责系统数据的采集，各节点之间进行通信。微小传感器以多跳无线通信方式构成自组织的网絡系统。因其具有可靠、灵活、准确等优点，同时，部件造价低廉、部署和维护简单，近年来普及应用得非常快。现在在智能家居、环境监测、智能交通等领域得到了广泛应用。

1    系统总体方案的设计

本文是基于ZigBee无线传感器技术的环境数据采集和控制系统[1]。该系统由监测点、中心控制节点、通用分组无线服务（General Packet Radio Service，GPRS）网络和上位机监控中心组成。该系统的总体结构如图1所示。

图1  系统总体结构

系统由终端节点、中心控制节点、上位机等组成。终端节点由数据采集及终端控制设备构成，主要负责采集环境中的温湿度和光照等环境数据。判断采集到的数据信息是否超出设定值，驱动继电器控制环境现场内电灯、空调等设备。中心控制节点主要负责组建和维护ZigBee网络，发送、接收数据和指令，并通过GPRS网络与上位机进行通信。上位机负责实时地显示环境数据，当采集值超出当前设置的界限值时，发出预警信息，并且发出控制机电设备的指令[2-4]。

2    系统硬件

整个系统的前端数据是采集模块部分，主要实现采集环境参数的数据，并完成数据的无线传输。通过传感器节点采集温度、灰尘和湿度数据，之后传送给单片机来实现控制和处理。具体实现过程是将部署在环境监测区中的各ZigBee采集节点采集到的数据发送给ZigBee协调器，ZigBee节点与中间协调器的通信是通过建立的无线传感器网络进行的，注意ZigBee节点之间是无法相互通信的，只与协调器进行单向的数据传输[5]。

选用SHT11传感器采集空气温、湿度，检测被监测环境区域内部的温、湿度等环境参数。SHT11的主要性能指标有： 温度测量范围：-40～123.8 ℃;相对湿度测量范围：0～100%;湿度测量精度：±3%;温度测量精度：（±0.4）℃（在25 ℃时）;电源电压范围：2.4～5.5 V;电流消耗：电路工作时测量为550 μA，平均工作电流28 μA，器件休眠时测量值为3 μA。

灰尘传感器选用DSM501灰尘传感器，主要特点及性能指标：内置加热器可实现自动吸入空气;工作电压范围（DC）（5.0±0.5）V;输出方式脉冲宽度调制、脉宽调制;低电平（有粒子时）输出电压：0.7 V（max1.0 V）;高电平（洁净空气时）测得输出电压：4.5 V（min4.0 V）;检出最小粒子大小是1 μm;灵敏度为15 000个/283 mL;工作电流（最大值）90 mA;储存湿度环境0～99% RH;湿度工作环境0～95% RH;储存温度环境-20～80 ℃;工作温度环境-10 ～60 ℃;稳定时间加热器电源接通后约1 min。

选用TBQ-6传感器采集光线亮度，主要用来检测区域环境的光照强度，其主要性能指标有：光照度测量范围：0～20万 lx;光谱范围：400～700 nm的可见光;电源电压：24 V（12～30 V）;输出信号有两种：4～20 mA标准电流、0～5 V标准电压;测量误差均在（±7%）以内;以上信号测量时工作环境温、湿度为0～40 ℃，0～70%;大气压力80～110 kPa[6]。

3    系统的软件设计

系统的软件设计由监测传感器节点的设计、控制中心多传感器数据融合，设计网关数据融合算法设计、管理中心软件设计等几部分组成[7]，各部分设计如下。

传感器节点作为系统的采集终端，主要完成的任务有：采集现场信息、传输本机数据、等待主机命令。其软件设计流程的实现如图2所示。

图2  传感器节点软件设计流程

控制中心多个传感器数据相互融合，设计网关的运算流程如下。

Step 1：对接收到的多个传感器节点的信息进行处理，单个传感器节点不同时间点的参数估计值运用alman递归滤波算法，传感器初始的数据建立误差方阵，通过递归公式推算出t时刻的误差方阵，算出mintrace的Pk时刻k。

Step 2：从初始值采用递归算法，计算t时刻的数值yt，再结合上面Step 1计算出的结果，确定k时刻最小值pk，并计算其最佳比例权重。

Step 3 ：估计精度差或发散的数据，采用最优比例权重法加权，根据其加权平均值，再计算加权后的状态估计值。

Step 4：各个传感器节点的方差结合融合权重，融合Step 3中经过加权计算出的各传感器的状态估计值，并计算出其融合值。

Step 5：网关数据的融合决策，依据设定的预警阈值，判断融合后的数据与阈值之间的关系，给出预警等级。

本设计中，管理中心要实现的功能如下：（1）顯示各传感器的数据。（2）各传感器节点采集到的数据采用GPRS方式上传到服务器。（3）将传感器采集数据保存到SD卡。（4）ZigBee网络的配置。（5）接收全球移动通信系统发来的短信命令包，并将命令包发送到控制中心中去。（6）完成计算机数据接收相关操作。

4    结语

本文首先分析了无线传感器网络中数据采集与控制系统的课题意义，然后结合实际应用开发了一套环境监测与控制系统，完成了该系统的总体硬件和软件设计。首先分析和设计系统的硬件，分别对监测点模块、中心协调器模块、监控中心的硬件结构做了相关分析，包括片温湿度传感器、粉尘传感器、光线传感器等元件的介绍。然后对软件开发流程进行了分析，根据系统的功能方案设计，完成了终端节点、协调器节点、监控中心的软件设计。

[参考文献]

[1]战晔，段凤阳，常丽敏.基于ZigBee技术无线传感器网络应用的研究[C].杭州：亚太青年通信学术会议，2011.

[2]孙利民，李建中，陈渝，等.无线传感器网络[M].北京：清华大学出版社，2005.

[3]胡江.无线传感器网络研究现状及应用[J].技术应用，2015（4）：54-55.

[4]张和平.浅析短距离无线通信技术[J].信息时代，2012（2）：53-54.

[5]胡云.基于ZigBee技术的温湿度数据采集传输系统设计[C].北京：电子信息与电气工程国际学术会议（EIEE2012），2012.

[6]吕宏，黄钉劲.基于ZigBee技术低功耗无线温度数据采集及传输[J].国外电子测量技术，2012（2）：58-60.

[7]李文仲，段朝玉.ZigBee无线网络技术入门与实战[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.Design of environmental quality monitoring system

based on ZigBee wireless sensor network

Ma Aixia， Xu Yin

（College of  Technical， Zhengzhou Technology and Business University， Zhengzhou 450014， China）

Abstract：The wireless sensor network is built with CC2530 module as the core. The collected environmental data such as dust， temperature， humidity and illumination are transmitted to the remote monitoring center. The environmental data is read and stored by the host computer software to realize remote monitoring of environmental parameters. According to the functional design of the system， the software design of the terminal node and the coordinator node monitoring center is completed.

Key words：temperature and humidity; illumination; ZigBee; wireless sensor network